Effect of Weld Parameters on Effective Notch Stress at Weld Root and Toe of Load Carrying Cruciform Joints

Cruciform joints in ships are prone to fatigue damage and the determination of type of weld plays a significant role in thefatigue design of the joint. In this paper, the effect of weld geometry on fatigue failure of load carrying cruciform joints inships is investigated using Effective Notch Stress (ENS) approach. A fictitious notch of 1 mm radius is introduced at theweld root and toe and fatigue stress is evaluated. The effect of weld leg length (l) and weld penetration depth (p) on ENS atweld root and toe are determined. The critical weld leg length (lcr) at which fatigue failure transitions from weld root toweld toe is investigated. An approximation formula for determination of the critical weld leg length considering weldpenetration depth (p) is proposed.

基于Roe-Siegmund循环内聚力模型焊趾疲劳裂纹萌生仿真

为建立焊趾疲劳裂纹萌生行为仿真方法,基于Roe-Siegmund循环内聚力模型对ABAQUS进行二次开发,形成用于反映疲劳累积损伤的VUMAT子程序,依据文献方法及试验数据获取Q345焊接区域材料的内聚力参数,通过Voronoi图法和内聚力单元法生成具有疲劳累积损伤特性和晶粒特征的微观模型,并与宏观对接焊缝模型合并,进行多尺度疲劳裂纹萌生仿真模拟,获得裂纹萌生路径、临界循环次数及晶粒力学响应特征.结果表明,此方法能够自发地选择符合实际情况的裂纹萌生位置以及短裂纹扩展路径,完成对焊接区域材料微观断裂过程的模拟,不同仿真组获取的临界循环次数存在于一定的分布范围内,模型中的累积内聚力长度需通过试验数据进行拟合.

SCR立管打底焊根部成形及其对疲劳性能的影响研究

浮式平台配合钢悬链线立管(SCR)是深海油气资源主流开发方式之一,具有很高的经济价值和战略意义.但是由于深海浮式结构在风/浪/流作用下将产生较大漂移运动,使得SCR系统在服役期间需要承受巨大极限载荷与平台运动/涡机振动所产生的交变荷载,致使其环焊缝容易产生严重的断裂危险和疲劳失效问题.以Φ355 mm×19.1 mm的X65管线钢为试验材料,对比分析了冷金属过渡(CMT)、表面张力过渡(STT)两种单面焊双面成形打底焊工艺下焊接接头的疲劳性能,发现单面打底焊容易因为焊根余高过大或者未熔合、未焊透等缺陷导致接头疲劳性能显著降低.在此基础上,进一步对比了7种常见的单面打底焊工艺下的接头疲劳性能,并对疲劳断口进行了分析,结果发现所有单面打底焊工艺均难以稳定地保证焊根位置余高偏小且无未熔合和未焊透的缺陷.基于此,提出了一种熔化极气体保护焊/脉冲钨极氩弧焊(GMAW/GTAW-P)双面打底焊工艺来保证SCR立管焊缝的内壁成形质量.试验结果发现,该工艺下焊根余高尺寸可以限制在200μm以内,焊根过渡角θ≤3°,焊根熔宽在6~8 mm,从工程应用角度有效地解决了传统单面打底焊工艺下焊根成形不良的问题,并将焊接接头的疲劳寿命提高至1×10^(7)周次以上,为高疲劳寿命的SCR立管打底焊提供了一种新思路.

验证基于ANSYS结果文件的结构应力网格不敏感性

依据有限元计算软件ANSYS的结果文件和VERITY法的理论基础,运用python语言进行编程,通过建立有限元模型,验证了结构应力法网格不敏感性的特性。使用FE-SAFE的VERITY模块计算相同焊趾处的结构应力并进行对比,验证了本文开发的计算程序结果的准确性。

焊趾熔修和超声冲击处理对船用钢焊接接头的影响

针对船用钢焊接接头性能薄弱易发生疲劳断裂的问题,分别采用超声冲击、焊趾熔修和焊趾熔修+超声冲击复合处理等三种方法对船用高强钢焊接接头进行强化,对不同工艺强化后接头的残余应力、应力集中系数和疲劳性能进行了对比试验研究。结果表明:(1)超声冲击处理可有效降低接头残余应力,在表面形成有益的压应力,而焊趾熔修对接头残余应力无改善作用,甚至会使残余应力略增大;(2)三种处理工艺均可降低焊趾处应力集中程度,焊趾熔修处理可显著降低焊趾应力集中系数;(3)三种处理工艺均可改善接头低周疲劳性能,超声冲击处理后接头疲劳寿命提高幅度为58%,焊趾熔修处理后疲劳寿命提高幅度为249%,焊趾熔修+超声冲击复合处理后疲劳寿命提高幅度为460%。焊趾熔修+超声冲击复合处理工艺兼顾了焊趾熔修处理和超声冲击处理的优点,既可显著降低焊趾应力集中程度又可获得有益的残余压应力,可应用于船舶焊接结构关键部位的强化。

晶粒分布形态对焊趾短裂纹疲劳行为影响的模拟

焊接结构的疲劳裂纹常常萌生于焊趾局部。在复杂的冶金物理作用下,焊趾局部的微观晶粒尺寸及其分布形态呈现明显差异性。为了探究晶粒分布形态对焊趾短裂纹疲劳行为的影响,针对十字焊接接头试件,对焊趾局部的不同区域进行了金相检验,获得粗晶区和细晶区的平均晶粒尺寸,构建了虑及晶粒分布形态的二维代表性体积单元(RVE)模型,基于FIP参量和McDowell模型实现了不同晶粒分布形态对焊趾短裂纹的成核与疲劳扩展行为的模拟,结果表明,微观晶粒尺寸和取向是焊趾短裂纹成核行为的重要影响因素;晶粒分布形态对短裂纹的早期行为影响较小,但在裂纹扩展至某个阈值长度之后,影响逐渐显著;一般情况下,细晶到粗晶的过渡方式可降低短裂纹的扩展速率。

焊趾半径对疲劳短裂纹演化行为的影响

焊趾半径对焊接结构的疲劳性能有重要影响.综合泰森多边形法和子模型技术,采用粘塑性率相关的晶体塑性本构,在宏观的十字形焊接接头焊趾局部构建了二维微观RVE(representative volume element)子模型.基于滑移带平均的疲劳指标参量计算滑移带的成核寿命和扩展寿命,通过降低具有最小寿命的滑移带的弹性模量模拟裂纹的形成,实现了宏观-微观跨尺度疲劳短裂纹演化行为仿真.分析表明:当焊趾半径小于0.5 mm时,成核寿命随着焊趾半径增大而增大;当焊趾半径大于0.5 mm时,成核寿命主要受到晶粒形态与取向的影响呈现波动性变化.焊趾RVE子模型可划分为焊趾圆弧影响区和非影响区.在焊趾圆弧影响区,裂纹演化行为主要受到焊趾半径影响,成核位置有所差异,扩展速率随裂纹循环次数呈线性上升;随着裂纹扩展,焊趾半径影响逐渐减小,晶粒形态与取向影响逐渐增大;当裂纹扩展到非影响区,裂纹演化行为主要受到晶粒形态和取向的影响,扩展速率呈现较大的波动性.

考虑焊趾形貌的T形焊接接头三点弯疲劳试验

针对弯曲载荷作用下焊趾疲劳裂纹的萌生与扩展问题,考虑焊趾形貌的影响,开展了T形焊接接头的三点弯疲劳试验。试验前,观察和测量试件双侧焊趾的形貌,得到系列形貌不规则的特征点,通过在部分特征点设置FBG应变传感器测量焊趾局部的应变时间变化。施加了2级载荷谱块的循环载荷,在疲劳断口获得了清晰的海滩条带,结合断口形貌和焊趾形貌对焊趾裂纹的萌生和扩展行为进行了分析。结果表明,受弯焊接接头更易在焊趾形貌更恶劣的一侧萌生裂纹,且复杂的焊趾形貌容易导致多裂纹的产生,多裂纹的萌生位置与焊趾形貌特征点有较强的对应关系。

链板式连续运输机械中焊趾表面裂纹扩展形态检测

针对链板式连续运输机械滚动压力增大引起的裂纹扩展问题,提出焊趾表面裂纹扩展形态检测方法,并应用到链板式连续运输机中。我们构建了焊趾表面裂纹图像的尺度空间函数,并计算特征点的梯度幅值与方向,完成焊趾表面裂纹区域的SIFT(Scale Invariant Feature Transform)定位。以裂纹区域定位结果为基础,明确扩展应力强度因子与能量释放之间关系,并引入裂纹开张比的概念,计算裂纹扩展的有效能量。根据裂纹纵、横比与深度比的关系,结合板厚得到裂纹半轴长度的函数关系,从而实现裂纹扩展形态的检测。以链板式连续运输机为例,实验结果表明,本文针对连续滚动机械设备裂纹区域的定位精度比传统的检测方法更高,且裂纹深度检测结果与实测结果基本一致,说明所研究检测方法的裂纹扩展形态检测性能得到了提升,具有较高的实际应用价值。

压力容器对接焊缝焊趾应力集中系数预测研究

为有效预测压力容器对接焊缝焊趾应力集中系数(stress concentration factor,SCF),以双V型对接焊缝(geometrically symmetric butt joint,BJ-S)和带垫板的对接焊缝(butt joint with backing plate,BJ-BP)为研究对象,通过建立有限元模型,对每组200个、共10组以上的不同影响参数组合下的对接焊缝焊趾有限元SCF数据进行回归分析。回归分析中考察了8种不同几何参数以及名义应力对SCF的影响,对BJ-S已有的SCF公式进行修正,提高了不同名义应力下SCF预测公式的准确性;并在此基础上,提出了BJ-BP焊趾的SCF预测公式。结果表明:基于已有角变形的BJ-S公式,对名义应力修正之后,拟合数据和验证数据显示R^(2)由修正前的0.8538提升到0.98以上,且预测公式结果和有限元结果的误差在11%以内。对于BJ-BP焊趾处SCF,将提出的BJ-S的SCF公式应用于BJ-BP时,R^(2)为0.9144,效果不佳。BJ-S公式计算值和BJ-BP有限元结果具有线性关系,通过引入减小率常数进行修正,所得的BJ-BP总SCF公式的R^(2)在0.98以上,且误差小于8.5%,提高了SCF预测的精度,可为不同名义应力水平下的疲劳强度评估提供支撑。

提高焊接接头疲劳强度的超声波冲击法

通常采用打磨焊趾的方法来改善焊接接头的疲劳强度，而使 用超声波冲击焊趾来提 高焊接接头及结构的疲劳强度，是一种国际上刚刚出现的新方法。本文研制成 功了一种基于压电陶瓷 换能器的新型超声冲击试验装置。实际使用过程表明：其执行机构体积小、重量轻、噪音极小、耗能 低、使用灵活方便，易于实施。利用该设备，采用 Ｑ２３５ 钢进行了冲击 处理效果的验证性对比疲 劳试验。试 验结果表明：超声冲击方法对焊接接头疲劳强度的改善效果十分明显，能够提高疲劳寿命２０ ～３０ 倍以上，极具实用价值。同时发现，超声冲击处理能够有效地消除焊趾处 浅层裂纹、夹渣等焊接缺陷，该作用 也是其提高焊接接头疲劳强度的原因之一。

钢结构焊缝疲劳强度分析技术的最新进展

在平板焊接钢结构焊缝疲劳强度分析中,近年来国外主要发展起了等效结构应力法和表面外推热点应力法2种新方法。等效结构应力法考虑焊趾部位的结构应力集中效应,应用改进线性化法或节点力法分析结构应力,确保计算结果对有限单元类型、网格形状及尺寸的不敏感,从而有效区分不同焊接接头类型的焊趾结构应力集中情形;以结构应力为控制参数计算应力强度因子,在主要考虑焊趾缺口、结构板厚、载荷模式等因素影响基础上,基于断裂力学分析确定与焊缝疲劳寿命直接相关的应力参数,导出等效结构应力转化方程;基于上述应力计算和转化方法对焊缝疲劳试验结果数据进行处理,建立焊缝疲劳强度设计单一主S—N曲线,实现对钢结构焊缝的疲劳强度评定和寿命预测。通过比较分析可知,表面外推热点应力法适用于钢结构焊缝设计阶段的方案比较及方案优化;等效结构应力法较适合对钢结构焊缝最终设计方案进行更为精确的焊缝疲劳强度评定和寿命预测以及不能用表面外推热点应力法进行钢结构焊缝疲劳强度分析时。

T型接头焊趾表面裂纹应力强度因子的简化计算方法

T型接头是船舶与海洋结构物的典型结构形式之一,其焊趾处常常是疲劳热点区域。T型接头焊趾表面裂纹的应力强度因子是船舶与海洋结构的、基于断裂力学安全评定和疲劳寿命预测的基础。本文对T型接头表面裂纹应力强度因子的计算方法,尤其是Bow ness等人提出的T型接头焊趾表面裂纹应力强度因子的计算公式进行了分析,在此基础上导出了形式简单,物理意义明确的T型接头焊趾表面裂纹应力强度因子的简化计算公式,并和相关的应力强度因子的计算结果进行了比较,证明了本文简化方法的可行性。

改善焊接接头疲劳强度超声冲击法的试验研究

利用自行研制的超声波冲击试验装置，对几种典型焊接结构用钢（Ｑ２３５Ｂ和１６Ｍｎ）的对接和十字接头（熔透），实施冲击处理。然后进行焊态与冲击处理态的弯曲与拉伸两种加载方式的疲劳对比试验。分别获得了各种情况冲击处理前后的σ－Ｎ曲线及条件疲劳极限（２×１０＾６周次）。结果表明：超声冲击处理后，Ｑ２３５Ｂ对接接头条件疲劳极限（２×１０＾６周次）提高了５７％（拉伸），十字接头（４点弯曲）提高了６４％。

焊接残余应力的测试及研究

依据应力测量的基本理论,采用LabView语言编程自行设计制备了焊接残余应力测量系统。对45号钢和22SiMn2TiB钢焊缝的焊趾处进行超声冲击处理,并测量处理前、后的残余应力。结果表明,超声冲击处理能够将焊接残余拉应力转变为压应力,45号钢和22SiMn2TiB钢处理前、后的纵向残余应力均值为169、-63、296、-49MPa,下降率分别为137%和117%。

超声冲击处理改善22SiMn2TiB钢焊接接头的疲劳性能

研究超声冲击处理(Ultrasonic impact treatment,UIT)对22SiMn2TiB钢焊接头疲劳性能的作用。疲劳试验用焊态和UIT样品,X射线衍射应力测定仪测试焊态和UIT样品残余应力分布,扫描电镜(Scanning eletron microscopy,SEM)对疲劳样品断口形貌进行分析,确定了裂纹形核机制。结果表明超声冲击处理可以提高22SiMn2TiB钢焊接头疲劳寿命。对于焊接接头,UIT改变了裂纹形核机制,从焊趾处的表面形核演变为次表面形核。UIT处理消除了焊趾处微缺陷,并引入残余压应力,限制焊趾表面起裂,导致焊接接头更长的疲劳寿命。

TIG熔修法改善含咬边缺陷焊接接头疲劳性能

接头焊趾区表面常常会存在一些焊接缺陷如咬边等,这些缺陷对接头承受动载荷的能力影响很大,疲劳裂纹往往从该部位更早地萌生.结合国产16Mn低合金中强钢,用TIG熔修法提高含咬边缺陷焊接接头疲劳强度,并延长其疲劳寿命.试验结果表明,咬边等焊接缺陷降低原始焊接接头疲劳强度10%～20%;与含缺陷焊态试件相比,TIG熔修处理后十字接头的疲劳强度提高70%,疲劳寿命提高5～8倍,与不含焊接缺陷的焊态试件相比,疲劳强度提高34%,疲劳寿命延长3～4倍;原始咬边缺陷对TIG熔修处理后焊接接头的疲劳性能基本没有影响.

低匹配对接接头应力集中系数计算及回归分析

针对高强钢低匹配的横向对接接头形状设计,以最大限度提高接头静载承载能力和疲劳强度为目标,采用有限元计算的方法,考察了焊缝余高、焊趾过渡圆弧半径、盖面焊道宽度、板厚等几何参数对焊趾和焊根处应力集中的影响,回归分析得出的焊趾和焊根处的应力集中系数的经验方程式,对高强钢低匹配对接接头设计具有指导意义。

提高焊接接头疲劳性能的低相变点焊条焊趾熔修技术

在焊接接头疲劳试验的基础上,首次提出了用于提高焊接接头疲劳性能的低相变点焊条焊趾熔修技术。采用低相变点焊条LTTE和普通焊条E5015,分别对非承载十字接头和纵向环绕角焊缝接头实施焊趾熔修,进行疲劳性能对比,并与该两种形式接头的全LTTE焊缝接头疲劳性能进行比较。结果表明:相对于普通焊条E5015接头,低相变点焊条LTTE焊趾熔修技术可以有效地提高焊接接头的疲劳性能,其疲劳强度达到全LTTE焊缝接头的疲劳强度。这一技术降低了LTTE焊条的使用成本,为低相变点焊条在工程实践中的推广应用提供了一条有效途径。

基于表面外推的热点应力法平板焊趾疲劳分析研究

针对传统名义应力整体法在焊接板结构疲劳分析应用中的实际困难,全面介绍和分析应用于海洋结构工程领域的基于表面外推的热点应力局部法。对热点应力法基本原理、热点应力表面外推确定技术、热点局部区域有限元建模原则、应力梯度影响热点应力修正、多轴应力疲劳考虑及热点应力S-N曲线选用等内容进行详细论述,总结出基于表面外推的热点应力局部法在实际工程各环节的合理实施方式及适用的设计数据,并明确了其局限性。由于板梁焊接结构的相似性,故认为广泛应用于海洋结构工程中基于表面外推的热点应力疲劳分析方法在铁道行业桥梁、机车车辆等领域有参考和借鉴价值。