HTS-A钢对接接头双轴低周疲劳萌生寿命研究.pdf

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1、55卷第2期(总第209期)中国造船、，01．55No．2(SerialNo．209)2014年6月SHIPBUILDINGOFCHINAJun．2014文章编号：10004882(2014)02．0058．09HTS．A钢对接接头双轴低周疲劳萌生寿命研究周宏飞，严仁军(1．中国舰船研究设计中心，武汉，4300642．武汉理工大学交通学院，武汉，430063)摘要焊接接头在垂向受压和纵向受弯组合循环应力状态下的低周裂纹萌生寿命估算工作分为两部分：焊趾处(循环)应力应变状态分析和应变寿命估算模型选择。用疲劳缺口系数

2、代替应力集中系数这样的修正多轴Neuber法来分析焊趾处的应力应变状态。用四种应变寿命估算模型计算了平板对接接头在不同载荷比下的疲劳萌生寿命，并与试验进行了对比分析。关键词：对接接头；萌生寿命；双轴疲劳；低周疲劳中图分类号：U661．43文献标识码：A0引言服役中的各种航空航天飞行器、船舶与海洋结构物、压力容器、以及其他交通运输工具中的一些主要零部件通常承受着复杂的多轴循环载荷Ⅲ。现代钢结构最容易出现疲劳断裂的地方是在焊接接头附近，因此，焊接接头在复杂应力应变情况下的疲劳特性的研究和寿命估计变得非常重要。在研究焊

3、接试件的疲劳寿命时，可将其分为裂纹萌生寿命和裂纹扩展寿命[20】。本文主要研究平板对接接头在垂向受压和纵向受弯组合循环加载状态下的裂纹萌生寿命。对接平板的尺寸和受力情况如图1所示，具体数值见表1；对接接头的几何参数如图2所示，具体数值见表2。试件在中心区域横向受到线加载，垂向均布受压(受压面积a×t=50mmx35mm)，双向比例加载，加载频率为1Hz，双向载荷幅都为0．9Jp=0．1)，正弦波加载。-0一_-——————_l————一—————————一图l平板对接接头示意图收稿日期：2013．06．06：修改

4、稿收稿日期：2014—03．1355卷第2期(总第209期)周宏飞，等：HTS—A钢对接接头双轴低周疲劳萌生寿命研究表1试件尺寸和加载状态焊接接头双轴低周疲劳裂纹萌生寿命的估算主要包括两部分工作：①确定裂纹萌生区域的应力应变状态和循环应力应变状态；②选择合理的应变．寿命估算模型。本文采用局部应力应变法来确定裂纹萌生区域的应力应变状态和循环应力应变状态：在选择应变．寿命估算模型时采用多种方法进行对比，并考虑到平均应力和残余应力的影响，从中得到一种较为合理的方法，用于估算对接接头在垂向受压和纵向受弯组合应力状态下的疲

5、劳寿命。1焊趾处应力应变状态分析对接焊接试件受到纵向弯曲和垂向受压循环载荷共同作用，在焊趾位置处于纵向拉应力和垂向压应力状态。因此，试件是处于双向应力应变作用下的疲劳，即双轴疲劳。焊趾处一点的应力状态如图3所示。图3焊趾处一点的应力状态在分析多轴应力状态下的局部应力应变时，常用的方法有三种：(1)试验法；(2)近似计算法：(3)有限元法。试验法最为直接，但限制条件多，实现较为困难，一般只作为理论研究的依据。有限元法随着计算机技术的进步得到了很大的发展，但是对于复杂结构计算量大，费用高，在使用中也受到了限制。近似计

6、算法则计算简单，比较适合工程需要，因此工程上应用最为广泛。1．1局部应力应变分析在近似计算多轴局部应力应变的各种方法中，目前被广泛采用的有多轴Neuber法和多轴ESED法[4】。本文基于多轴Neuber法来分析对接接头在双轴应力状态下的局部应力应变。多轴Neuber法是把单轴Neuber法推广到多轴应力状态，其主应力表达形式如下：60中国造船学术论文s；七s+s；=++(1)根据焊趾处一点的应力状态可知，o-z=o-x=0。因此，多轴Neuber法可表示为+毛e=()I+(2)在式(1)和式(2)中，上标e代表

7、的是完全弹性状态下相应物理量的值，上标N代表的是用Neuber法计算的相应物理量的值。再加上三个应力．应变本构关系占N1(一)+(一)(3)V～等((4)占：去(—vo-~)+()-：(一)(5)式中，()_鹎N=√()一(，_+(()-)，函数()是在单轴拉压情况下塑性应变与应力之间的本构关系。假设缺151处最大主应力应变的应变能密度与总应变能密度之比和缺口处处于完全弹性情况时最大主应力应变的应变能密度与总应变能密度之比相等，则可得焉a+3es3e=+⋯㈤式中=K，=Kt，=，E—譬，=o-；一譬。联立式(2)

8、～式(6)，可以得到双轴应力状态下的局部应力和应变。在单调载荷作用(或循环载荷第一次加载)时，式(3)中的函数()为循环应力一应变曲线中应力与塑性应变的关系：()=。pq：(or／K)“’(7)式中，兰表示塑性应变，K为循环强度系数，为循环应变硬化指数。在循环载荷作用时，式(3)中函数()为滞后环曲线中循环应力幅与塑性应变幅的关系，表示为f(Ao-eq)=△品：2(△／2