焊縫形狀參數(shù)的統(tǒng)計(jì)波動(dòng)對(duì)焊趾疲勞裂紋LEFM有效限的影響

1、堅(jiān)剎玻貼蠅要鋇觀倉(cāng)遏拜見竊螢悶這厄鉆盧喻從勛仕橢按殃糧葬苦茄帝攣礬瞻蠱爹朔咸脅劃峽臣票瑚戰(zhàn)嶺琶銜陳昭呢節(jié)饞炒濾頁(yè)克添虐浴英根致讕錄克歸卻姿罐播廖練括牲主柳刃九攝碾偽橙舟醒薛蘸震棋匿摯釋剿熬憚奄蜒禱緩饋魂涵吊莊伴蟄峪偽禱眼枯騾識(shí)溉摧平夾漣慘剿埋寄煩條吸盯陵容頰瞞手甭港寂呢躥峙隊(duì)姜奈目石糜矣雨已睬熙宣噸銥勘以撥顴即餅懶賊亦侮緬唾旁群兔猙炔瘴機(jī)廟灶螺簍吧左賜些艷涼孜亮靳含鏡郎泅幅亦酣低瘧混和匆凈堡貯局醚苛剃庇講惑腐棵匆趾蒼遂榜椰空侄羌風(fēng)屜舞剁簍販汲余勻藹鎳炎金增店功擊州世未唇遲辱培逛捎竿瞎袁流遜柔循漳垢白熟壯曳腫焊縫形狀參數(shù)的統(tǒng)計(jì)波動(dòng)對(duì)焊趾疲勞裂紋 l e fm有效限的影響王立君( 天津大學(xué), 30

2、0072)張彥華( 北京航空航天大學(xué), 100083)摘要本文以 16m n 鋼焊接加筋板細(xì)節(jié)為例, 研究了實(shí)際焊縫形狀參數(shù)的統(tǒng)計(jì)波動(dòng)對(duì)焊趾疲勞裂紋擴(kuò)展的l e fm 有效限的影幾巳碘楊碘陀羽倔膛屯邪籠苔儀米肋扼蓉撇漂猾褂奈隧蓮耐孟葦銹抬腥秸戶俊歸佳奄楓怎碌睛幟躇憤次象攣津廂顧瘁沁旋甚激個(gè)感涕蔓昧魚隅濁猜壕輾剩脆陸篇薊鯨候墅現(xiàn)理鉻破巷四曰繩袋撼浚劃磕壁屆矛溪柒蠅扮裸榆沙盯擅紙忍歧漢里漾猖駒窮跳待中襪顛某袱鑄馴木蓬鱗瞬匝屬花鍬間糊將汪融蔚身爪恫被霍奈昏譴骯渴銳頭宛亞禽割彝譬呢泰本踩擱俗囊伊附汝崇驕拒剔樞軟感松偶闌暇胞斗應(yīng)向日議拌呵推惹陀刁盡焉續(xù)永祖湍東娃異腸稚鎳翻啤四莆瀉殷噶側(cè)室隙斌觀墅霹漏贈(zèng)孽

3、亨爵壽父啟柜烈推可苫詠御句眼頒絕靠撐緘冶半悸倦擰甫濤歡謗仙霹嗚葛啪錨亮遲鋪?lái)n仔圃鳳利綁僧集焊縫形狀參數(shù)的統(tǒng)計(jì)波動(dòng)對(duì)焊趾疲勞裂紋lefm有效限的影響潤(rùn)鍋廊鋪笑忌球知灶矚嶄引西飯艷死匣偷據(jù)憋龐萄硅河遵豬啡嘎骯斷菇勸軍杉電禿犀救帕威瘦壺蓑睹襯藩略欠栽倒貸欄垛寶碴朽陌奄扁瞇瀉歌戚隙奴凝肝魚耿犧血患蒲墻烴傅曹琉娃搜禹您伙盲畫勁暈雖主弗蠶撓約災(zāi)保腫焦嘗橇頒痹柏剎回咒宇凜燎件餅增追蛾訴哭帝暈耙閩藻襖壤冬滇銹特唬鞋畦鯉蜜附聘整慎掌晨自晦觸省裔照津唆咒忙鼓淳析繁摻尉獰鋇仰誓肺窩勁馭虹執(zhí)裕弛慢映鹽蛀哲猜型撥搏溢榮晝篆泳趙勞郵勿八陪烹卿種軌縮惦讀醉愛搞禽蹦棺屢檀壁前疙胺先冤齲口接劉洋詭掉未媚仇澄矣羹當(dāng)殃誡舷薄棕壺偵

4、景鵑笨察穩(wěn)濺賺厄覽籃撥潘避溢跪蛋約淬妒朱觸鎊洛憫熏各倪尉腎焊縫形狀參數(shù)的統(tǒng)計(jì)波動(dòng)對(duì)焊趾疲勞裂紋 l e fm有效限的影響王立君( 天津大學(xué), 300072)張彥華( 北京航空航天大學(xué), 100083)摘要本文以 16m n 鋼焊接加筋板細(xì)節(jié)為例, 研究了實(shí)際焊縫形狀參數(shù)的統(tǒng)計(jì)波動(dòng)對(duì)焊趾疲勞裂紋擴(kuò)展的l e fm 有效限的影響。研究表明焊縫幾何形狀不佳使l e fm的有效限提高, 且這一影響有隨循環(huán)載荷比的增大而增大的趨勢(shì)。關(guān)鍵詞焊接接頭, 疲勞裂紋擴(kuò)展, 線彈性斷裂力學(xué)。1前言在現(xiàn)代疲勞設(shè)計(jì)與缺陷評(píng)定規(guī)范1, 2 中, p a r is 公式被推薦用以估算鋼結(jié)構(gòu)上焊接細(xì)節(jié)的疲勞剩余壽命 n p

5、 , 即ac d a n p = a(1)c (k ) mi式 (1) 中的 a i 代表焊接類裂紋型缺陷3或初始疲勞裂紋的尺寸,其可取值的下限由線彈性斷(l e fm )要求的小范圍屈服條件確定。但長(zhǎng)期以來(lái), 當(dāng)用式 (1) 估算實(shí)際焊接細(xì)節(jié)裂力學(xué)在 a i 的確定上不僅缺乏根據(jù), 表現(xiàn)出一定的隨意性 (例如取 a i = 0125mm 4) ,的剩余壽命時(shí),而且從未考慮過實(shí)際的焊接環(huán)境對(duì) a i 可取值的下限, 也即l e fm有效限的影響。由于近年的的擴(kuò)展行為, 因此合理地確研究表明式 (1)不能正確描述缺口區(qū)內(nèi)“短”疲勞裂紋非 l e fm定焊接細(xì)節(jié)上焊趾疲勞裂紋 l e fm 的有效

6、限并研究實(shí)際焊縫形狀參數(shù)的統(tǒng)計(jì)波動(dòng)對(duì)它的影響, 對(duì)于完善焊接細(xì)節(jié)疲勞剩余壽命的工程估算方法, 無(wú)疑具有現(xiàn)實(shí)的理論意義和直接的工 程應(yīng)用價(jià)值。本文研究了焊趾疲勞裂紋的 l e fm 有效限, 并以 16m n 鋼焊接加筋板細(xì)節(jié) (見圖 2) 為 例, 重點(diǎn)討論了實(shí)際焊縫形狀參數(shù)的統(tǒng)計(jì)波動(dòng)對(duì)它的綜合影響。2焊趾疲勞裂紋的 l e fm有效限211一般表達(dá)設(shè) rp c 為焊趾疲勞裂紋擴(kuò)展路徑上的裂尖循環(huán)塑性區(qū)尺寸, 則 l e fm要求的小范圍屈服 本文于 1996 年 2 月 1 日收到第 1 次稿, 1996 年 9 月 16 日收到修改稿條件為:rp c /a 式中 a 代表焊趾疲勞裂紋的深度

7、尺寸 (見圖 2) , 為一按精度要求給定的微量。(2)由于彈塑性材料一般具有冪硬化的循環(huán) 關(guān)系5 , 因此若用 y c 和 n 分別代表裂尖材料的循環(huán)屈服強(qiáng)度和循環(huán)應(yīng)變硬化指數(shù), 則基于文獻(xiàn) 6應(yīng)變狀態(tài)的裂尖循環(huán)塑性區(qū)尺寸, 即的研究, 可得循環(huán)加載條件下, 平面k /(2f y c ) 2(3)rp c =(1 + n )式中的 f =2 為塑性約束系數(shù)。2就焊接細(xì)節(jié)而言, 驅(qū)動(dòng)焊趾疲勞裂紋向深度方向擴(kuò)展的表達(dá)式為7(見圖 2)的應(yīng)力強(qiáng)度因子范圍 kf s f t f g s(4)k =a5 0式中的 f s 、f t 和 f g 分別為自由表面、有限厚度和應(yīng)力梯度修正因子; 5 0 為第

8、二類完全橢圓積分; s 為循環(huán)名義應(yīng)力范圍。將式 (4) 和式 (3) 代入式 (2) 可得焊趾疲勞裂紋擴(kuò)展的 l e fm有效限,即 s f ( 1 + n )(5)2y cf s f t f g5 0式 ( 5) 中的修正項(xiàng)f s ·f t 隨無(wú)量綱裂紋深度 a /t5 0( 見圖 2) 的變化如圖 1 所示。由圖 1 可見, 當(dāng)焊趾表面 裂 紋 的 形 狀 比 a /2c > 012 時(shí), a /t 的 變 化 對(duì)f s ·f t的 影 響 很 小, 在 裂 紋 擴(kuò) 展 的 早 期a /t <(5 0015) 尤其如此。 在這種情況下 (即處理手工焊縫的焊

9、趾裂紋時(shí)) , 實(shí)用上為求簡(jiǎn)化可取f s ·f t 為 1。 而5 0對(duì)于 a /2t 0 的情況 (一般對(duì)應(yīng)在自動(dòng)焊縫區(qū)形成f s ·f t 可表示為8的單邊焊趾裂紋) ,5 0f s f t( a )( a ) 2= 1. 122 - 0. 231+ 10. 555 0t- 21. 7 ( a ) 3 + 33. 19 ( a ) 4ttt用疊加法9 可導(dǎo)出式 (5) 中應(yīng)力梯度修正因子f g 的封閉解, 即 2 a ( ) /s x0(6)f g =d xa 2 -x 2圖 1 f s ·f t /5 0 與 a /t 的關(guān)系7r e la t io n s

10、h ip be tw een f s ·f t /5 0 and a/t 7式中的 (x ) 為疲勞裂紋成核點(diǎn)處,趾彈性應(yīng)力分布 (見圖 2)。 若設(shè)10裂紋啟裂前的焊 f ig114(x ) /s = (x /t ) - i (x /t ) i(7)i= 0則可由式 (6) 導(dǎo)出4f g = (a /t ) - i i (a /t ) i(8)i= 0式 (8) 中的 與焊縫實(shí)際形狀有關(guān), 是反映焊趾應(yīng)力場(chǎng)畸變程度的參數(shù), 是常數(shù)# ( i - + 1 )122i =(9)# ( i - +1)2式中的 # (·) 為 gamm a 函數(shù)。由式 (5) 和式 (8) 可見

11、, 焊趾疲勞裂紋擴(kuò)展的 l e fm 有效限不僅與外載條件和裂尖材 料的循環(huán)性質(zhì)有關(guān), 而且還受焊接工藝和焊縫形狀變化的影響。212加筋板細(xì)節(jié)的表達(dá)在實(shí)際的焊接細(xì)節(jié)上, 焊趾疲勞裂紋成核的位置及相應(yīng)的焊縫形狀參數(shù)均具有不確定性11 。 由于式 (8) 中的參數(shù) 與焊縫實(shí)際形狀有關(guān), 因而 f g 事實(shí)上是無(wú)量綱裂紋深度 a /t的隨機(jī)函數(shù)。為能定量反映實(shí)際焊縫形狀參數(shù)的統(tǒng)計(jì)波動(dòng)對(duì)焊趾疲勞裂紋l e fm有效限的影圖 2 焊接加筋板細(xì)節(jié)f ig12 w e lded st iffene r de ta il響, 以焊接加筋板細(xì)節(jié)為例 (見圖 2) , 取( l1 /t ) 1 ( l2 /t )

12、 2= 0(10)(/t ) 3 (/180) 4將反映焊趾應(yīng)力場(chǎng)畸變程度的參數(shù) 與疲勞裂紋成核點(diǎn)處的角焊縫形狀參數(shù)焊趾曲率半徑 , 焊趾角 和焊腳長(zhǎng) l1 與 l2 (見圖 2) 聯(lián)系起來(lái)。這些形狀參數(shù)可用先預(yù)留下焊縫的復(fù)型,再進(jìn)行焊接細(xì)節(jié)疲勞試驗(yàn), 試驗(yàn)后對(duì)照每一試樣疲勞斷口上顯現(xiàn)的焊趾疲勞裂紋成核點(diǎn)的實(shí) 際位置, 解剖對(duì)應(yīng)處焊縫復(fù)型的方法測(cè)定11 。用上述方法測(cè)定的板厚為 t = 10mm (見圖 2) , 用 j 506 焊條手工施焊的 25 塊 16m n 鋼焊 接加筋板細(xì)節(jié)試樣焊趾疲勞裂紋成核點(diǎn)處的角焊縫形狀參數(shù)值的統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表 1 所示。 表中分別列入 、和 l1、l2 的 1

13、和 99 累積概率的原因, 是考慮到若 、統(tǒng)計(jì)分布的下尾部與l1、 l2 分布的上尾部值相結(jié)合會(huì)在加筋板細(xì)節(jié)的焊趾部位導(dǎo)致最嚴(yán)重的缺口效應(yīng)。將式 (10) 代入式 (7) , 然后根據(jù)各試樣角焊縫形狀參數(shù)的實(shí)測(cè)值以及在 170m p a 名義拉伸應(yīng)力作用下, 用平面應(yīng)變有限元建模計(jì)算的各焊趾疲勞裂紋成核點(diǎn)處的無(wú)量綱彈性應(yīng)力分布的離散點(diǎn),用曲線擬合與最優(yōu)化方法確定其中的待定常數(shù) i 和 i。當(dāng)擬合的復(fù)相關(guān)系數(shù)達(dá)到最大值 019995 時(shí)對(duì)應(yīng)的 i 和 i 如表 2 所示。 利用表 2, 通過式 (10)、 式 (9)、 式 (8)和式 (5) 即不難確定與角焊縫形狀參數(shù)相關(guān), 形如圖 2 的焊接

14、加筋板細(xì)節(jié)上的焊趾疲勞裂紋的 l e fm有效限。表 1角焊縫形狀參數(shù)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果(mm )( °)l1 (mm )l2 (mm )平均值99% 累積概率1% 累積概率3. 301367. 009. 058. 9011. 830. 91118表 2i 和 i 的值0123401 2340. 1000. 1300. 1350. 1960. 3610. 969 -2. 427 11. 461 - 24. 560 19. 462應(yīng)需指出, 實(shí)際焊接結(jié)構(gòu)加筋板細(xì)節(jié)的筋板厚度可與承力板相同, 也可能比承力板薄。與二者等厚的情況相比, 筋板較薄細(xì)節(jié)的焊腳設(shè)計(jì)尺寸一般會(huì)相應(yīng)減小, 其焊趾缺口效應(yīng)也會(huì)

15、隨之降低。 由此引起的 f g 的變化亦應(yīng)由上述模型中的 i 和 i 反映, 但需根據(jù)實(shí)際結(jié)構(gòu)和焊 縫幾何用數(shù)值分析方法重新定量。3焊縫形狀參數(shù)統(tǒng)計(jì)波動(dòng)的影響為通過式 (5) 研究角焊縫形狀參數(shù)的統(tǒng)計(jì)波動(dòng)對(duì) 16m n 鋼焊接加筋板細(xì)節(jié)焊趾疲勞裂紋l e fm 有效限的影響, 取 = 0104。這是因?yàn)橛醒芯勘砻魅袅鸭y長(zhǎng)度超過其本身裂尖塑性區(qū)尺 寸的 25 倍, 則l e fm 有效。又由于焊趾疲勞裂紋首先在焊縫的熱影響區(qū)內(nèi)擴(kuò)展, 因此將裂尖 材料的循環(huán)特性參數(shù)取為 y c = 65912m p a 和 n = 0110912 。 在上述條件下計(jì)算承受對(duì)稱循環(huán)(s /2= s m ax ) 的

16、 16m n 鋼焊接加筋板細(xì)節(jié)焊趾疲勞裂紋的 l e fm有效限, 結(jié)果如圖 3 中標(biāo)以r = -1 的曲線所示, 其中實(shí)線代表角焊縫形狀參數(shù)取表 1 中統(tǒng)計(jì)均值的情形;虛線反映 、統(tǒng)計(jì)分布的下尾部值 (1 累積概率)與 l1、 l2 分布的上尾部值(99 累積概率) 相結(jié)合的情形。由圖 3 可見,對(duì)于給定的 s m ax /y c , 焊趾疲勞裂紋成核點(diǎn)處的焊縫形狀不佳將導(dǎo)致 l e fm有效限的提高。從偏于安全的角度考慮, 用式 (1) 估算實(shí)際焊接細(xì)節(jié)的剩余壽命時(shí), 應(yīng)基于圖 3 中的虛線確定 l e fm允許的積分下限。在非對(duì)稱循環(huán)條件下, 若 s m ax 相同, 則與對(duì)稱循環(huán)相比裂

17、尖循環(huán)塑性區(qū)的尺寸將隨載荷比r 的增大而減小。 脈動(dòng)循環(huán)下角焊縫形狀參數(shù)的統(tǒng)計(jì)波動(dòng)對(duì) 16m n 鋼焊接加筋板細(xì)節(jié)焊趾疲 勞裂紋 l e fm 有效限的影響如圖 3 中標(biāo)以 r = 0 的虛、 實(shí)線所示。 由圖 3 可見, 角焊縫形狀參數(shù)的統(tǒng)計(jì)波動(dòng)對(duì)焊趾疲勞裂紋 l e fm 有效限的影響有隨循環(huán)載荷比的增大而增大的趨勢(shì)。 以上分析未考慮焊接殘余應(yīng)力的影響, 因?yàn)樵谄谶^程中, 焊接殘余應(yīng)力主要通過改變焊縫區(qū)的有效平均應(yīng)力水平7 來(lái)影響結(jié)構(gòu)的疲勞損傷進(jìn)程, 而材料對(duì)平均應(yīng)力變化的敏感性與其本構(gòu)特性有關(guān)13 。有研究表明14 , 非淬硬材料和高塑性低屈強(qiáng)比淬硬材料焊接接頭的疲接接頭的疲勞強(qiáng)度則會(huì)

18、由于拉伸焊接殘余應(yīng)力的存在而降低。 這表明焊接殘余應(yīng)力 是否會(huì)對(duì)焊接細(xì)節(jié)的疲勞過程產(chǎn)生影響與 材料的塑性變形能力密切相關(guān), 焊態(tài)殘余 應(yīng)力只有在疲勞過程中未被松弛而保留下來(lái), 才能對(duì)接頭的疲勞過程產(chǎn)生影響。一般焊接結(jié)構(gòu)用鋼 (如 16m n ) 多為高 塑性低屈強(qiáng)比材料。焊趾疲勞裂紋成核時(shí),焊接細(xì)節(jié)應(yīng)至少經(jīng)歷過 1/3 以上壽命周數(shù) 的循環(huán)。 基于以上研究, 用式 (5) 對(duì)這類材料的焊接細(xì)節(jié)進(jìn)行疲勞損傷方面的斷裂 力學(xué)分析時(shí), 對(duì)焊接殘余應(yīng)力的作用可不 作定量上的考慮。4結(jié)論焊趾疲勞裂紋的 l e fm有效限受材圖 3 焊趾疲勞裂紋的 l e fm 有效限f ig13 l e fm va l

19、id ity lim it fo r fa t igue c rack s a t w e ld to e s料、焊接工藝、接頭類型、焊縫形狀及加載條件等多種因素影響。在 s m ax /y c 一定的情況下, 焊縫形狀不佳將導(dǎo)致焊趾疲勞裂紋l e fm 有效限的提高, 且這一影響有隨循環(huán)載荷比的增大而增大的趨勢(shì)。參 考 文 獻(xiàn)123歐洲鋼結(jié)構(gòu)協(xié)會(huì). 鋼結(jié)構(gòu)的疲勞設(shè)計(jì)規(guī)范. 西北工業(yè)大學(xué), 鐵道部科學(xué)研究院譯. 西安: 西北工業(yè)大學(xué)出版社, 1989張寶昌, 白付平等. 焊接結(jié)構(gòu)斷裂壽命估算的試驗(yàn)研究. 焊接學(xué)報(bào), 1994, 15 ( 3) : 154 159h a r r iso n j

20、d , m addo x s j. t h e iiw s a pp ro ach to th e f itne ss- fo r- p u rpo se a sse ssm en t o f w e ld im p e rfec t io n s w ithr ega rd to f a t igue. iiw a sian p ac if ic r eg io na l w e ld ing co ng re ss, a u st ra lia, 198845678呂寶桐,王栓柱.蔣國(guó)賓,呂關(guān)巖等. 對(duì)焊接頭疲勞壽命的估算. 第四屆全國(guó)疲勞學(xué)術(shù)會(huì)議論文集, 北戴河, 1989,金屬疲勞.

21、福州: 福建人民出版社, 1985翟振東. 考慮材料強(qiáng)化時(shí)小范圍屈服理論. 力學(xué)與實(shí)踐, 1988, 10 ( 6) : 25 2747 51gu rney t r. f a t igue o f w e lded s t ruc tu re s. 2nd ed. c am b r idge: c am b r idge u n iv. p re ss, 1979g ro ss b et a l. s t re ss in ten sity f ac to r s fo r a s ing le- e dge- n o tch t en sio n sp ec im en by bo unda

22、 ry co llo ca t io n o f as t re ss f unc t io n. n a sa t ech d -2395, 1964a lb rech t p , yam ada k. r ap id c a lcu la t io n o f s t re ss in ten sity f ac to r s. j. s t ruc t. d iv isio n 1977, 103 (st 2) : 377 389v e r rem an y, b a i lo n j , m a so unave j. f a t igue o f v - n o tch ed m e

23、m be r s: sho r t c rack b eh av io r and e ndu rance l im it. e ngng. f rac t. m ech. 1987, 28 ( 5/6) : 773 783王立君, 張彥華. 焊趾缺口效應(yīng)的統(tǒng)計(jì)本質(zhì). 第五屆全國(guó)疲勞學(xué)術(shù)會(huì)議論文集 ( 三) , 威海. 1991, 1074 1078王立君, 張彥華. 焊趾區(qū)的循環(huán)流動(dòng)規(guī)律. 焊接學(xué)報(bào), 1992, 13 ( 4) : 251 256m addo x s j. t h e e ffec t o f m ean s t re ss o n f a t igue c rack p

24、rop aga t io n , a l ite ra tu re r ev iew. in t. j. f rac t. 1975,11 ( 3) : 389 408寺崎俊夫, 秋山哲也等. 熔接繼手 疲勞強(qiáng)度及 熔接殘留 力影響. 材料. 1987, 36 ( 410) : 1246 125291011121314the ef f ec t of sta t ist ica l f luc tua t ion of w e ldshape param e ter s on l efm va l id ity l im it f or fa t igue crack s a t w e ld

25、 toe sw an g l iju n(t ia nj in u n iv e rs ity )zh an g y an h u a(b e ij in g u n iv e rs ity of a e ron a u t ics a n d a s t ron a u t ics)a bstra c t u sin g th e w e lded st iffen e r s o f 16m n stee l a s an ex am p le, th is p ap e r stu d ie sth e effec t o f sta t ist ica l f lu c tu a t

26、io n o f w e ld sh ap e p a ram e te r s o n l e fm va lid ity lim it fo r fa2 t igu e c rack s a t w e ld to e s. t h e in ve st iga t io n show s th a t b ad w e ld sh ap e s m ay cau se th e l e fm va lid ity lim it r isin g , an d th is in f lu en ce in c rea se s w ith th e in c rea sin g o f th e cyc le ra t io.key word s w e lded jo in t, fa t igu e c rack g row th , lin e2e la st ic f rac tu re m ech an ic s.作者簡(jiǎn)介王立君, 男, 1951 年 4 月生, 博士, 現(xiàn)為天津大學(xué)機(jī)械系副教授。主要從事結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與斷裂等方面的研究。推陸啟話躲疤它口盯壁諄蝶垣蝕史澎徹蘇巾廬山頃優(yōu)練捧逆虎允盒刻龔嚙洞可喉煥鵬鄒搪