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典型焊接接头残余应力及对疲劳裂纹扩展影响研究

【摘要】:在现代船舶与海洋工程结构物中通常存在着大量的高强度钢焊接结构件,通过它们将船舶的各个部分连接成为一个整体。这些焊接结构中包括常见的平板焊接接头以及浮式储油结构物中的典型船用焊接接头等。这些焊接接头在焊接过程中不可避免的产生焊接残余应力并对整体结构的疲劳强度产生影响,而高强度钢又对焊接残余应力较为敏感。这些焊接结构在服役过程中长期受到来自波、浪、流等引起的交变载荷作用,导致其焊缝区域易产生裂纹,长此以往终将导致结构发生疲劳断裂。目前对于考虑残余应力变化带来的结构强度影响的研究较少,因此开展残余应力对典型焊接接头疲劳强度影响研究对合理的评估和预报焊接结构的疲劳强度具有重要的参考价值。本文基于热-弹塑性和断裂力学等相关理论,对高强度钢典型焊接接头的残余应力及对疲劳裂纹扩展的影响进行研究。主要的研究工作及结论如下:(1)对长焊缝高强度钢对接焊平板模型1、高强度钢对接焊平板模型2以及船用典型焊接接头进行残余应力的数值模拟研究,并通过中子衍射法对模型2进行试验研究,结果显示数值模拟与试验测量结果较为吻合。模型1和模型2的横向焊接残余拉应力的峰值位置均出现在焊趾附近,而远离焊缝的区域应力分布相对较小。(2)对船用典型焊接接头在外载荷作用下的残余应力释放规律进行研究。结果发现在考虑焊接残余应力情况下,结构所受的拉应力较不含残余应力的结构大;在外载荷加载并卸载后,残余拉应力会发生释放现象,且释放量与载荷大小成正比。(3)对长焊缝平板模型1和船用典型焊接接头引入初始表面裂纹,进行初始裂纹出现后残余应力重分布规律的研究。结果发现裂纹前缘附近横向残余拉应力较大,裂纹前缘最深处的残余拉应力较完整结构上升明显。(4)对含裂纹长焊缝平板模型1和船用典型焊接接头进行残余应力重分布影响下的疲劳裂纹扩展研究。结果发现随着裂纹的扩展,裂纹尺寸不断变大,裂纹前缘附近横向残余拉应力始终较大,尤其裂纹前缘最深处的拉应力变化明显,且随着裂纹扩展不断增大,裂纹前缘应力强度因子也随之不断增大。

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