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.

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。

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。

桥式起重机箱形主梁焊缝疲劳寿命研究

以某桥式起重机箱型主梁为研究对象,利用ANSYS软件对其进行静态分析,结果表明该起重机静强度以及静刚度均满足设计要求。依据英国标准BS7608,采用FE-SAFE疲劳软件,对主梁翼缘焊缝疲劳寿命进行分析,得出该起重机主梁下翼缘板与主腹板连接处的翼缘焊缝处疲劳寿命最低。并对该处采用不等边角焊缝模型进行对比分析,结果显示适当增加角焊缝一边的长度,且长边位于翼缘板上时,同一焊缝上两条焊趾处的疲劳寿命均有所提高,有助于改善焊接结构件的抗疲劳性能。

压弯载荷下焊趾表面裂纹工程萌生寿命预测

首先定义焊趾处从无裂纹到检测到表面裂纹长度达到 1.5mm时对应的循环次数为裂纹“工程萌生寿命”。给出了基于修正Neuber法并考虑焊接残余应力等影响的焊接结构焊趾裂纹工程萌生寿命计算方法。用成一定角度对接焊板试件和轴向加载获得压弯组合应力 ,以 980钢板焊接件为试件 ,在压弯组合应力的作用下 ,对焊趾表面裂纹萌生寿命进行了实验研究 ,确定了焊趾处的疲劳缺口系数。该结果可用于疲劳热点部位的受力特征为压弯组合应力的潜艇耐压壳。

考虑焊趾形貌的十字焊接接头疲劳评定研究

针对十字焊接接头,考虑焊趾形貌特征,分别建立了包含圆弧形焊趾和直线形焊趾的两种有限元模型,分析了焊趾局部的应力状态;以有效缺口应力为控制参量,估算了循环拉伸载荷作用下十字焊接接头的疲劳寿命;开展了相关疲劳试验,对估算结果进行了验证。研究表明焊趾形貌对焊接接头的疲劳特性有较大影响,圆弧形曲线可以较好地描述焊趾形貌,循环拉伸载荷作用下裂纹通常在焊趾部位萌生,且位于靠近焊缝端面的圆弧段凸顶点附近,考虑焊趾形貌的有效缺口应力法可以作为焊接结构疲劳寿命的有效评定方法。

提高装甲车辆T型焊接接头疲劳寿命的措施研究

本文对转炉 6 16装甲钢T型焊接接头四点弯曲低周疲劳试验结果进行了分析、研究 ,阐述了提高T型焊接接头低周疲劳寿命的有效措施。研究表明 :焊趾砂轮打磨能够改善焊缝与热影响区(HAZ)过渡部位形状 ,增大过渡圆弧半径 ,并且能去除焊趾处咬边、夹渣等焊接缺陷 ,降低了应力集中 ,从而提高疲劳寿命 ;钨极氩弧焊 (TIG)修整虽能改善焊缝形状 ,但弧坑处易于产生裂纹 ,疲劳寿命降低 ;自制钛酸型TWE312不锈钢焊条的抗裂性和工艺性能较A14 7碱性焊条好 ,其焊接接头的疲劳寿命有一定的提高。疲劳裂纹起裂位于热影响区半熔化区和焊缝不完全混合区 ,并向基体扩展 ,与实际装甲车辆裂纹的萌生部位及扩展途径相一致。

压弯组合应力下高强钢焊接板表面裂纹疲劳寿命计算

潜艇上浮下潜运动使得其耐压壳承受交变的外压载荷。潜艇耐压壳的疲劳热点为锥—柱过渡结构连接焊缝焊趾处 ,该处所受的应力特征为压弯组合应力。压弯组合应力下表面裂纹应力强度因子及其疲劳寿命的计算尚无报道。弄清楚压弯组合应力作用下带表面裂纹焊接板试件的疲劳特性对潜艇等结构的疲劳研究是必要的。文中提出用成一定角度的对接焊板试件和轴向加载获得压弯组合应力来模拟潜艇耐压壳锥—柱焊接结合区的应力特征的实验方法。用980高强钢作试件 ,研究焊趾处预制表面裂缝 ,并在压弯组合应力为特征的疲劳载荷作用下表面裂纹的疲劳行为。给出高强钢焊趾表面裂纹在压弯组合应力下应力强度因子及其疲劳寿命计算式。该结果可供海洋平台。

焊趾表面裂纹应力强度因子简化计算的比较研究(英文)

对接、T 型接头与十字接头是船舶与海洋结构的典型结构形式,其大部分疲劳失效是由于焊趾引起的。各种表面裂纹的应力强度因子计算是船舶与海洋结构基于断裂力学安全评定和疲劳寿命预测的基础。Bowness 等人提出了T 型接头焊趾表面裂纹应力强度因子计算式,作者对其复杂的计算式进行了简化。BS7910 针对对接、T 型接头与十字接头提出了两套焊趾应力强度因子表达式,一是针对二维表面裂纹提出的,一是针对三维表面裂纹提出的。本文对作者给出的简化表达式以及BS7910 的两套表达式进行了比较。结果表明作者给出的简化表达式不仅可以用来计算T 型接头的焊趾表面裂纹应力强度因子,而且可以用来计算对接与十字接头焊趾表面裂纹的应力强度因子。同时发现在a/T< 0.05 处三者的差别比较大,因此用有限元法进行了验证,结果证明作者给出的简化表达式比其他表达式更加合理。