焊接接头疲劳寿命评估中板厚参数的影响分析

针对焊接接头板厚参数对其疲劳寿命的影响问题,分别采用IIW2008、BS7608等疲劳评估标准以及ASME标准进行对比性计算与分析.选用焊接部件中典型的十字型接头,材料分别选用铝材和钢材两种主流的金属材料,并采用名义应力法及结构应力法等方法计算不同厚度下的铝材及钢材焊接接头的疲劳损伤.计算结果表明:当焊接结构的载荷方向明确且厚度在20~30 mm之间的情况下,使用IIW 2008标准评估疲劳更为合理;当焊接结构复杂或是焊接板很厚或很薄的情况下,建议使用Verity方法评估疲劳寿命.     

惯性载荷作用下结构应力法焊接结构抗疲劳性能研究

基于结构应力法计算了焊缝的等效结构应力和累积损伤比,对这两种焊接形式在惯性载荷作用下的疲劳特性进行了分析.分析了采用名义应力法和等效结构应力法对有限元网格尺寸的敏感性,验证了采用等效结构应力法对网格尺寸不敏感;分析了焊缝类型、承载方向及焊接板厚度对结构疲劳寿命的影响.结果表明,当载荷方向垂直于焊线且垂直板所在平面时,焊缝的寿命最低,且对接焊缝比角焊缝更易发生破坏;在三个方向惯性载荷共同作用下,角焊缝的疲劳寿命要比对接焊缝疲劳寿命长;在保证焊趾两侧刚度协调的前提下,同时增加两个焊接板件厚度可以提高焊缝的疲劳寿命,只增加或者减少一个板件厚度,都会导致焊缝疲劳寿命降低,尤其是角焊缝.     

基于等效结构应力的不锈钢车体点焊接头疲劳寿命预测

采用等效结构应力法研究不锈钢车体点焊接头疲劳寿命.首先,在研究点焊接头的失效模式、结构应力计算方法的基础上,归纳总结了基于等效结构应力法进行点焊接头疲劳寿命预测的技术路线;其次,建立某不锈钢车体包括点焊接头在内的有限元模型,依据EN12663-1∶2010标准中提供的车体疲劳载荷谱,分析了主横梁与底架边梁区域的点焊接头结构应力分布规律,并对这些焊点进行了寿命预测;最后,采用改变焊点数量和布置及增加板厚的方式,使点焊接头疲劳寿命提高了3.87E+06.     

基于断裂力学的钢桥面肋-板接头疲劳寿命预测

为研究反复荷载作用下正交异性钢桥面中U型肋与桥面板焊接接头的疲劳性能,基于断裂力学基本理论,利用有限元方法,进行了肋-板接头的疲劳寿命评估.根据正交异性钢桥面与U型肋连接构造基本形式,利用有限元软件ANSYS建立了包含3个U型肋的正交异性钢桥面平面有限元模型;考虑肋-板连接位置处焊接细节的4种典型裂纹,计算了2个加载工况下各裂纹处等效应力强度因子,并分析了初始裂纹长度、桥面板厚度、U型肋高度和U型肋厚度对等效应力强度因子的影响规律;依据Eurocode 3规范中正交异性钢桥面肋-板接头加载模式,采用桥面板与U型肋连接构造二维有限元模型,计算得到典型裂纹的等效应力强度因子,建立了基于断裂力学疲劳扩展模型为基础的正交异性钢桥面肋-板接头的疲劳寿命预测方法.研究结果表明:基于线弹性断裂力学原理计算得到的疲劳寿命均大于Eurocode 3规范计算值,桥面板厚度选用16~18 mm及将初始裂纹长度控制在0.1 mm以下可有效地提高板-肋接头疲劳寿命.     

预应力CFRP板加固钢板受拉疲劳性能试验研究

为较好地预测预应力碳纤维材料(CFRP)板加固钢结构的疲劳性能,采用考虑有效应力强度因子幅的Pairs公式,分析了粘贴预应力CFRP板加固钢板的疲劳裂纹扩展行为.通过粘贴CFRP板的含中心孔的预制裂纹钢板的疲劳试验,分析了应力比、CFRP板刚度、预应力及粘结胶性能等因素对疲劳裂纹扩展的影响.试验结果表明:加固后结构的疲劳寿命提高16倍以上,疲劳寿命的理论分析结果偏于保守;预应力是疲劳寿命的主要影响因素,而CFRP板和粘结胶性能的影响有限;应力比埘疲劳寿命的影响很大,因此,对交通荷载的正确预估是加固能否取得成功的基础.     

考虑残余应力释放的疲劳寿命预测方法研究

基于断裂力学理论,考虑残余应力及加载过程中的应力释放对接头疲劳性能的影响,探索不等厚对接接头疲劳寿命的预测方法.采用三维有限元理论研究不等厚板接头的残余应力分布规律,并通过残余应力释放模型和Forman公式计算加载过程各瞬态的有效应力强度因子和有效应力强度因子比,得到不等厚对接接头的疲劳寿命,将预测值与疲劳试验结果进行对比.结果 表明:不等厚对接接头疲劳寿命的预测与试验结果是一致的,该模型可用于不等厚对接接头疲劳寿命的预测.     

激光参数对高强度不锈钢搭接焊接结构和断裂行为的影响

通过焊接和拉伸试验及微观组织分析,研究了焊接参数对高强度301L-HT板搭接非熔透激光焊接接头结构、断裂行为和力学性能的影响.结果表明：激光焊缝的硬度为HV215,δ铁素体比电阻点焊少,热影响区硬度更接近于母材;焊缝几何结构对激光参数敏感,熔深变化的规律性更明显,特定部位的熔宽与焊接参数耦合有关;板材厚度相同的焊接接头变形刚度接近,焊缝的几何结构决定最后的变形和断裂行为,焊接内板的弯曲变形角度比外板大,两板的弯曲角度差随熔深增加而减小;焊接板弯曲角度和焊接强度随焊缝尺寸同步升高;焊缝硬度低于母材和热影响区导致拉伸变形集中在很窄的区域,焊接接头的断裂位移都小于2mm.     

两种焊接工艺下过共析钢轨接头的冲击磨损性能

为研究闪光焊、铝热焊两种焊接工艺下过共析钢轨焊接接头的冲击损伤演变行为以及性能差异,在自制的冲击磨损试验机上对过共析钢轨焊缝、热影响区软化部位及母材进行了不同冲击次数下的模拟实验. 研究结果表明:随着冲击次数的增加,钢轨焊接接头的冲击磨损均经历着塑性变形、点蚀破坏和疲劳剥落的过程,冲击损伤是疲劳磨损和氧化磨损共同作用的结果;由于焊接工艺导致的接头组织结构和力学性能的差异,热影响区软化部位冲击时塑性变形最严重,磨损体积和磨损率最大,抗冲击性能最差;由于对闪光焊焊接接头进行了焊后正火热处理,其组织结构及抗冲击性能明显优于铝热焊;硬度对焊接接头的抗冲击性能有显著影响,硬度越高,抗冲击性能越好,疲劳剥落出现的时间越晚.      

开口肋正交异性钢桥面疲劳设计参数研究

为评估重庆两江大桥单索面斜拉桥正交异性钢桥面板疲劳设计参数的合理性,对由盖板、板肋和横隔板组成的箱形正交异性钢桥面板模型进行了疲劳试验和有限元分析.基于应力等效方法,对桥面板、横隔板与纵肋三向交叉部位,进行了竖向和横向双向加载试验、等效实桥疲劳应力幅值2 000万次作用疲劳试验,在此基础上,分析了3种开孔方式、构造细节、横隔板厚度及铺装层厚度等因素对疲劳性能的影响.研究结果表明:横隔板厚度和铺装层厚度对疲劳性能的影响很大;与钥匙形和圆形相比,苹果形开孔结构的主拉应力最小,为13.7 MPa,疲劳性能最优.建议开口肋正交异性板构造横隔板厚度大于16 mm,并采用苹果形开孔方式.     

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.      

焊接残余应力对动车组铝合金车体疲劳强度的影响

采用热-弹塑性法和固有应变法计算了动车组铝合金车体对接接头的残余应力, 并进行了对比, 以验证采用固有应变法计算残余应力的合理性; 建立了车体的板壳有限元模型, 参照标准《铁路应用—铁路车辆车体的结构要求》 (EN 12663), 确定车体服役状态的疲劳载荷工况, 采用惯性释放法计算了车体有无残余应力的疲劳强度; 根据最大主应力原则, 将车体多轴应力转化为单轴应力, 得到焊缝和母材关注点的平均应力和应力幅值; 结合铝合金车体材料性能参数绘制了Goodman疲劳曲线, 计算了每个关注点的可靠性安全系数, 分析了残余应力对车体疲劳强度的影响。分析结果表明: 焊接残余应力对母材关注点影响不大, 其可靠性安全系数降幅小于5%;焊缝关注点的平均应力增加量可达25 MPa, 其可靠性安全系数降幅超过50%, 最大为54%, 使得车体容易疲劳失效; 残余应力对焊缝关注点最大主应力的方向有明显的改变。      

主梁新细节的疲劳寿命预测及参数分析

为研究沪通铁路长江大桥主梁新细节的过焊孔半径、过焊孔形状、焊脚尺寸对大桥疲劳性能的影响,采用热点应力法预测疲劳寿命,并将其与9个试件的疲劳实验结果进行比较,在此基础上建立有限元模型进行相关参数分析.研究表明:基于热点应力法预测的主梁新细节的疲劳寿命与试验测试值存在一定差异,但均小于15%;主梁新细节过焊孔附近的翼缘板网格尺寸对其热点应力影响较小,小于1.6%,对此焊接细节采用两点外推法与三点外推法计算热点应力均是可行的;焊脚尺寸、过焊孔半径对热点应力、翼缘板的最大应力有一定的影响,但变化幅度均不超过10%;热点应力、腹板、翼缘板最大应力受长短半轴比的影响显著,腹板最大应力的变化幅度达21.6%,而其他两者均未超过10%.建议在有条件时可采用椭圆形过焊孔的焊接细节,且长短轴之比适当取大些.      

基于结构应力的转向架构架焊缝疲劳强度研究

为了解决现行标准中转向架构架焊缝容许疲劳强度数据存在的问题,针对当前的各种结构应力方法和数据,就其在焊缝结构应力测试、容许应力幅、设计值存活率、平均应力修正、焊缝修整疲劳强度提高及极限容许应力确定等方面的关系和差异进行对比,并构建了Q345钢焊缝基于实测结构应力的疲劳图和S-N曲线. 结果表明:转向架构架焊缝结构应力的实测可沿用B12/RP17规定的方法,即采用6 mm长的应变片并将其前端紧靠焊趾边缘布置;建议借鉴IIW (International Institute of Welding) FAT100和FAT90两组基本数据,并应用其平均应力和焊缝修整疲劳强度提高的修正方法,构建更加合理的基于实测结构应力的焊缝容许疲劳强度数据;对于2 × 106次循环数对应的疲劳图,极限容许应力可参考DVS 1612规定的方法,由母材屈服极限除以相应的安全系数确定.      

钢桥面板与纵肋焊缝疲劳评估及裂纹扩展研究

为研究正交异性钢桥面板纵肋与顶板连接焊缝的裂纹扩展特性并建立相应的疲劳寿命评估方法,考虑裂纹扩展模拟方法以及材料特性等因素对于裂纹扩展过程与疲劳寿命预测的影响,以某长江公路大桥重载交通钢桥面板为研究对象,进行了疲劳模型试验和理论研究. 综合运用疲劳试验与断裂力学数值模拟研究起始于焊根位置裂纹的疲劳寿命评估问题,探明了疲劳裂纹的扩展特性. 研究结果表明:基于常幅疲劳加载的寿命预测结果与试验实测值间的相对误差小于10%,且预测结果偏于安全;裂纹扩展路径及裂纹面空间形态等扩展特性与疲劳试验相吻合;裂纹扩展模拟方法、扩展角计算准则、材料特性和初始裂纹深度是疲劳寿命预测的关键影响因素;起始于焊根的疲劳裂纹属于Ⅰ型主导的复合型裂纹,疲劳寿命评估应考虑Ⅱ型与Ⅲ型裂纹的影响;裂纹面呈现出典型的空间曲面特征,其深度与长度之比介于0.20～0.63之间,最大扩展角为12.7°;疲劳寿命评估结果对于初始裂纹深度取值较为敏感,应结合工程实际确定合理取值.      

AZ31B镁合金电子束焊接接头显微组织及疲劳性能

为了改善镁合金焊接接头的微观组织及其力学性能,采用真空电子束焊接工艺对厚10 mm的AZ31B镁合金板材进行焊接,分析电子束对接接头的显微组织、元素分布和物相组成,检测了电子束对接接头静载拉伸性能和疲劳性能.试验结果表明AZ31B镁合金电子束焊接接头的微观组织和力学性能均得到了改善:焊缝区晶粒明显细化,焊缝区Mg、Zn元素的质量分数分别降低了0.12%和0.28%,Al、Mn元素的质量分数分别增加了0.24%、0.14%,焊缝区为单相α-Mg,无明显的低熔点β-Mg17Al12脆性;焊接接头的抗拉强度为242 MPa,能够达到母材的抗拉强度;在脉动载荷（R=0.1）、2×106循环次数下,其接头的疲劳强度为91 MPa,能达到母材的78.4%.      

胶粘剂和CFRP吸湿对复合材料粘接接头失效的影响

对胶粘剂和复合材料的影响进行解耦;采用常温环境分别对胶粘剂、碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)和CFRP/铝合金粘接接头进行不同时间周期的浸泡,研究了不同应力状态对粘接接头失效的影响;以准静态失效测试的失效强度和失效模式分析为主,结合傅里叶变换红外光谱仪分析、差示扫描量热法分析和扫描电子显微镜分析,分别研究胶粘剂和CFRP吸湿后的失效机理,揭示了吸湿对复合材料粘接接头失效的影响机理。分析结果表明:胶粘剂在吸湿30 d后发生了水解,失效强度下降约53.7%,失效应变约为原来的3.2倍;CFRP吸湿后表面粘附性降低,容易引起界面失效,但打磨之后能够得到改善,CFRP吸湿后纤维/基体界面力学性能降低,在正应力状态下更容易造成纤维撕裂;CFRP/铝合金粘接接头的失效强度在吸湿30 d后下降了约23%,失效断面中胶粘剂出现了韧性断裂和界面失效;通过对胶粘剂、CFRP和CFRP/铝合金粘接接头吸湿后的失效分析,发现剪应力状态下的CFRP/铝合金粘接接头失效主要受胶粘剂吸湿后的性能下降影响,其次是界面失效的影响,而正应力状态下的CFRP/铝合金粘接接头失效还受CFRP性能下降造成的纤维撕裂影响。      

超声冲击对镁合金焊接接头疲劳性能的研究现状

概述了镁合金及镁合金焊接接头疲劳性能国内外研究现状,指出了目前镁合金焊接接头疲劳性能研究存在的问题与不足,最后分析了提高镁合金焊接接头疲劳性能和疲劳寿命的研究趋势.超声冲击方法不仅可以有效地降低焊接接头的应力集中系数,降低接头的残余拉伸应力,甚至在焊接接头表面造成残余压应力,还可以细化焊缝及其附近区域的显微组织,甚至达...     

基于ESS法的重载货车焊缝疲劳仿真

为验证ESS方法的有效性,以装甲钢T型焊接接头为对象,进行了仿真计算与疲劳试验,结果表明,ESS方法计算精度较高,试验与计算误差为18.8%.基于ESS法及静态应力恢复原理,对重载浴盆货车车体关键焊缝进行了疲劳仿真分析,获得了ESS分布规律及仿真结果,其中枕梁上盖板与中梁焊缝计算里程约为2 886万公里,有较高的安全裕度.     

铝合金熔焊气孔与裂纹交互作用模拟

为研究铝合金熔焊接头中裂纹与气孔交互作用对接头疲劳行为的影响,基于杂交多边形有限单元法（hybrid polygonal element,HPE）,构造了单独含椭圆洞和裂纹的多边形单元格式,建立了同时含裂纹和气孔的激光-电弧复合焊接铝合金接头的平面应力模型,研究了气孔的分布对焊根裂纹尖端场的影响.研究结果表明:在较为稀疏的网格模型下,HPE法数值解误差可控制在0.5%以内;焊缝下部的小气孔使得裂纹尖端标准化Ⅰ型和Ⅱ型应力强度因子分别增大2.15%和324%,增强效应明显,并且气孔与裂纹间距离越近,两者耦合作用愈强.