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《焊縫形狀參數(shù)的統(tǒng)計(jì)波動(dòng)對(duì)焊趾疲勞裂紋lefm有效限的影響》由會(huì)員上傳分享，免費(fèi)在線閱讀，更多相關(guān)內(nèi)容在應(yīng)用文檔-天天文庫(kù)。
1、焊縫形狀參數(shù)的統(tǒng)計(jì)波動(dòng)對(duì)焊趾疲勞裂紋LEFM有效限的影響王立君(天津大學(xué),300072)張彥華(北京航空航天大學(xué),100083)α摘要本文以16Mn鋼焊接加筋板細(xì)節(jié)為例,研究了實(shí)際焊縫形狀參數(shù)的統(tǒng)計(jì)波動(dòng)對(duì)焊趾疲勞裂紋擴(kuò)展的LEFM有效限的影響。研究表明焊縫幾何形狀不佳使LEFM的有效限提高,且這一影響有隨循環(huán)載荷比的增大而增大的趨勢(shì)。關(guān)鍵詞焊接接頭,疲勞裂紋擴(kuò)展,線彈性斷裂力學(xué)。1前言在現(xiàn)代疲勞設(shè)計(jì)與缺陷評(píng)定規(guī)范1,2中,Paris公式被推薦用以估算鋼結(jié)構(gòu)上焊接細(xì)節(jié)的疲勞剩余壽命Np,即acdaNp=∫a(1)C(?K)mi式(1)中的ai代表焊接類裂紋型缺陷3或初始疲勞裂紋的尺寸,其可取值
2、的下限由線彈性斷(LEFM)要求的小范圍屈服條件確定。但長(zhǎng)期以來(lái),當(dāng)用式(1)估算實(shí)際焊接細(xì)節(jié)裂力學(xué)在ai的確定上不僅缺乏根據(jù),表現(xiàn)出一定的隨意性(例如取ai=0125mm4),的剩余壽命時(shí),而且從未考慮過(guò)實(shí)際的焊接環(huán)境對(duì)ai可取值的下限,也即LEFM有效限的影響。由于近年的的擴(kuò)展行為,因此合理地確研究表明式(1)不能正確描述缺口區(qū)內(nèi)“短”疲勞裂紋非LEFM定焊接細(xì)節(jié)上焊趾疲勞裂紋LEFM的有效限并研究實(shí)際焊縫形狀參數(shù)的統(tǒng)計(jì)波動(dòng)對(duì)它的影響,對(duì)于完善焊接細(xì)節(jié)疲勞剩余壽命的工程估算方法,無(wú)疑具有現(xiàn)實(shí)的理論意義和直接的工程應(yīng)用價(jià)值。本文研究了焊趾疲勞裂紋的LEFM有效限,并以16Mn鋼焊接加筋板細(xì)
3、節(jié)(見(jiàn)圖2)為例,重點(diǎn)討論了實(shí)際焊縫形狀參數(shù)的統(tǒng)計(jì)波動(dòng)對(duì)它的綜合影響。2焊趾疲勞裂紋的LEFM有效限211一般表達(dá)設(shè)rpc為焊趾疲勞裂紋擴(kuò)展路徑上的裂尖循環(huán)塑性區(qū)尺寸,則LEFM要求的小范圍屈服α本文于1996年2月1日收到第1次稿,1996年9月16日收到修改稿條件為:rpc/a≤Ε式中a代表焊趾疲勞裂紋的深度尺寸(見(jiàn)圖2),Ε為一按精度要求給定的微量。(2)由于彈塑性材料一般具有冪硬化的循環(huán)Ρ～Ε關(guān)系5,因此若用Ρyc和n′分別代表裂尖材料的循環(huán)屈服強(qiáng)度和循環(huán)應(yīng)變硬化指數(shù),則基于文獻(xiàn)6應(yīng)變狀態(tài)的裂尖循環(huán)塑性區(qū)尺寸,即的研究,可得循環(huán)加載條件下,平面〔?K/(2FΡyc)〕2(3)rpc=
4、Π(1+n′)式中的F=2為塑性約束系數(shù)。2就焊接細(xì)節(jié)而言,驅(qū)動(dòng)焊趾疲勞裂紋向深度方向擴(kuò)展的表達(dá)式為7(見(jiàn)圖2)的應(yīng)力強(qiáng)度因子范圍?KFS?FT?FG?S(4)?K=Πa50式中的FS、FT和FG分別為自由表面、有限厚度和應(yīng)力梯度修正因子;50為第二類完全橢圓積分;?S為循環(huán)名義應(yīng)力范圍。將式(4)和式(3)代入式(2)可得焊趾疲勞裂紋擴(kuò)展的LEFM有效限,即?S≤FΕ(1+n′)(5)2ΡycFS?FT?FG50式(5)中的修正項(xiàng)FS·FT隨無(wú)量綱裂紋深度a/T50(見(jiàn)圖2)的變化如圖1所示。由圖1可見(jiàn),當(dāng)焊趾表面裂紋的形狀比a/2c>012時(shí),a/T的變化對(duì)FS·FT的影響很小,在裂紋擴(kuò)
5、展的早期a/T<(50015)尤其如此。在這種情況下(即處理手工焊縫的焊趾裂紋時(shí)),實(shí)用上為求簡(jiǎn)化可取FS·FT為1。而50對(duì)于a/2T→0的情況(一般對(duì)應(yīng)在自動(dòng)焊縫區(qū)形成FS·FT可表示為8的單邊焊趾裂紋),50FS?FT(a)(a)2=1.122-0.231+10.5550T-21.7(a)3+33.19(a)4TTT用疊加法9可導(dǎo)出式(5)中應(yīng)力梯度修正因子FG的封閉解,即2a()/SΡxΠ∫0(6)FG=dxa2-x2圖1FS·FT/50與a/T的關(guān)系7RelationshipbetweenFS·FT/50anda/T7式中的Ρ(x)為疲勞裂紋成核點(diǎn)處,趾彈性應(yīng)力分布(見(jiàn)圖2)。若設(shè)
6、10裂紋啟裂前的焊Fig114Ρ(x)/S=(x/T)-Α∑Βi(x/T)i(7)i=0則可由式(6)導(dǎo)出4FG=(a/T)-Α∑ΒiΓi(a/T)i(8)i=0式(8)中的Α與焊縫實(shí)際形狀有關(guān),是反映焊趾應(yīng)力場(chǎng)畸變程度的參數(shù),Β是常數(shù)#(i-Α+1)122Γi=(9)?#(i-Α+Π1)2式中的#(·)為Gamma函數(shù)。由式(5)和式(8)可見(jiàn),焊趾疲勞裂紋擴(kuò)展的LEFM有效限不僅與外載條件和裂尖材料的循環(huán)性質(zhì)有關(guān),而且還受焊接工藝和焊縫形狀變化的影響。212加筋板細(xì)節(jié)的表達(dá)在實(shí)際的焊接細(xì)節(jié)上,焊趾疲勞裂紋成核的位置及相應(yīng)的焊縫形狀參數(shù)均具有不確定性11。由于式(8)中的參數(shù)Α與焊縫實(shí)際形
7、狀有關(guān),因而FG事實(shí)上是無(wú)量綱裂紋深度a/T的隨機(jī)函數(shù)。為能定量反映實(shí)際焊縫形狀參數(shù)的統(tǒng)計(jì)波動(dòng)對(duì)焊趾疲勞裂紋LEFM有效限的影圖2焊接加筋板細(xì)節(jié)Fig12Weldedstiffenerdetail響,以焊接加筋板細(xì)節(jié)為例(見(jiàn)圖2),取(l1/T)Κ1?(l2/T)Κ2Α=Κ0(10)(Θ/T)Κ3?(Η/180)Κ4將反映焊趾應(yīng)力場(chǎng)畸變程度的參數(shù)Α與疲勞裂紋成核點(diǎn)處的角焊縫形狀參數(shù)焊趾曲率半徑Θ,焊趾角Η和焊
