基于残余应力场分析的焊接钢结构疲劳强度预测理论研究

论文摘要

疲劳破坏是焊接钢结构最主要的失效方式。由于钢结构在焊接过程中高度集中的瞬时不均匀热输入,在焊后不可避免的会产生焊接残余应力。焊接残余应力的存在会影响结构的疲劳性能。因此,在对焊接残余应力进行分析的基础上研究焊接钢结构疲劳强度预测方法具有重要的意义。本文主要研究内容有:本文采用数值模拟方法,利用有限元分析技术,考虑材料的热物理性能和力学性能随温度的变化,运用内生热率的加载方法模拟焊接热源,通过APDL语言编写程序实现焊接热源的移动加载,建立了焊接瞬态温度场分析的数学模型。利用有限元分析软件的热-结构耦合功能,考虑焊接温度场对应力应变场的单向耦合,针对焊接热应力场的材料非线性瞬态问题,选用弹塑性力学的增量理论进行计算分析,材料屈服遵循Mises屈服条件,塑性区内的行为服从流变法则,运用“生死单元技术”,动态模拟焊接过程中焊料的填入和凝固,建立了焊接应力应变场计算的理论模型。本文采用间接法,分别对几类错位板接头、对接板接头和T型板接头等典型的焊接钢结构的焊接温度场和焊接残余应力场进行了数值计算分析。分别得到了几类典型焊接钢结构的三维焊接温度场和三维焊接残余应力场。本文较系统的研究了钢结构疲劳强度预测的临界距离理论,并在临界距离点法、线法、面积法、体积法和半椭圆面积法的基础上建立了相应的疲劳切口系数理论。采用临界距离体积法,以焊趾根部局部半球区域内的第一平均主应力来描述焊接钢结构的疲劳强度,在考虑结构几何形式、焊缝局部的几何形状、荷载形式、应力比、尺寸效应,残余应力等诸多因素的基础上,通过对焊接残余应力场的分析,建立了一种预测焊接钢结构疲劳强度的临界距离理论。通过对几类典型焊接钢结构进行理论预测,计算值与实验结果吻合较好,验证了方法的正确性。本文在对焊接钢结构三维残余应力场分析和焊接钢结构疲劳强度预测的临界距离理论的基础上建立了S-N曲线预测方法模型。通过对几类错位板接头、对接板接头和T型板接头等典型的焊接钢结构的S-N曲线进行了预测,理论预测值与试验结果比较吻合较好,验证了该方法的有效性。本文方法对于焊接钢结构疲劳强度预测的工程应用有实用价值。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 焊接残余应力分析的国内外研究进展
• 1.3 焊接钢结构疲劳强度预测的国内外研究进展
• 1.4 本文研究的主要内容
• 第二章 焊接残余应力有限元分析理论
• 2.1 焊接模拟的有限元分析特点
• 2.2 焊接温度场分析理论
• 2.3 非线性瞬态热传导的有限元分析
• 2.3.1 空间域的离散
• 2.3.2 时间域的离散
• 2.4 焊接残余应力场的分析理论
• 2.4.1 屈服准则
• 2.4.2 流动准则
• 2.4.3 强化准则
• 2.5 焊接数值模拟热源模型
• 2.5.1 Rosenthal 的解析模式
• 2.5.2 高斯热源模型
• 2.5.3 双椭球热源模型
• 2.5.4 内生热率热源模型
• 2.5.5 分段热源模型
• 第三章 焊接钢结构三维残余应力场的计算分析
• 3.1 焊接温度场的计算分析
• 3.1.1 几何模型
• 3.1.2 材料热物理性能与焊接工艺参数
• 3.1.3 单元的选取与网格划分
• 3.1.4 焊接热源载荷的施加
• 3.1.5 生死单元技术
• 3.1.6 焊接温度场计算结果的分析
• 3.2 焊接残余应力场的计算分析
• 3.2.1 单元选取和材料属性
• 3.2.2 边界条件和施加荷载
• 3.2.3 分析选项和求解
• 3.2.4 焊接残余应力场分析结果
• 第四章 焊接钢结构疲劳强度预测理论
• 4.1 焊接钢结构疲劳破坏的特点
• 4.2 影响焊接钢结构疲劳强度的因素
• 4.2.1 应力集中的影响
• 4.2.2 平均应力的影响
• 4.2.3 残余应力的影响
• 4.3 基于临界距离法的疲劳切口系数理论
• 4.3.1 疲劳切口系数及计算公式
• 4.3.2 基于点法的疲劳切口系数理论
• 4.3.3 基于线法的疲劳切口系数理论
• 4.3.4 基于面积法的疲劳切口系数理论
• 4.3.5 基于体积法的疲劳切口系数理论
• 4.3.6 基于半椭圆面积法的疲劳切口系数理论
• 4.4 S-N 曲线
• 第五章 焊接钢结构疲劳强度预测的临界距离理论和 S-N 曲线预测方法
• 5.1 焊接钢结构疲劳强度的临界距离理论
• 5.1.1 非对称循环时的临界距离理论
• 5.1.2 对称循环时的临界距离理论
• 5.2 S-N 曲线预测方法
• 5.2.1 对称循环时的S-N 曲线预测方法
• 5.2.2 非对称循环时的S-N 曲线预测方法
• 5.3 焊接钢结构疲劳强度预测理论的实验验证
• 5.3.1 焊接钢结构疲劳强度预测的临界距离法实验验证
• 5.3.2 S-N 曲线预测方法的实验验证
• 第六章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录 （攻读 硕士期间发表论文和参加的项目工作）