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HTS-A钢对接接头的双轴低周疲劳寿命研究

作　者: 周宏飞
导　师: 严仁军
学　校: 武汉理工大学
专　业: 船舶与海洋结构物设计制造
关键词: 双轴疲劳萌生寿命扩展寿命焊接接头低周疲劳试验
分类号: U661.4
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
下　载: 66次
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内容摘要

工程中,焊接结构通常承受复杂的多轴循环载荷作用,焊缝区通常是疲劳失效的热点区域。因此研究焊接结构在复杂应力应变状态下的多轴疲劳更加具有实际意义。潜艇锥柱结合壳焊缝区是潜艇疲劳破坏的热点,该区受力状态为沿潜艇纵向的弯曲应力、纵向压应力和环向压应力等复杂比例循环应力。本文结合实际结构复杂的受力情况,在不考虑纵向压应力的前提下研究HTS-A钢对接接头在纵向弯曲、垂向受压循环比例加载状态下的双轴疲劳寿命。在研究中,将疲劳寿命分为工程意义上的裂纹萌生寿命和裂纹扩展寿命,并分别从试验和理论分析两方面研究了HTS-A钢对接接头的疲劳寿命。采用35mm厚HTS-A钢对接焊接试件分别进行纵向弯曲单轴疲劳试验,纵向受弯和垂向受压双轴疲劳试验。MTS四通道结构加载试验与分析系统和本课题组自行设计的多向疲劳加载工装,可实现单向疲劳循环加载和多向疲劳循环加载。由于试验设备和工装的复杂性,国内外尚无该双轴疲劳试验的报道,本次试验研究属国内首创。试验过程中提出了“试剂观测法”和“锈迹勾线法”,分别适用于监测初始裂纹的产生和追踪疲劳裂纹形貌的扩展,由于对传统方法做了一定的改进,因此更加具有实用性。本次试验得到了对接接头弯曲单轴疲劳和压弯双轴疲劳的断口形式和疲劳寿命。试验结果表明,工程意义上的疲劳裂纹萌生寿命是不可忽略的。垂向循环压力载荷缩短了试件的疲劳寿命,加快了试件的疲劳破坏。另外,垂向循环载荷对萌生寿命的影响大于对扩展寿命的影响。随着垂向压应力和纵向弯曲应力比的增大,扩展寿命所占总寿命的百分比越来越大,而萌生寿命所占总寿命的百分比则越来越小。在估算裂纹萌生寿命时,通过有限元软件ANSYS分析试件在单轴加载状态下的应力集中系数,采用多轴Neuber法计算双轴加载状态下的局部应力应变和循环应力应变幅；结合不同的应变一寿命模型计算疲劳裂纹萌生寿命,并考虑平均应力和残余应力的影响。与试验结果对比,认为采用临界平面法估算对接接头在纵向受弯和垂向受压循环加载状态下的疲劳裂纹萌生寿命较为准确。而且对比发现,估算焊接试件的疲劳萌生寿命时考虑平均应力和残余应力的影响是有必要的。在估算裂纹扩展寿命时,由于双轴疲劳试验中试件断口形式是以Ⅱ型裂纹为主导的Ⅰ型／Ⅱ型混合型裂纹,因此本文基于最大剪切面上的剪应力和法向应力提出一种新的等效应力强度因子幅。该应力强度因子幅考虑了裂纹扩展中最大剪切面上剪切力的主导作用和法向应力的副作用,具有一定的物理意义。在疲劳裂纹扩展寿命估算时,采用新的等效方法计算应力强度因子幅,并结合单轴弯曲疲劳的Paris公式进行计算。当取合适的材料参数时估算结果比较理想,并且估算结果随着双轴应力比的变化,反应出的结果趋势也与试验较为接近,说明该方法具有一定的实用性。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-10
第1章绪论  10-18
  1.1 选题背景  10
  1.2 疲劳研究的发展  10-12
  1.3 疲劳破坏机理  12-13
  1.4 焊接接头疲劳失效特点  13-15
  1.5 焊接接头的疲劳寿命研究方法  15-17
  1.6 本文的主要工作  17-18
第2章多轴疲劳寿命研究理论  18-32
  2.1 疲劳寿命阶段划分  18-19
  2.2 多轴疲劳裂纹萌生寿命估算方法  19-27
    2.2.1 基于应力的多轴疲劳寿命估算方法  19-21
    2.2.2 基于应变的多轴疲劳寿命估算方法  21-24
    2.2.3 基于能量的多轴疲劳寿命估算方法  24-27
  2.3 多轴疲劳裂纹扩展寿命估算方法  27-31
    2.3.1 疲劳裂纹扩展的一般规律  27-28
    2.3.2 疲劳裂纹扩展速率表达式  28-29
    2.3.3 裂纹尖端的应力强度因子  29-31
  2.4 本章小结  31-32
第3章对接接头的疲劳试验研究  32-48
  3.1 试件形式与试验工装  32-34
    3.1.1 试件形式  32-33
    3.1.2 试验工装  33-34
  3.2 单轴疲劳试验  34-40
    3.2.1 试验方法  34-35
    3.2.2 试验结果与分析  35-40
    3.2.3 结论  40
  3.3 双轴疲劳试验  40-47
    3.3.1 试验方法  40
    3.3.2 试验结果与分析  40-47
    3.3.3 结论  47
  3.4 本章小结  47-48
第4章对接接头双轴疲劳萌生寿命估算  48-60
  4.1 焊趾处应力应变状态分析  48-55
    4.1.1 单轴应力集中系数  49-51
    4.1.2 单轴疲劳缺口系数  51-53
    4.1.3 局部应力应变分析  53-55
  4.2 双轴疲劳萌生寿命估算  55-59
    4.2.1 基于最大主应变幅的估算方法  56
    4.2.2 基于Mises屈服准则的估算方法  56
    4.2.3 基于最大剪应变屈服理论的估算方法  56-57
    4.2.4 基于应变的临界面法  57-58
    4.2.5 估算结果与讨论  58-59
  4.3 本章小结  59-60
第5章对接接头双轴疲劳扩展寿命估算  60-64
  5.1 双轴裂纹扩展分析  60-61
  5.2 双轴疲劳裂纹扩展寿命估算  61-63
    5.2.1 应力强度因子幅  61-62
    5.2.2 估算结果与分析  62-63
  5.3 本章小结  63-64
第6章总结和展望  64-66
  6.1 总结  64-65
  6.2 展望  65-66
致谢  66-67
参考文献  67-70
攻读硕士学位期间发表的论文  70

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