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压弯复杂应力下某高强钢焊接件的疲劳特征研究

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目录

摘要

Abstract

第1章 绪论

1.1 引言

1.2 焊接结构疲劳

1.2.1 焊接结构疲劳的特殊性

1.2.2 研究现状

1.3 压弯复杂应力下结构的疲劳

1.3.1 压弯复杂应力的特征及研究意义

1.3.2 研究现状

1.4 本文工作内容

第2章 疲劳寿命的估算方法

2.1 概述

2.1.1 一般结构寿命估算方法

2.1.2 复杂应力状态下寿命估算方法

2.2 局部应力应变法

2.2.1 方法原理

2.2.2 循环应力应变曲线和迟滞回线

2.2.3 复杂应力下的循环应力应变曲线

2.2.4 应变-寿命曲线

2.2.5 复杂应力下应变-寿命关系

2.2.6 局部应力应变值计算

2.3 断裂力学法

2.3.1 方法原理

2.3.2 不同形式应力的应力强度因子公式

2.3.3 裂纹扩展速率参数

第3章 压弯复杂应力下焊趾局部应力应变研究

3.1 局部应变的试验测量与分析

3.1.1 试验试件

3.1.2 试验方法

3.1.3 纵向压应力影响下试验结果和分析

3.1.4 周向压应力影响下试验结果和分析

3.2 局部应力应变的有限元法分析

3.2.1 有限元分析方法

3.2.2 计算模型

3.2.3 纵向压应力影响下有限元计算结果和分析

3.2.4 周向压应力影响下有限元计算结果和分析

3.3 本章小结

第4章 压弯复杂应力下焊接件疲劳裂纹扩展规律研究

4.1 复杂应力下裂纹扩展试验

4.1.1 试验试件

4.1.2 试验方法

4.1.3 降载勾线法记录裂纹扩展轨迹

4.2 裂纹扩展形貌研究

4.3 裂纹尖端扩展速率研究

4.3.1 基于割线法的裂纹尖端试验数据处理

4.3.2 应力强度因子幅的计算

4.3.3 焊接结构中应力强度因子的修正

4.3.4 Paris公式回归

4.4 本章小结

第5章 压应力对疲劳裂纹寿命的影响

5.1 压应力对裂纹萌生寿命的影响

5.1.1 纵向压应力对裂纹萌生寿命的影响

5.1.2 周向压应力对裂纹萌生寿命的影响

5.2 压应力对裂纹扩展寿命的影响

5.2.1 纵向压应力对裂纹扩展寿命的影响

5.2.2 周向压应力对裂纹扩展寿命的影响

5.3 压应力对裂纹总寿命的影响

5.3.1 纵向压应力对裂纹总寿命的影响

5.3.2 周向压应力对裂纹总寿命的影响

5.4 本章小结

第6章 结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文

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摘要

锥柱结合壳是潜艇和深潜器的典型结构形式和疲劳热点部位,随着结构尺寸的增大和新型高强钢的应用,该热点部位的疲劳问题变得尤为突出。工作状态下,由于锥角的影响,锥柱结合处承受着由弯曲应力和两向压应力形成的压弯复杂应力,同时还存在焊接结构残余应力和应力集中的影响,使得该部位的疲劳研究非常复杂。
  目前,对这一典型节点进行试件研究时,均忽略了一向或两向压应力,而忽略压应力对结合处疲劳特征和裂纹寿命的影响尚未见研究,使结构疲劳问题评估中,存在着不确定的因素。
  本文以锥柱结合处典型部位的焊接试件为研究对象,通试验和理论分析,对不同应力形式下焊接件的疲劳特征进行研究,探讨压应力对结合处疲劳性能的影响。首次提出了锥柱结合处疲劳寿命估算时,压应力影响不可忽略的结论。首先,通过对焊接试件进行了三向加载试验和弹塑性有限计算,分析不同应力形式下,局部应力应变值随名义应力的变化情况。试验和理论分析均发现:焊趾处名义应力相同时,不同应力形式下的局部应力应变值不同,压应力的存在使其明显减小,且减小量与压应力相对弯曲应力的比值相关。
  分析结果用于疲劳裂纹的萌生寿命估算。然后,对预制有半椭圆表面裂纹的焊接试件,进行了三向加载的裂纹扩展试验,分析压应力对裂纹扩展规律的影响。试验发现:压应力对裂纹的半椭圆形状未产生明显影响,但对裂纹深度与半长度的比值a/c产生了很大的影响;结合Newman-Raju公式分析裂纹扩展速率得出,相同应力强度因子幅ΔK下,纵向压应力使扩展速率值有一定减小,但速率随ΔK的变化趋势未发生改变,周向压应力明显增加了裂纹扩展速率,且使速率随Δk的变化趋势更加陡峭。
  分析结果为裂纹扩展寿命估算提供基础。最后,根据试验和分析得到的结果,分别基于局部应力应变方法和断裂力学方法估算焊接件焊趾处的裂纹萌生寿命和扩展寿命,并计算疲劳裂纹总寿命。在焊趾名义应力值不变条件下,纵向压应力和周向压应力几乎均使裂纹萌生寿命和裂纹扩展寿命减小;压应力与弯曲应力比值为0.5左右时,疲劳总寿命减少量达到50%。故,进行结构的疲劳寿命安全评估时,忽略压应力得到的评定结果是偏于危险的。

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