人工蚀坑对复杂应力场下钢桥焊接接头疲劳寿命的影响

为研究人工蚀坑对复杂应力场下钢桥焊接接头疲劳寿命的影响规律,以45°倾角全熔透承载角焊缝十字形焊接接头为研究对象,构造两种不同深度的人工半球形蚀坑模拟实际腐蚀情况;对不同蚀坑深度下的焊接接头进行轴向拉伸疲劳试验,建立疲劳缺口系数与蚀坑深度的关系;提出一种考虑蚀坑深度和应力幅的腐蚀疲劳寿命影响系数定义方式。结果表明:在相同蚀坑半径下,随着蚀坑深度的增加,疲劳缺口系数及其变化率均增大,疲劳缺口敏感系数为0.389;不同蚀坑深度和应力幅下焊接接头的疲劳寿命不同,蚀坑深度对疲劳寿命的影响更灵敏;基于腐蚀疲劳寿命影响系数得到的疲劳寿命预测值与试验值最大相对误差为-21.5%,表明两者吻合较好,因此环境腐蚀下应综合考虑蚀坑深度和应力幅对焊接接头疲劳寿命降低程度的影响。     

腐蚀介质对7N01铝合金焊接接头腐蚀疲劳性能的影响

通过成组法和升降法对A7N01S-T5铝合金焊接接头在NaCl溶液中的腐蚀疲劳性能进行研究,主要考察介质浓度和pH值对条件腐蚀疲劳极限的影响。结果表明,介质浓度的增加和pH值的降低会导致焊接接头腐蚀疲劳极限的降低。焊接接头的腐蚀疲劳断口呈现疲劳条带和解理共存的形貌,微观形貌观察表明,腐蚀疲劳裂纹萌生于表面腐蚀坑,在交变载荷作用下,蚀坑深度和表面积迅速增加,当蚀坑增大到临界尺寸时,由于蚀坑应力集中,在交变应力持续作用下,短裂纹作为相邻点蚀坑间的"桥梁",最终导致腐蚀疲劳裂纹形成、扩展,直至断裂。     

钢结构焊缝疲劳强度分析技术的最新进展

在平板焊接钢结构焊缝疲劳强度分析中,近年来国外主要发展起了等效结构应力法和表面外推热点应力法2种新方法.等效结构应力法考虑焊趾部位的结构应力集中效应,应用改进线性化法或节点力法分析结构应力,确保计算结果对有限单元类型、网格形状及尺寸的不敏感,从而有效区分不同焊接接头类型的焊趾结构应力集中情形;以结构应力为控制参数计算应力强度因子,在主要考虑焊趾缺口、结构板厚、载荷模式等因素影响基础上,基于断裂力学分析确定与焊缝疲劳寿命直接相关的应力参数,导出等效结构应力转化方程;基于上述应力计算和转化方法对焊缝疲劳试验结果数据进行处理,建立焊缝疲劳强度设计单一主S-N曲线,实现对钢结构焊缝的疲劳强度评定和寿命预测.通过比较分析可知,表面外推热点应力法适用于钢结构焊缝设计阶段的方案比较及方案优化;等效结构应力法较适合对钢结构焊缝最终设计方案进行更为精确的焊缝疲劳强度评定和寿命预测以及不能用表面外推热点应力法进行钢结构焊缝疲劳强度分析时.     

基于热点应力法的转向架构架疲劳寿命工程评定方法

建立某机车转向架构架有限元计算模型，应用热点应力法分析焊接结构的疲劳强度，采用最为可能发生疲劳破坏部位处的应力幅值作为疲劳评定依据。用热点应力分析方法评定焊接构架疲劳强度，不必考虑实际焊缝形状，裂纹及缺口等焊接引起的应力集中现象，弥补了有限元建模焊缝的简化处理对焊缝疲劳强度评定精度的影响。     

钢管混凝土桁架拱桥板—管焊接节点热点应力集中系数研究

钢管混凝土桁架拱桥板—管焊接节点应力集中程度高,疲劳问题突出,是影响桥梁寿命的关键因素。基于国际焊接协会提出的热点应力计算方法,利用ANSYS软件建立精细有限元模型,研究各种典型荷载作用下板—管焊接节点焊趾处的热点正应力、热点剪应力集中系数。结果表明:热点正应力集中系数在约1/4焊缝长度处最大,外焊缝大于内焊缝,节点板焊趾大于钢管焊趾,内焊缝钢管焊趾处均为压应力;剪应力集中系数在焊缝两端最大,中间最小,内焊缝钢管焊趾剪应力流方向与外焊缝相反;节点板两端直角构造改为圆弧构造,能显著降低端焊缝热点正应力集中程度;板—管焊接节点处于拉—剪联合作用复杂应力场,应综合考虑正应力、剪应力集中,焊缝端点和约1/4焊缝长度处应力集中程度最高,建议作为疲劳设计的"热点"。     

热点应力法进行钢桥疲劳检算

研究目的:随着钢桥的重载化和整体化,桥梁钢结构中出现了较多无法明确其名义应力、现行规范也无对应细节的复杂构造。在实践中,对于该类细节多采用原形疲劳试验的方法进行验证。但疲劳试验的长周期和高费用,制约了该类细节的快速应用和推广。本文旨在用热点应力进行钢桥疲劳检算,实现在设计阶段尽可能准确地评估复杂细节的疲劳性能的目的。研究结论:本文分析计算了多种接头的热点应力集中系数,采用热点应力集中系数法推导了钢桥疲劳检算的热点应力Shot～N曲线。BS5400规范多种构造细节的名义应力疲劳强度与导出的热点应力疲劳强度的对比表明,热点应力疲劳强度明显比名义应力法的离散性小,热点应力法适合桥梁工程应用。     

焊缝余高对A7N01P—T4铝合金焊接接头疲劳性能的影响

分别对4mm厚A7N01P—T4铝合金板材平滑对接焊缝试件和带余高对接焊缝试件进行了疲劳试验和分析。结果表明在10^7循环次数下。平滑对接焊缝的疲劳强度为120MPa,带余高对接焊缝的疲劳强度为90MPa。由焊缝余高造成的截面突变会引起应力集中,会削弱焊缝的疲劳强度。     

表面处理对动车组用铝合金焊接接头超高周疲劳性能的影响

采用超声冲击和磨平焊缝余高2种表面处理方法对高速列车用A7N01P高强铝合金焊接接头焊趾及焊缝处进行处理,利用超声疲劳试验机,研究母材与未处理和处理后焊接接头的超高周疲劳性能;借助扫描电镜(SEM)观察疲劳断口形貌,并借助显微硬度计和透射电镜(TEM)研究冲击后铝合金焊接接头冲击层的显微硬度变化和晶粒细化现象;探讨超声冲击对高强度铝合金焊接接头疲劳寿命的影响机理。研究表明:超声冲击后焊趾表层组织发生严重的塑性变形,形成较为明显的塑变硬化层,当冲击电流为1.5 A,冲击时间为5 min时,冲击层最外层硬度可达到150.51 HV,相比较未冲击处理提高了27.6%;试样冲击后超高周疲劳寿命较处理前有显著提高,当循环次数为107和109时,超声冲击试样的疲劳强度比未进行表面处理试样分别提高了41.5%和48.6%,磨平焊缝试样的疲劳强度比未进行表面处理试样分别提高了52.5%和59.9%;2种焊缝处理方法对试样的疲劳性能改善效果相差不大,考虑到超声冲击处理在经济性和可加工性上更具优势,推荐工程上采用超声冲击方法来改善和提高焊接接头的疲劳性能。     

超声冲击对转向架用16MnR钢焊接接头疲劳性能的影响

采用HJ2-Ⅱ型超声冲击枪,对转向架用16MnR钢的焊接接头表面进行超声冲击处理.利用EHF-EM200K2-070-1A疲劳试验机,采用较低载荷频率(低于10 Hz)对16MnR钢焊接接头超声冲击前后的疲劳性能进行对比试验.试验结果表明:在疲劳寿命为2×106时,焊接接头试样在超声冲击处理前后的疲劳强度分别为265和325 MPa,提高了22.6％;超声冲击处理后焊接接头的疲劳寿命是处理前的51～59倍.经过超声冲击处理后,焊接接头焊趾处的应力集中程度和焊接残余应力降低,表明超声冲击处理对提高16MnR钢焊接接头疲劳性能具有显著的效果.     

不同错边量对6005-T6铝合金双轴肩搅拌摩擦焊接头疲劳性能的影响

控制6种不同装配错边量参数,对采用双轴肩搅拌摩擦焊的高速列车用6005-T6铝合金型材接头进行脉动拉伸疲劳试验,同时对疲劳断口进行了SEM分析。结果表明:随错边量的增加,接头指定1×10~7循环次数疲劳强度明显降低;当错边量控制在0.5 mm以内时,焊接接头的疲劳极限强度较高;装配错边量超过0.7 mm时,疲劳强度迅速下降;疲劳试件断裂位置主要位于焊核边缘。扫描结果显示:启裂区疲劳源清晰;扩展区疲劳纹与裂纹延伸方向垂直;终断区可观察到典型的深韧窝状韧型断口。     

货车三轴转向架焊接构架抗疲劳设计

对比分析了国内外焊接构架设计标准,指出ASME标准中的主S-N曲线法是复杂焊接结构焊接接头应力集中分析与疲劳寿命预测的科学方法。采用该方法和TSI中的疲劳载荷对某货车三轴转向架焊接构架焊接接头应力集中进行了分析,结果表明,构架侧梁、心盘梁和横梁内的加强筋板与焊缝的相交处是焊接接头应力集中的主要发生部位。以降低焊缝应力集中为结构设计改进思路,对构架重新进行了设计,改进方案构架焊缝的应力集中得到相当大的缓解,应力幅值最大降低了75MPa,疲劳加载3个阶段焊缝的累积损伤均小于0.25。     

基于缺口应力法的转向架焊接接头疲劳性能分析

缺口应力法作为焊接结构疲劳设计的新方法以其较高的准确性而得到越来越广泛的应用。鉴于铁道车辆焊接结构尚未建立可靠的缺口疲劳寿命曲线,根据当前转向架焊接接头疲劳试验所提供的数据进行了缺口疲劳分析。疲劳试验名义应力数据源自构架常用材料S355J2所生产的2种焊接接头试样,包括低缺口效应的对接接头和高缺口效应的十字角接头。采用经验公式法和有限元方法对焊接接头的焊趾焊根缺口应力集中系数进行了分析,联合疲劳试验下的名义应力数据建立了转向架焊接接头的缺口疲劳寿命曲线。通过与IIW标准推荐的缺口疲劳曲线FAT225相比较,该曲线具有相当的疲劳等级和更小的曲线斜度;同时从差异系数的角度证明了缺口应力法比名义应力法具有更小的分散性。     

钢-UHPC组合桥面闭口纵肋-横隔板接头疲劳性能

为研究新型钢-UHPC组合正交异性桥面纵肋-横隔板接头疲劳性能,基于一座现场桥梁,建立精细化双尺度有限元模型,获得构造细节在轮载下的应力响应.分析其力学特性,并采用热点应力法评估其疲劳性能.研究结果表明:纵肋-横隔板接头应力状态复杂,构造细节处存在显著应力集中,为疲劳易损细节.焊缝末端细节以面外弯曲应力为主,包括扭转效应与泊松效应;横隔板侧细节由面内应力和面外应力组成.为进一步改善纵肋-横隔板接头疲劳性能,分析了UHPC刚度效应,并探讨切口尺寸的影响.通过将50 mm厚UHPC层与40 mm切口间隙相结合,使纵肋-横隔板接头实现了无限疲劳寿命,能应用于交通量大的桥梁工程.     

钢管混凝土桁架Y型管节点热点应力研究

为研究主管支撑条件及支管与主管夹角对钢管混凝土桁架(CFST)Y型管节点热点应力分布的影响,利用ANSYS采用20节点实体单元,考虑相贯线焊缝建立Y型管节点空间有限元模型,计算分析在一端固定,一端铰接、两端固定、两端铰接3种边界条件下,支管不同角度变化时(20°, 40°, 60°, 80°, 90°),支管轴压作用下主管和支管焊趾处,热点应力集中系数沿相贯线焊缝分布情况。有限元分析结果与已有试验结果进行对比,验证模型的可靠性。研究结果表明:相同约束条件下,随支管角度增大,主管和支管沿焊缝的热点应力集中系数表现为增大,主管热点应力集中系数最大值始终发生在冠点,支管热点应力集中系数最大值由冠点向鞍点移动;同一角度时,随着主管两端约束的加强,主,支管热点应力集中系数分布有所减小,主管鞍点附近受约束条件影响很小。由于局部和整体的刚度同时影响SCF,可以考虑改变节点形式或者减少计算长度、加强固端约束达到降低SCF的目的。     

转向架用SMA490BW钢焊接接头超高周疲劳性能的影响因素

对转向架用SMA490BW钢焊接试样,采用冲击电流为1.5A、冲击时间分别为5,10,15或20min的超声冲击、低温热处理、机械打磨(磨平焊缝余高、打磨焊趾)的处理方法,通过残余应力测试和超声疲劳试验,对比分析应力集中、晶粒细化、残余应力等因素单独作用时对焊接接头超高周疲劳性能的影响程度,并借助扫描电镜观察疲劳断口,分析焊接接头超声冲击前后的裂纹萌生位置变化及失效模式。结果表明:经超声冲击或机械打磨后,焊接试样的疲劳寿命均得到不同程度的提高;磨平焊缝余高对提高焊接接头疲劳寿命最为显著,较原始焊接试样其疲劳寿命可提高约86.4倍;改善应力集中、细化表层晶粒、引入残余压应力对延长焊接接头寿命的贡献比分别约为59%,28%和13%;焊态及冲击态试样的疲劳裂纹大多萌生于焊趾表面,部分冲击态试样的裂纹转而从表面的机械加工的缺陷处萌生,少数从材料内部缺陷处萌生并扩展至断裂失效。     

加载波形对钢桥典型构造细节疲劳性能的影响

对既有铁路钢桥构造细节进行梳理分析,选择十字形焊接接头、盖板端焊缝、U肋纵向角焊缝等典型的构造细节,研究其在不同加载波形条件下的疲劳性能。首先,根据三种典型构造细节在实桥中的受力特征和实验室加载条件,设计能够反映实桥受力特征的试件,建立有限元模型,验证试件设计的合理性,掌握试件的应力分布状态和应力集中程度。然后,开展矩形波和正弦波加载条件下三种典型构造细节的疲劳试验。最后,对三种典型构造细节的疲劳试验结果进行分析,掌握了加载波形对于构造细节疲劳性能的影响程度,可为我国铁路钢桥的设计和评估提供依据。     

基于主S-N曲线方法的冷却单元支架随机振动疲劳分析

IEC 61373标准规定轨道车辆安装设备应当进行模拟长寿命随机振动条件的疲劳评估。为了克服名义应力方法在确定接头疲劳等级时具有较强的人为随意性的缺点，文章首次将主S-N曲线与Steinberg三区间法相结合，对时速350 km标准动车组牵引变流器冷却单元支架结构的关键焊接接头进行了随机振动疲劳数值分析。计算结果表明，冷却单元支架的最大疲劳损伤为0.863,位于立柱与小横梁之间的焊接接头，疲劳强度满足要求。通过分析多条典型焊缝发现，焊缝疲劳损伤主要由单一方向的振动工况主导，并且低频模态的贡献较大。文章提出的评估流程充分利用了上述2种方法的优点，可以对焊接接头进行可靠的疲劳评估，可为结构设计方案的确认提供理论依据。     

A6N01S-T5铝合金激光-MIG复合焊接头的性能及疲劳寿命分析

采用激光-MIG(Metal-Inert Gas)复合焊对12 mm厚的A6N01S-T5铝合金进行焊接试验,并对焊接接头进行性能测试,结果表明:焊接接头成型良好,无明显气孔及未熔合等缺陷;焊缝组织为典型的树枝状晶的铸态组织,打底层焊缝宽度约2mm,热影响区宽度约9 mm,均明显比盖面层焊缝(约3 mm)和热影响区的宽度(约12 mm)窄,且接头有明显的软化现象;在等幅、等频率交变应力作用下,载荷应力比越大,焊接接头疲劳寿命也就越短。     

超声波锤击对钢桥构造细节疲劳性能的影响

针对我国客运专线铁路大跨度斜拉桥设计中出现的2种新型构造细节——十字形熔透焊接构造(传力型)和焊接盖板构造开展疲劳试验,制定了其疲劳S-N曲线和疲劳抗力设计指标。在此基础上,进行了2种试件在超声波锤击后不同应力幅下的疲劳试验,掌握了超声波锤击对不同构造细节疲劳强度的影响,以及对同一构造细节不同应力幅下疲劳性能的影响。试验结果表明:超声波锤击后试件的200万次疲劳强度有明显提高,为原状试件的2倍以上;但超声波锤击后试件的疲劳S-N曲线斜率明显减小,即随着应力幅的增加,超声波锤击对其疲劳性能的改善程度越来越小;当应力幅大到一定程度时,超声波锤击不会改善其疲劳性能。     

用于铝合金车体外壳焊缝的疲劳设计图

为了开发疲劳强度设计图,作者对铝合金车体外壳焊缝进行疲劳试验。选用组成双层外壳的中空挤压型材焊缝和2种单层外壳补强焊缝作为车体外壳焊缝,通过对小尺寸和全尺寸试样的疲劳试验获得S-N曲线,采用统计处理方式,得出用于中空挤压型材焊缝的疲劳设计图。同样,用全尺寸试样开发了2种单层外壳补强焊缝通用的疲劳设计图。该图适用于评估焊缝附近材料应力范围内的疲劳强度。