斜拉桥钢桥面板顶板-U肋-横隔板过焊孔细节群数字疲劳试验

为研究多场耦合作用下斜拉桥钢桥面板疲劳裂纹的扩展机理，建立了跨尺度斜拉桥全桥数字疲劳试验模型；通过模拟顶板-U肋-横隔板过焊孔细节群处多道焊缝的焊接全过程，将焊接残余应力引入数字疲劳试验模型中；基于扩展有限元法，在多场耦合作用下对顶板-U肋-横隔板过焊孔细节群处典型疲劳裂纹进行扩展机理的数字断裂参数分析与扩展行为的数字疲劳试验。研究结果表明:在顶板-U肋-横隔板过焊孔细节群处存在较大的残余拉应力，其最大值接近钢材的屈服强度，焊接残余应力对钢桥面板疲劳性能的影响不可忽略；后续焊缝会影响已有焊缝区域的应力场分布，在分析计算多道焊缝影响区域的焊接残余应力场时，需模拟多道焊缝的焊接全过程；在恒载应力场、活载应力场和焊接残余应力场的多场耦合作用下，按复合型裂纹扩展的工程准则，顶板-U肋-横隔板过焊孔细节群处4种典型疲劳裂纹的最大等效应力强度因子幅均大于疲劳裂纹扩展阈值，均将在疲劳循环荷载作用下发生疲劳扩展；在多场耦合作用下，过焊孔上方顶板-U肋连接焊缝的顶板侧焊趾处疲劳裂纹和U肋侧焊趾处疲劳裂纹均为以Ⅰ型裂纹为主导的Ⅰ-Ⅱ-Ⅲ型复合裂纹，Ⅱ型和Ⅲ型裂纹的影响不容忽略；过焊孔上方顶板-U肋连接焊缝的顶板侧焊根处疲劳裂纹和横隔板过焊孔边缘处疲劳裂纹均为Ⅰ型裂纹；建立的多场耦合作用下多尺度数字疲劳试验可为运营阶段大跨度桥梁钢桥面板疲劳裂纹的扩展提供分析与模拟方法。      

钢桥面板顶板-U肋焊缝裂纹萌生特征及扩展规律

【目的】研究轮载作用下钢桥面板顶板-U肋焊缝裂纹的萌生特征及扩展规律。【方法】通过有限元方法建立钢桥面板节段模型,分析了不同轮载位置下构造的变形特征,明确了轮载位置与典型变形特征的对应关系,相应建立了3种局部简化模型。在局部模型的基础上根据应力分布确定了裂纹萌生特征,并基于断裂力学进行裂纹扩展三维数值模拟。【结果】模拟结果表明,在以顶板为主的变形条件下,顶板焊趾和顶板焊根的最大主应力明显大于U肋焊趾处,裂纹产生后Ⅰ型应力强度因子远高于Ⅱ型和Ⅲ型;在以U肋为主的变形条件下,顶板焊根和U肋焊趾处的最大主应力垂直于U肋厚度方向,裂纹产生后Ⅱ型和Ⅲ型应力强度因子占Ⅰ型应力强度因子K的20%～30%。【结论】实桥中轮载偏离焊缝正上方时,疲劳裂纹易从顶板焊根和顶板焊趾处萌生且沿顶板厚度方向扩展,以Ⅰ型裂纹为主;当轮载位于焊缝正上方时,疲劳裂纹易从顶板焊根和U裂焊趾处萌生并大致垂直U肋腹板扩展,属于Ⅰ-Ⅱ-Ⅲ复合型裂纹,且扩展速率较快。     

考虑荷载影响面的钢桥面板顶板-U肋焊缝疲劳损伤分析

为研究荷载影响面对钢桥面板顶板-U肋连接焊缝疲劳损伤的影响,建立了钢桥面板有限元节段模型,通过施加车轮荷载,研究了顶板-U肋连接焊缝疲劳损伤特征;对比分析了在车轮荷载不同横向位置e作用下焊缝的纵向应力分布,研究了顶板-U肋连接焊缝的荷载影响面,分析了过焊孔构造对顶板-U肋连接焊缝的疲劳损伤度D的影响;在考虑轮迹横向分布的基础上,计算了车轮荷载作用下焊缝的疲劳损伤度D,并与规范的计算结果进行了对比。研究表明:顶板-U肋连接焊缝的应力横向影响范围e≈750 mm,纵向影响范围约为2个横隔板之间距离;设置过焊孔可降低焊缝局部应力,但将大幅度增大焊缝处的疲劳损伤度。建议选取荷载横向分布影响范围e=750 mm,由此计算的疲劳损伤度D比按规范计算的结果大10%以上,更全面地考虑了轮迹横向分布对顶板-U肋连接焊缝疲劳损伤的影响。     

钢箱梁桥面板构造对焊缝疲劳热点应力的影响

通过建立钢箱梁桥面板有限元模型,采用子模型计算了模拟焊缝位置,分析了不同构造尺寸下焊缝位置热点应力,研究了顶板厚度、U肋宽度及板厚、横隔板间距及板厚、铺装厚度及刚度等对焊趾和焊根处疲劳应力的影响。研究结果表明:随着顶板厚度和铺装层厚度及刚度的增加,焊缝位置热点应力减小;随着U肋板厚和上缘宽度的增加,焊缝处热点应力增加;随着U肋高度和横隔板间距及厚度的增加,热点应力变化不明显。顶板的厚度增加时,焊趾与焊根应力之比减小,可导致焊趾-顶板裂纹的概率增加。     

高强钢对接接头焊趾应力集中系数有限元分析

基于热弹-塑性理论,建立了RQT701高强钢对接接头焊接残余应力有限元分析模型,在此基础上计算了其焊接残余应力,并与实测值进行了比较。同时讨论了焊缝几何参数对对接接头焊趾处应力集中系数(SCF)的影响。研究结果表明:RQT701高强钢对接接头中残余应力对应力集中系数的影响较大,尤其是在低应力情况下受应力水平变动影响较大;减小焊趾倾角,增大过渡圆弧半径,可以减缓焊趾处截面形状的变化,显著改善接头焊趾处的应力集中;随着板厚的增加应力集中系数随之增大。     

钢桥面板U肋-盖板焊缝疲劳裂纹萌生仿真

为建立适用于钢桥面板U肋-盖板焊缝疲劳裂纹萌生分析方法,以Roe-Siegmund循环内聚力模型为基础,考虑混合加载模式下的内聚力参数转换,对ABAQUS进行二次开发,形成反映疲劳累计损伤的VUMAT子程序;通过试验数据获得了Q345钢材对应的焊接区域材料内聚力参数,基于Voronoi图法、焊接区域晶粒微观形态与力学特性建立了U肋-盖板焊缝焊趾处微观晶粒组织,并与宏观二维平面应变模型合并,模拟了多尺度疲劳裂纹萌生;结合等效结构应力法和线弹性断裂力学裂纹扩展理论,考虑初始缺陷形态和疲劳断裂临界标准反推了不同应力水平下的累积内聚力长度,进而得到疲劳裂纹萌生寿命的计算方法。分析结果表明：采用提出的方法模拟U肋-盖板焊缝焊趾裂纹萌生行为时,裂纹在焊趾处萌生并垂直于顶板表面进行扩展,形成了穿晶断裂模式,微观晶粒组织应力分布随裂纹萌生及短裂纹扩展而不断变化,且随着微观晶粒组织分布和力学特性的随机性变化,仿真结果中的短裂纹扩展路径细节与临界循环次数均不相同;反推得到的累积内聚力长度随初始缺陷形状比、长裂纹扩展临界深度、微观晶粒组织分布及其力学特性以及所处应力幅值的不同产生变化,考虑上述因素获取的累积...     

钢构件对接焊焊缝横向残余应力分布研究

采用ANSYS通用有限元分析软件对钢板对接焊进行模拟分析,通过对不同厚度钢板的对接焊缝横向残余应力分布的研究,得出了横向焊接残余应力分布与板厚关系的一些简便的数学公式,以便设计人员在进行焊缝设计时进行残余应力的估算.     

观音岩大桥锚拉板区域焊接应力试验

针对钢结构斜拉桥索梁锚固区域焊接应力较为集中的特点,以重庆江津观音岩大桥索梁锚固区域为研究对象,制作了三个足尺比例的试件,对锚拉板区域相关焊缝的残余应力进行试验研究。结果表明,锚拉板区域各条主要焊缝都不同程度地存在着焊接残余应力,局部地方接近屈服强度。研究分析了锚拉板区域各类焊缝的残余应力特征、分布规律、产生原因及影响因素,并提出相关的意见和建议,为同类桥梁索梁锚固区域的设计和制作提供科学的依据。     

矩形管接头疲劳失效位置预测及应力因子分析

为解决复杂焊接接头的抗疲劳设计,依据BS7608标准中的名义应力法和ASME标准中的结构应力法及BS EN15085-3标准中的焊接结构疲劳设计要求,研究矩形管接头的疲劳问题.首先,研究标准中的疲劳寿命预测方法以及涉及的名义应力与结构应力的区别与联系;接着,利用某矩形管接头的有限元分析模型,研究沿接头焊缝应力的分布规律及影响因素,结果表明:与最大主应力和Von. Mises应力分布规律不同,矩形管接头沿焊缝结构应力最大值发生在焊缝拐角焊趾处,与其疲劳试验中接头失效位置一致;位于焊趾表面的、具有高应力梯度变化的区域内名义应力对单元尺寸表现出强的敏感性,而在能够表示焊缝轮廓的模型中描述整个断裂截面的结构应力则对单元尺寸变化不敏感.最后,基于名义应力法和结构应力法对矩形管接头焊缝进行应力因子分析,结果表明:管接头失效位置的应力因子最大值大于0.90,应力等级为高.     

钢构件对接焊焊缝横向残余应力分布研究

采用ANSYS通用有限元分析软件对俐板对接焊进行模拟分析，通过对不同厚度钢板的对接焊缝横向残余应力分布的研究，得出了横向焊接残余应力分布与板厚关系的一些简便的数学公式，以便设计人员在进行焊缝设计时进行残余应力的估算。     

基于下压位移模型的搅拌摩擦焊残余状态仿真

基于ABAQUS软件建立AL6061-T6铝合金搅拌摩擦焊接过程的顺序热力耦合模型,发展了一个下压位移模型以实现搅拌头的下压量控制方式,对焊后构件的残余应力和残余变形进行了仿真分析.结果显示:所发展模型能够合理地反映焊缝区焊后形貌,再现残余应力及变形分布的基本规律;随着下压量的增加,残余应力增大而残余变形减小.     

焊缝疲劳寿命预测新方法及其在焊接构架上的应用

铁路客车209T型转向架焊接构架横梁腹板与侧梁下盖板的焊缝出现的疲劳裂纹直接影响行车安全.采用美国ASME标准中的<网格不敏感的结构应力法及主S-N曲线法>,对该处焊缝进行了有限元分析,分析计算了该处焊缝焊趾与焊根上的应力集中,也计算了该处焊缝焊趾与焊根上的疲劳寿命与损伤.疲劳损伤计算结果与实际开裂情况相当吻合.基于这一方法,对改进设计的疲劳寿命及损伤再次进行了计算,结果表明:改进方案显著地提高了该处的抗疲劳破坏能力.上述研究与验证表明:<网格不敏感的结构应力法及主S-N曲线法>突破了传统名义应力法的局限性,在机车车辆焊接结构抗疲劳设计过程中,具有重要工程推广价值.     

焊缝疲劳寿命预测新方法及其在焊接构架上的应用

铁路客车209T型转向架焊接构架横梁腹板与侧梁下盖板的焊缝出现的疲劳裂纹直接影响行车安全.采用美国ASME标准中的《网格不敏感的结构应力法及主S-N曲线法》,对该处焊缝进行了有限元分析,分析计算了该处焊缝焊趾与焊根上的应力集中,也计算了该处焊缝焊趾与焊根上的疲劳寿命与损伤.疲劳损伤计算结果与实际开裂情况相当吻合.基于这一方法,对改进设计的疲劳寿命及损伤再次进行了计算,结果表明：改进方案显著地提高了该处的抗疲劳破坏能力.上述研究与验证表明：《网格不敏感的结构应力法及主S-N曲线法》突破了传统名义应力法的局限性,在机车车辆焊接结构抗疲劳设计过程中,具有重要工程推广价值.     

焊接热输入对残余应力影响的盲孔法测试与数值分析

为了分析T型构件多道焊焊接残余应力与焊接热输入间的关系,运用有限元分析软件ANSYS对该焊接工艺进行数值模拟;运用盲孔法检测焊接残余应力,并与数值模拟结果进行对比;基于原有的焊接工艺,对3组焊接热输入值下T型构件多道焊进行数值模拟,分析了焊接热输入值对焊接残余应力的影响规律。研究结果表明:数值模拟结果与实测结果相近;焊接热输入增大,纵向焊接残余应力会增大,横向残余应力会减小。     

钢箱梁面板与U肋焊接残余应力的分布特性

为研究残余应力场对钢箱梁疲劳性能影响效应,以港珠澳大桥正交异性钢桥面板为例,采用数值模拟的方法,研究了正交异性钢桥面板焊接全过程及残余应力分布特性,分析了板件参数对残余应力的影响效应,得到钢箱梁确定正交异性钢桥面板焊接残余应力分布的经验公式.研究结果表明:采用ANSYS热-结构弱耦合数值模拟方法可反映实际焊接过程中残余应力场的分布;焊缝区域残余应力峰值受板件参数影响较小,横向最大残余应力约为300 MPa;沿板厚方向焊接残余应力符合正弦分布,表明采用正弦函数作为其经验分布模型是可行的.      

不锈钢激光-MAG复合焊接头成型规律及性能

为了给新一代城轨列车的焊接制造提供技术支持,以列车用6 mm SUS301L-MT奥氏体不锈钢为研究对象,采用焊缝截面分析、金相观察、X射线衍射法、残余应力测试等手段,研究了激光-MAG(metal active gas welding)复合焊接头的成型规律及接头性能.结果表明:激光功率、离焦量增大能增加焊缝上表面熔宽;焊接速度增加后,焊缝中部熔宽和下表面熔宽明显减小;焊缝宽度比随离焦量的增大显著增加;焊缝组织为奥氏体+δ铁素体;接头纵向残余应力在接头中心位置存在极大值,约为330 MPa.     

在役钢桥面板纵肋与顶板焊根疲劳裂纹内焊加固方法

为实现纵肋与顶板焊根疲劳裂纹的有效加固,提出了能够满足在役钢桥面板加固需求的内焊加固方法,研发了自动化焊接机器人和相关关键装备;设计了4个试验模型对方法和装备的有效性和适用性进行研究,验证了纵肋与顶板焊根产生疲劳裂纹的开裂模式;使用所研发的专用焊接设备在纵肋内部进行焊接加固,进行了加固结构的疲劳破坏试验;对比了试验结果与有限元模拟结果,分析了加固后结构的疲劳性能,验证了内焊加固方法的有效性。研究结果表明：内焊加固方法能够将既有的焊根裂纹转化为内部缺陷,研发的装备能够实现原位加固,有效抑制疲劳裂纹的扩展,使已开裂焊接细节的疲劳寿命提高了66%～157%;由于各开裂模式具有不同程度疲劳损伤累积,加固后焊接细节会发生主导开裂模式迁移;对于包含多开裂模式的焊接细节,加固后的剩余疲劳寿命与各开裂模式的实际疲劳损伤累积程度以及加固方法对各开裂模式受力特性的扰动程度两方面的因素密切相关。     

厚钢板对接焊缝残余应力的数值模拟

基于ABAQUS及其子程序DFLUX,采用热力间接耦合法,对不同厚度尺寸的Q345B厚钢板的对接焊缝进行了三维模拟分析,得到了焊接的温度场分布和最终焊接残余应力分布.结果表明：构件表面焊接残余应力大于中间面;表面纵向和横向残余应力都有一定的规律;对接焊缝沿纵向焊接残余应力随着板厚度的增加而增加,这种增加的趋势对厚度小于70 mm的钢板很明显,对70～80 mm的钢板不明显;而横向残余应力随钢板厚度的增加变化不显著.     

U肋焊接残余应力数值分析

由于钢桥面板与U肋对接处经常发生疲劳破坏,对该结构进行数值分析研究。通过数值模拟对焊接结构的残余应力进行估算与分析,建立ANSYS有限元模型,采用生死单元技术及APDL循环模拟热源的输入。通过计算分析,得到结构温度场及应力场的变化过程与残余应力的分布情况。分析结果显示:钢桥面板与U肋间的焊缝区残余拉应力达到材料的抗拉强度屈服值,而焊接残余压应力相对较小。     

厚边U肋正交异性钢桥面的疲劳性能

新型厚边U肋正交异性钢桥面的应用有望提高顶板与U肋连接焊缝的抗疲劳寿命. 为研究其实际疲劳性能和具体提升机理,对该类钢桥面中顶板与U肋连接焊缝开展了疲劳试验和数值分析. 通过足尺模型疲劳试验,采用名义应力法和热点应力法对常规等厚U肋钢桥面和新型厚边U肋钢桥面进行了对比;在疲劳试验的基础上,建立了精细化有限元模型并通过试验数据验证了其有效性;通过该模型对厚边U肋钢桥面顶板与U肋焊缝的疲劳性能提升机理进行了分析. 结果表明:厚边U肋的使用有效地提高了顶板与U肋连接焊缝的疲劳强度;在焊接负公差存在的情况下,厚边U肋试件对未熔透厚度的变化相对不敏感,从而保障了顶板与U肋连接焊缝疲劳性能的稳定性. 厚边U肋正交异性钢桥面在北京三元桥新桥和成都凤凰山高架桥等工程项目中的应用验证了其抗疲劳的有效性.