焊缝含Ⅰ型单边裂纹低匹配平余高对接接头形状参数对形状因子的影响

基于有限单元法针对焊缝含Ⅰ型单边裂纹的低匹配平余高对接接头形状设计,以最大限度提高接头的承载能力以及更准确地对其进行安全评定为目标,从断裂力学角度出发,考察了焊缝含Ⅰ型单边裂纹的低匹配平余高对接接头各形状参数,即焊缝余高高度、余高宽度和焊趾圆弧过渡半径,对其形状因子的影响.结果表明,焊缝余高高度对焊缝含Ⅰ型单边裂纹的低匹配平余高对接接头形状因子影响最为显著,余高宽度和焊趾圆弧过渡半径的影响较小.采用传统的不考虑余高高度时的形状因子指导焊缝含Ⅰ型单边裂纹低匹配平余高对接接头的形状设计是不合理的.选择合适的形状参数可以提高焊缝含Ⅰ型单边裂纹低匹配平余高对接接头的承载能力.

弹性阶段低匹配对接接头三点弯曲余高形状设计

弹性阶段以提高低匹配接头弯曲承载能力为目标,基于材料力学方法针对三点弯曲时低匹配对接接头的余高形状设计,提出了等弯曲承载能力(EBLCC)的设计思想、判据及实现条件,并给出了三点弯曲接头余高形状设计方案,同时对理论分析结果进行了有限元验证.结果表明,理论计算余高形状为抛物线形,有限元结果与理论分析基本吻合,EBLCC设计使峰值应力从低匹配接头承载薄弱的焊缝区转移到近焊趾的母材部位,从而提高了低强焊缝的弯曲承载与抵抗弯曲变形能力.余高双侧对称圆弧型可以替代抛物线型.这种设计方法对高强钢低匹配对接接头设计及应用具有参考和指导意义.

含中心裂纹低匹配对接接头形状参数对形状因子的影响

基于有限单元法针对含中心裂纹的低匹配对接接头形状设计,以最大限度提高接头的抗断能力为目标,从断裂力学角度出发,考察了含中心裂纹的低匹配对接接头的焊缝余高高度、盖面焊道宽度、焊趾过渡圆弧半径等形状参数对其形状因子的影响.结果表明,焊缝余高高度对含中心裂纹的低匹配对接接头形状因子影响最为显著,盖面焊道宽度的影响次之,焊趾过渡圆弧半径的影响最小.选择合适的形状参数可以提高含中心裂纹低匹配对接接头的抗断能力.

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。

基于等承载能力原则的低匹配对接接头设计

根据对接接头的应力分布特点,提出了低匹配接头焊缝与母材具有相等静载承载能力的条件,即焊根处应力集中因子与接头匹配比(焊缝金属与母材的屈服强度的比值)相等。通过有限元计算及其结果的回归分析,建立了对接接头几何参数与焊根处应力集中因子经验方程。针对高强钢焊接结构的应用,以焊缝与母材静载等强承载为原则,进行了低匹配对接接头的几何形状设计。结果表明,该几何形状设计不仅可在较大范围内选择匹配比而不必降低应用载荷,而且接头断裂模式由局部屈服断裂向整个接头的全面屈服断裂转变,该接头设计对于高强钢低匹配接头的应用具有重要意义。

焊接残余应力对高强度钢低匹配对接接头静载强度的影响

采用有限元方法研究了焊后拉伸条件下高强度钢等匹配和低匹配对接接头内部应力的变化情况.结果表明,焊后横向和纵向拉伸载荷增至临界失效载荷期间,等匹配和低匹配接头的焊缝区和母材区应力均一直持续增加,但焊缝及近缝母材区应力在焊接残余应力基础上的增加较远端母材区缓慢;最终近缝母材区的应力明显高于远端母材区,未表现出内应力完全调匀的特征;这意味着由于焊接残余应力的存在,高强度钢宽板等匹配焊接结构的静载强度可能略有损失,而高强度钢宽板低匹配焊接结构更将在焊缝低强的影响下损失更大的静载强度.

低匹配对接接头形状参数对三点弯曲应力集中系数的影响

弹性阶段以提高低匹配接头弯曲承载能力为目标,基于有限单元法针对X形坡口低匹配对接接头三点弯曲形状设计,从材料力学方法角度出发,考察了双侧余高对称时低匹配对接接头的焊缝余高、盖面焊道宽度、焊趾过渡圆弧半径等形状参数对三个危险区弯曲应力集中系数的影响.结果表明,对母材与焊缝交界处突变区与焊缝底部中心区的影响规律为焊缝余高影响最大,盖面焊道宽度影响次之,焊趾圆弧半径影响最小;对焊趾部位影响规律为盖面焊道宽度的影响较大,焊趾圆弧半径和焊缝余高影响均较小.选择合适的形状参数可以提高低匹配接头弯曲承载能力.

低匹配对接接头的“等承载”设计及拉伸疲劳行为

为提高高强钢低匹配接头的承载能力,以'等承载能力'(Equal load-carryingc apacity,ELCC)(即焊缝与母材承载能力相等)为原则,进行对接接头的形状参数设计。有限元计算表明,ELCC设计使对接接头焊缝区域(包括焊趾和焊根)应力应变显著降低,低强焊缝的承载能力提高。试验结果表明,ELCC对接接头强度可基本达到母材抗拉强度;在高应力区,ELCC对接接头疲劳强度与削平等匹配接头非常接近,在低应力区,随匹配比降低ELCC对接接头疲劳寿命有所降低;0.57屈服强度匹配比的ELCC对接接头对应1×107循环的疲劳强度较焊态等匹配对接接头提高约115%,可达到0.96匹配比削平对接接头的80%。ELCC设计克服低匹配接头承载能力低的不足,并且可在较大范围内选择匹配比而不必降低应用应力。

高强钢低匹配等承载对接接头焊接残余应力调匀能力

借助有限元软件研究了高强钢对接接头中焊接残余应力的调匀情况.结果表明,因母材塑性储备不足,所有接头焊后横向、纵向拉伸峰值应力均在焊接残余应力的基础上不断增加,但接头各区域应力增速不同,最终残余应力均未完全调匀.低匹配静载ELCC接头高塑性、低屈强比的盖面焊道位于高值残余应力所在的焊缝及近缝区母材表面并分担载荷,使该区应力增速放缓,故其残余应力调匀能力优于等匹配接头.考虑焊接残余应力的ELCC接头静载失效更可能发生在母材区,这与ELCC接头的设计目标相符.明确了静载ELCC设计可以忽略焊接残余应力的影响.

10CrNi3MoV钢低匹配对接接头的拉伸疲劳性能

通过余高削平的10CrNi3MoV钢低匹配对接接头的拉伸和脉动拉伸疲劳试验,研究了匹配比对高强钢对接接头力学性能的影响,给出了匹配比与削平对接接头疲劳强度及寿命的关系方程.结果表明,随匹配比降低,削平对接接头抗拉强度、断后伸长率和疲劳强度降低,但匹配比对接头抗拉强度影响较小,对断后伸长率和疲劳强度影响较大;由于焊缝冶金强化和力学强化效应的作用,接头抗拉强度和疲劳强度远高于焊缝熔敷金属本身.匹配比过低的焊接结构缺少满足需要的塑性储备,以接头断裂模式为标准,进行了匹配比下限值的初步界定.

不等厚板低匹配对接接头弯曲承载能力设计

为了提高不等厚板低匹配对接接头弯曲承载能力,基于等承载定义、判据和实现条件,通过理论研究结合有限元分析,在弹性极限状态下对不等厚板低匹配对接接头进行了几何形状设计。理论分析表明,靠近薄板材侧的余高形状可以按照等厚板低匹配对接接头弯曲等承载设计方法进行设计,而靠近厚板材侧的余高形状以圆弧过渡形式进行设计。为了工程上应用的方便,将不等厚板低匹配对接接头设计成新的三圆相切形状。设计的不等厚板低匹配对接接头与相关标准推荐的不等厚板圆弧过渡的等匹配对接接头进行了有限元验证比较。结果表明,按照理论设计的不等厚板低匹配对接接头的弯曲承载能力与不等厚板三圆相切低匹配对接接头相当,均优于不等厚板凹形圆弧过渡等匹配对接接头,但是均略低于不等厚板凸形圆弧过渡等匹配对接接头。不等厚板低匹配对接接头弯曲承载能力设计为完善焊接结构等承载理论与工程应用提供重要的理论支撑。

随焊冲击碾压整形新方法及等承载接头拉伸与疲劳性能

提出了随焊冲击碾压整形方法 (weld shaping with trailing impact rolling,WSTIR),并研制了一套随焊冲击碾压整形装置.对随焊整形后低匹配等承载接头(equal load-carrying capacity,ELCC)进行了拉伸试验和疲劳试验.结果表明,随焊整形后接头拉伸均断裂在近焊趾的母材处,断裂应力均达到母材的抗拉强度;随焊整形后接头的疲劳寿命明显大于原始焊态接头,由于随焊整形接头焊趾处圆弧过渡降低了应力集中,进而提高了随焊整形接头的疲劳承载能力.拉伸与疲劳试验说明随焊冲击碾压整形后的平余高低匹配接头达到了等承载的要求.这种随焊整形方法将有力地推动低匹配等承载接头设计方法在工程实际的应用.