HTS-A鋼對(duì)接接頭的雙軸低周疲勞壽命研究.pdf

1、工程中,焊接結(jié)構(gòu)通常承受復(fù)雜的多軸循環(huán)載荷作用,焊縫區(qū)通常是疲勞失效的熱點(diǎn)區(qū)域。因此研究焊接結(jié)構(gòu)在復(fù)雜應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)下的多軸疲勞更加具有實(shí)際意義。潛艇錐柱結(jié)合殼焊縫區(qū)是潛艇疲勞破壞的熱點(diǎn),該區(qū)受力狀態(tài)為沿潛艇縱向的彎曲應(yīng)力、縱向壓應(yīng)力和環(huán)向壓應(yīng)力等復(fù)雜比例循環(huán)應(yīng)力。
　　本文結(jié)合實(shí)際結(jié)構(gòu)復(fù)雜的受力情況,在不考慮縱向壓應(yīng)力的前提下研究HTS-A鋼對(duì)接接頭在縱向彎曲、垂向受壓循環(huán)比例加載狀態(tài)下的雙軸疲勞壽命。在研究中,將疲勞壽命分為工程

2、意義上的裂紋萌生壽命和裂紋擴(kuò)展壽命,并分別從試驗(yàn)和理論分析兩方面研究了HTS-A鋼對(duì)接接頭的疲勞壽命。采用35mm厚HTS-A鋼對(duì)接焊接試件分別進(jìn)行縱向彎曲單軸疲勞試驗(yàn),縱向受彎和垂向受壓雙軸疲勞試驗(yàn)。MTS四通道結(jié)構(gòu)加載試驗(yàn)與分析系統(tǒng)和本課題組自行設(shè)計(jì)的多向疲勞加載工裝,可實(shí)現(xiàn)單向疲勞循環(huán)加載和多向疲勞循環(huán)加載。由于試驗(yàn)設(shè)備和工裝的復(fù)雜性,國(guó)內(nèi)外尚無(wú)該雙軸疲勞試驗(yàn)的報(bào)道,本次試驗(yàn)研究屬國(guó)內(nèi)首創(chuàng)。試驗(yàn)過(guò)程中提出了“試劑觀測(cè)法”和“銹跡勾

3、線法”,分別適用于監(jiān)測(cè)初始裂紋的產(chǎn)生和追蹤疲勞裂紋形貌的擴(kuò)展,由于對(duì)傳統(tǒng)方法做了一定的改進(jìn),因此更加具有實(shí)用性。
　　本次試驗(yàn)得到了對(duì)接接頭彎曲單軸疲勞和壓彎雙軸疲勞的斷口形式和疲勞壽命。試驗(yàn)結(jié)果表明,工程意義上的疲勞裂紋萌生壽命是不可忽略的。垂向循環(huán)壓力載荷縮短了試件的疲勞壽命,加快了試件的疲勞破壞。另外,垂向循環(huán)載荷對(duì)萌生壽命的影響大于對(duì)擴(kuò)展壽命的影響。隨著垂向壓應(yīng)力和縱向彎曲應(yīng)力比的增大,擴(kuò)展壽命所占總壽命的百分比越來(lái)越大,

4、而萌生壽命所占總壽命的百分比則越來(lái)越小。在估算裂紋萌生壽命時(shí),通過(guò)有限元軟件ANSYS分析試件在單軸加載狀態(tài)下的應(yīng)力集中系數(shù),采用多軸Neuber法計(jì)算雙軸加載狀態(tài)下的局部應(yīng)力應(yīng)變和循環(huán)應(yīng)力應(yīng)變幅;結(jié)合不同的應(yīng)變一壽命模型計(jì)算疲勞裂紋萌生壽命,并考慮平均應(yīng)力和殘余應(yīng)力的影響。與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比,認(rèn)為采用臨界平面法估算對(duì)接接頭在縱向受彎和垂向受壓循環(huán)加載狀態(tài)下的疲勞裂紋萌生壽命較為準(zhǔn)確。而且對(duì)比發(fā)現(xiàn),估算焊接試件的疲勞萌生壽命時(shí)考慮平均應(yīng)力和

5、殘余應(yīng)力的影響是有必要的。
　　在估算裂紋擴(kuò)展壽命時(shí),由于雙軸疲勞試驗(yàn)中試件斷口形式是以Ⅱ型裂紋為主導(dǎo)的Ⅰ型/Ⅱ型混合型裂紋,因此本文基于最大剪切面上的剪應(yīng)力和法向應(yīng)力提出一種新的等效應(yīng)力強(qiáng)度因子幅。該應(yīng)力強(qiáng)度因子幅考慮了裂紋擴(kuò)展中最大剪切面上剪切力的主導(dǎo)作用和法向應(yīng)力的副作用,具有一定的物理意義。在疲勞裂紋擴(kuò)展壽命估算時(shí),采用新的等效方法計(jì)算應(yīng)力強(qiáng)度因子幅,并結(jié)合單軸彎曲疲勞的Paris公式進(jìn)行計(jì)算。當(dāng)取合適的材料參數(shù)時(shí)估算結(jié)果