鑄鋼節(jié)點(diǎn)環(huán)形對(duì)接焊縫的疲勞性能試驗(yàn)研究及數(shù)值分析.pdf

1、鑄鋼節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)自由，造型美觀，可鑄造成多個(gè)支管從任意方向匯交的復(fù)雜形狀，避免了桿件交匯處因焊縫密集而產(chǎn)生的較大的殘余應(yīng)力，并且在桿件相交部位設(shè)置的倒角能夠有效的減小應(yīng)力集中，適用于工程中復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下的節(jié)點(diǎn)與支座處，尤其在鋼管結(jié)構(gòu)中能夠表現(xiàn)出良好的力學(xué)性能。鑄鋼節(jié)點(diǎn)目前已被廣泛的運(yùn)用于海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)、橋梁結(jié)構(gòu)、高聳結(jié)構(gòu)和大跨度空間結(jié)構(gòu)中，在往復(fù)荷載作用下，這些結(jié)構(gòu)可能會(huì)產(chǎn)生疲勞問題。鑄鋼鋼管與熱軋鋼管連接的環(huán)形對(duì)接焊縫為鑄鋼節(jié)點(diǎn)疲勞的薄弱部

2、位。目前，關(guān)于鑄鋼節(jié)點(diǎn)環(huán)形對(duì)接焊縫的研究較少。因此本文以鑄鋼節(jié)點(diǎn)環(huán)形對(duì)接焊縫為研究對(duì)象，通過試驗(yàn)對(duì)其疲勞性能和失效機(jī)理展開研究，通過數(shù)值模擬結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)其疲勞強(qiáng)度分析方法進(jìn)行對(duì)比，在此基礎(chǔ)上對(duì)影響疲勞壽命的構(gòu)造因素進(jìn)行參數(shù)化分析。
　?。?）為了研究鑄鋼節(jié)點(diǎn)的疲勞性能，開展了鑄鋼材料的疲勞試驗(yàn)。通過對(duì)常用鑄鋼材料G20Mn5QT標(biāo)準(zhǔn)試件進(jìn)行應(yīng)變比為-1的疲勞試驗(yàn)，得到其應(yīng)變-壽命（S-N）曲線。與其它建筑用鋼比較，發(fā)現(xiàn)鑄鋼材料的

3、疲勞性能較差，通過疲勞斷面電鏡觀察后，發(fā)現(xiàn)這是由于鑄造過程中產(chǎn)生的氣孔類缺陷導(dǎo)致的，并在此基礎(chǔ)上揭示了鑄鋼材料疲勞失效的機(jī)理。
　　（2）通過鑄鋼材料G20Mn5QT標(biāo)準(zhǔn)試件在應(yīng)變比為0.1下的疲勞試驗(yàn)，得到其S-N曲線，并將其合理的轉(zhuǎn)化為應(yīng)力-壽命（S-N）曲線。對(duì)比DNV規(guī)范中母材的折減系數(shù)法和 Basquin公式關(guān)于平均應(yīng)力對(duì)S-N曲線的修正，以及Goodman、Geber和Solonberg考慮了不同平均應(yīng)力的疲勞極限計(jì)算

4、，發(fā)現(xiàn)Basquin公式和Solonberg公式能夠較準(zhǔn)確的根據(jù)平均應(yīng)力對(duì)鑄鋼G20Mn5QT進(jìn)行S-N曲線的修正和疲勞極限計(jì)算。
　?。?）為了研究鑄鋼節(jié)點(diǎn)對(duì)接焊縫疲勞失效的機(jī)理，開展了鑄鋼-熱軋鋼焊接標(biāo)準(zhǔn)試件和鑄鋼-熱軋鋼環(huán)形對(duì)接焊縫試件的疲勞試驗(yàn)。通過鑄鋼G20MnQT與熱軋鋼Q345B焊接標(biāo)準(zhǔn)試件的疲勞試驗(yàn)得到其S-N曲線，發(fā)現(xiàn)其疲勞性能與鑄鋼G20Mn5QT相比略有降低，且遠(yuǎn)差于Q345鋼。焊接標(biāo)準(zhǔn)試件基本都疲勞失效于鑄

5、鋼側(cè)的熱影響區(qū)，并非焊縫處，其疲勞源主要為與鑄鋼類似的鑄造缺陷，所以其疲勞性能與鑄鋼接近，但焊接熱影響區(qū)內(nèi)晶粒大小的不均勻使其疲勞性能比鑄鋼略有降低。
　　（4）提出了一種新的鑄鋼-熱軋鋼管環(huán)形對(duì)接焊縫的接頭形式，通過對(duì)其進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，得到該類焊接接頭試件的S-N曲線。通過和已有疲勞數(shù)據(jù)的兩種焊接接頭試件綜合比較，發(fā)現(xiàn)它們疲勞失效的方式均為在焊根處萌生裂紋并沿厚度方向擴(kuò)展。通過對(duì)比發(fā)現(xiàn)本文提出的焊接接頭雖具有較好的抗疲勞性能，但仍

6、遠(yuǎn)差于焊接標(biāo)準(zhǔn)試件。這是因?yàn)殍T鋼-熱軋鋼管為壁厚不等，焊接時(shí)為了保證焊接質(zhì)量，焊接接頭在構(gòu)造上不可避免的引入了“先天”的缺口，這種缺口引起了較大的應(yīng)力集中，使裂紋直接在缺口應(yīng)力較大的焊根處萌生，從而大大縮短了疲勞的整個(gè)進(jìn)程。
　?。?）不同的焊接接頭形式和構(gòu)造尺寸會(huì)對(duì)疲勞性能產(chǎn)生較大的影響，而疲勞試驗(yàn)會(huì)消耗大量的時(shí)間和經(jīng)濟(jì)成本。因此用數(shù)值模擬對(duì)鑄鋼節(jié)點(diǎn)環(huán)形對(duì)接焊縫進(jìn)行疲勞性能分析，通過數(shù)值模擬提出了疲勞裂紋萌生于焊根處的三類焊接接

7、頭的熱點(diǎn)應(yīng)力S-N曲線。此外，通過對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，用有效缺口應(yīng)力法得出的疲勞壽命均偏危險(xiǎn)，而修正的有效缺口應(yīng)力法雖可得到偏安全的計(jì)算壽命，但仍存在較大的誤差?；谀覆牡木植繎?yīng)變法計(jì)算過程相對(duì)復(fù)雜，精確度略差，計(jì)算結(jié)果偏危險(xiǎn)，而基于焊接材料的局部應(yīng)變法分析結(jié)果精確度較高，能較好的預(yù)測(cè)鑄鋼節(jié)點(diǎn)環(huán)形對(duì)接焊縫的疲勞性能，并且計(jì)算過程相對(duì)簡(jiǎn)單，具有良好的適用性和操作性。
　　（6）利用數(shù)值模擬結(jié)合基于焊接材料的局部應(yīng)變法，對(duì)疲勞性能的控制因素