焊接接头力学不均匀体断裂力学参量的数值分析

应用ＭＡＲＣ有限元分析软件对平板拉伸和三点弯曲试样焊接接头力学不均匀体的断裂参量──Ｊ积分进行了数值分析．考察了焊接接头不均匀裂纹体Ｊ积分的守恒性，以及不同裂纹长度、强度匹配和焊缝宽度在加载过程中对Ｊ积分及塑性区发展规律的影响．结果表明：焊接接头Ｊ积分具有守恒性，裂纹越浅，加载时塑性区越大，断裂韧性值越高．高匹配焊缝中的裂纹更容易进入浅裂纹状态，从而使高匹配焊缝具有较好的抗断性能．焊接接头强度匹配因子Ｍ对Ｊ积分值有很大的影响．焊缝宽度对Ｊ积分值也有影响．

焊接力学不均匀性对316L焊缝扩展裂纹端部场的影响

由于接头组织和材料力学特性的不均匀,特别是当焊接热影响区的硬化对应力腐蚀破裂有重要的促进作用时,核电一回路316L管道焊接接头的应力腐蚀裂纹更容易扩展。考虑到焊接力学不均匀性,本文分析了恒应力强度因子(KI)和恒载荷条件下316L管道焊缝扩展裂纹尖端的局部应力应变场。研究结果表明,由于焊接力学不均匀性和裂纹长度的影响,恒KI和恒载荷条件下,扩展裂纹端部力学场有很大差异;恒载荷对扩展裂纹尖端应力应变的影响比恒KI要大得多。

宏观力学不均匀性对焊接接头动态J积分的影响

焊接接头是一个宏观力学不均匀体 ,力学不均匀性对焊接接头的动态断裂行为有重要的影响。采用MARC有限元程序 ,对含焊缝中心裂纹的低匹配焊接接头三点弯曲试样的动态断裂响应进行了计算模拟 ,并采用虚拟裂纹扩展方法计算了动态J积分断裂参量。作为比较 ,计算了相同条件下全母材及全焊缝三点弯曲试样的动态响应。由于惯性效应的作用 ,动态载荷响应曲线周期振动 ,焊接接头试样的动态载荷响应值介于全母材与全焊缝之间。用虚拟裂纹扩展方法计算的动态J积分与路径无关 ,惯性效应对动态J积分基本没有影响。低匹配焊接接头的动态J积分低于全母材而高于全焊缝。研究结果为承受动载的焊接结构安全评定奠定了基础。

力学不均匀性对焊接接头动态J积分影响的实验研究

用真空电子束焊的方法建立焊接接头的“软夹硬”非均匀体模型 ,用示波冲击的试验方法测出试件的动态断裂韧性 ,用该模型研究了焊接接头的力学不均匀性对其动态 J积分的影响。结果表明 ,裂纹位于硬区材料 ,断裂韧性值更接近硬区材料 ,与软区材料的断裂韧性值差别较大 ;随夹层宽度增加、断裂韧性值减小、夹层宽度到某一值时 ,断裂韧性值趋于稳定。

反应堆压力容器环形试件对焊接头力学不均匀性测试研究

为实现反应堆紧凑布置,反应堆压力容器内设计了多个复合功能的复杂环形构件,此类结构形式首次出现在反应堆压力容器设计中,属于大厚度、高拘束度焊缝结构形式,使得环形构件与反应堆压力容器内壁焊接接头残余应力呈现高幅值和分布复杂的特点;而此类结构长期在高温、高压、强辐照环境下服役并承受交变载荷作用,对结构安全性、可靠性等要求很高,因此有必要对反应堆压力容器内环形件与容器内壁大厚度焊接结构焊接残余应力的不均匀性进行仔细研究和分析,以便为反应堆压力容器环形试件对焊接头性能评估奠定技术基础。采用微冲剪和显微硬度方法测试了反应堆压力容器16MND5低合金钢环形试件对焊接头的力学分布规律。结果表明:对焊接头抗拉强度横向分布不均,呈M型,峰值强度出现在热影响区;对焊接头抗拉强度厚度方向分布不均,母材区波幅35 MPa、焊缝区波幅77 MPa、热影响区波幅80 MPa;对焊接头维氏硬度分布趋势与微冲剪测试结果一致,印证了微冲剪测试结果的合理性。

基于非高斯参数研究不同成分的Cu-Zr合金动力学不均匀性

利用分子动力学模拟技术,模拟了3种不同成分Cu-Zr合金的玻璃转变过程,利用不同温度下非高斯参数的变化来表示成分变化对Cu-Zr合金体系的动力学不均匀性的影响。经研究发现,三种不同成分的Cu-Zr合金的非高斯参数在β弛豫阶段与时间满足幂律函数,同时低温下非高斯参数峰值αmax随温度的变化符合Arrhenius函数,高温下偏离Arrhenius函数,而且两函数中的参数数值接近。结果表明,Cu-Zr合金成分变化对非高斯参数影响很小,即Cu-Zr合金体系的动力学不均匀性受成分变化的影响较小。

关于单元体系Cu的玻璃转变过程中动力学不均匀性的研究

基于分子动力学模拟技术,采用非高斯参数α2(t)来描述单元体系Cu的玻璃转变过程中动力学不均匀性的变化.研究表明在β弛豫阶段,非高斯参数α2(t)随时间的变化满足幂律函数,而非高斯参数峰值αmax和β弛豫时间τβ与温度的关系均符合Arrhenius函数,且温度越接近玻璃转变温度T g,体系的动力学不均匀性越明显.

原子尺寸对Lennard-Jones液体玻璃转变过程中动力学不均匀性的影响

采用分子动力学模拟技术,通过对非高斯参数α2(t)、粘度η等动力学参数的计算探究了原子尺寸对Lennard-Jones(LJ)液体在玻璃转变过程中动力学不均匀性的影响.结果表明在玻璃转变温度Tg附近,原子尺寸越小,粘度值增加越显著,且粘度随温度的变化满足Vogel–Fulcher–Tammann(VFT)方程;β弛豫阶段的非高斯参数α2(t)与时间的关系满足幂律函数,且随着原子尺寸的减小动力学不均匀性越来越明显.

焊接力学性能不均匀性对断裂韧性特征值的影响

本文通过对API X52管线钢焊接接头焊缝附近母材断裂韧性J积分特征值的测试研究,结果表明,焊接接头的力学性能不均匀对焊缝附近母材金属的断裂韧性、裂纹扩展阻力、撕裂模量及延伸区宽度有很大的影响,裂纹离焊缝金属愈近,影响愈大;裂纹尖端的延伸区宽度和起裂韧性具有良好的关系。

力学性能不均匀焊接接头的强度预测

提出一种评价力学性能不均匀焊接接头强度的方法。从管线钢的低匹配焊接接头截取试样,进行硬度测量和拉伸试验。根据已有的材料硬度值和强度的关系,确定其屈服应力、最大载荷处的真应力和加工硬化指数。从而利用焊接接头的硬度分布,得到其对应各区域的局部材料性能。建立焊接接头的有限元模型,将焊缝和热影响区分割成小区,输入对应的材料性能参数,这样使有限元模型中能较准确反映焊接接头的力学不均匀性;进行有限元计算,得到相应焊接接头的试样的屈服强度和抗拉强度。与对应拉伸试验结果比较表明,这种预测焊接接头强度方法的精确度为±40 MPa。

焊接接头力学性能不均匀性对管道裂纹断裂参量的影响分析

以含半椭圆形裂纹的管道焊接接头为研究对象,利用ABAQUS软件实现了焊接接头材料属性的连续性,并在此基础之上模拟计算了焊接接头力学性能不均匀性对不同位置裂纹的应力应变场和J积分的影响。研究结果表明,半椭圆形裂纹中点处的应力应变值和J积分都是最大的,越靠近裂纹表面,其应力应变值越小。位于BM和HAZ的分界处的裂纹最容易开裂,位于WM和HAZ的分界处的裂纹起裂后裂纹倾向于进入焊缝金属。

焊接所致力学性能不均匀性对卷管法安装管道完整性影响

管道由于热加工影响,其焊缝处及邻域的热影响区管段材料性能将与其余管段存在差异,即管道存在力学性能不均匀性。分别采用各向同性硬化材料模型与Ramberg-Osgood材料模型,应用ABAQUS仿真模拟卷管过程,并对仿真结果进行对比,表明使用Ramberg-Osgood材料模型能够更真实地模拟管道的力学行为,获得更接近真实值的管道力学响应。基于此模型采用控制度量法研究力学性能不均匀性的影响。研究表明:管道力学性能不均匀性水平越高,对管道结构完整性造成的不良影响也越大。

材料力学性能不均匀模式对对接接头结构性能分析的影响

经历不均匀热过程影响的对接焊接接头,呈现不均匀力学性能。在对对接焊接接头疲劳等分析过程中,应考虑不均匀力学性能。根据对接焊接接头分区和力学性能分布,提出了3种对接焊接接头不均匀力学性能分布模式:二区模式、五区模式和连续化模式。采用有限元方法分析材料力学性能不均匀模式对对接焊接结构性能分析的影响。采用3种模式结合已有试验数据,建立了不同精细化程度的有限元模型并进行有限元分析。研究结果表明:分布模式对结果会产生很大的影响,模式越精细,屈服荷载、极限荷载和屈服位移、极限位移就越小;五区模式与连续化模式结果很相近,但是五区模式的计算效率比连续化模式高;所以兼顾精度与效率,优先选择五区模式。

连续材料模型焊接接头裂尖力学场分析

针对以往研究中焊接接头模型存在力学性能突变的缺点,借助有限元分析软件建立材料力学性能连续变化的焊接接头力学模型,并对所建立模型的裂尖力学场进行分析。结果表明,所采用的焊接接头力学模型更能反映焊接接头裂尖力学场与焊接接头硬度分布关系,可为分析核电含裂纹焊接接头断裂问题提供依据。

高匹配焊接接头不均匀体低周疲劳损伤研究

将高匹配的焊接接头抽象为软夹硬力学不均匀体 ,并运用材料应力幅的变化定义一个新的损伤变量 ,运用损伤力学的方法对高匹配的焊接接头力学不均匀体在低周疲劳载荷下的损伤行为进行研究。研究结果发现对于高匹配的焊接接头 ,在低周疲劳的载荷条件下 ,随着中间高强度的焊缝宽度的增加 ,焊接接头在断裂时的循环次数将下降 。

基于UMAT焊接接头力学性能连续变化的表征方法及应用

焊接接头的力学性能是影响其安全性评价的重要因素。为了能够在数值分析中准确地表征焊接接头力学性能不均匀分布规律,本工作利用有限元软件中的用户定义材料子程序(UMAT)建立了材料力学性能参数随空间坐标连续变化的焊接接头材料力学性能表征方法,解决了“三明治”焊接接头有限元模型分析中存在的材料力学性能突变问题。以高组配焊接接头为例,分析比较了含裂纹缺陷的“三明治”与连续过渡焊接接头有限元模型裂尖应力应变场分布的规律与特点。结果表明,连续过渡焊接接头有限元模型能够更为准确地表征材料力学性能不均匀分布规律,为焊接接头的力学性能分析与安全性评价提供了新的数值分析思路和方法。

应力应变、疲劳与脆断、断裂力学

采用动、静态相结合的方法对不同厚度LF16型铝合金平板(δ=5.6mm)的焊接角变形试验表明以堆焊、开坡口焊两种形式进行自动TIG焊时。

基于局部应变法的焊接微区低周疲劳性能

针对忽略焊接力学不均匀性的名义应变法评价焊接接头低周疲劳性能不准确的问题,提出一种考虑焊接接头力学不均匀性、基于弹塑性有限元计算的局部应变法,对焊接接头的低周疲劳性能进行准确评价.通过耐热钢电弧焊接头光滑试样和焊缝光滑试样的低周疲劳试验,以及焊接接头光滑试样在加载过程中的弹塑性有限元计算,采用名义应变法和局部应变法分别对耐热钢电弧焊接头光滑试样进行低周疲劳性能评价.结果表明,耐热钢电弧焊接头在低周疲劳载荷下断裂于焊缝区域.采用名义应变法评价该焊接接头时,结果偏保守.由于局部应变法考虑了焊接接头的力学不均匀性,基于断裂微区的局部应变进行疲劳性能评价,发现采用局部应变法得到的焊接接头应变—寿命曲线与断裂微区焊缝的应变—寿命曲线一致.

基于纳米压痕技术的Ti2AlNb焊接接头力学性能

焊接热过程产生的组织及相变会改变材料的力学性能,使接头不同微区之间产生力学性能不均匀性,对接头的破坏行为有重要影响。为获得Ti 2AlNb基合金电子束焊接头不同区域的力学性能,采用纳米压痕技术,通过对压头压入材料表面过程的有限元模拟,建立了压痕响应与焊接接头材料本构关系参数之间的无量纲函数,构建了一种逆向获得材料微区弹塑性本构关系的新方法。基于该方法反演获得了Ti 2AlNb电子束焊接头不同微区的本构关系参数及其分布,分析了组织变化对接头微区性能的影响及接头的弱化区间。