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基于约束效应的焊接接头强度失配的研究及应用

李光志  
【摘要】: 焊接接头中的不均匀性因素普遍存在,而且也十分复杂。其中焊缝与母材的强度失配这一因素,对焊接接头裂纹尖端应力场和断裂韧性有着重要的影响。而由于焊接方法本身的原因,极易在焊接接头处出现焊接缺陷,导致焊接接头成为焊接结构断裂的薄弱环节,许多焊接结构的断裂都是源于此处。因此,研究强度失配对焊接接头断裂的影响,具有重要的实际意义。本文基于几何约束,对强度失配的影响进行了深入的分析,基于均匀材料中描述几何约束的J-A_2三项解,得到了预测焊接接头裂纹尖端应力场的J-A_2-A_(2m)公式,并通过有限元方法验证J-A_2-A_(2m)公式预测的裂纹尖端应力场,同时将其应用于焊接接头的J-R阻力曲线的修正来对J-A_2-A_(2m)公式进行试验验证。 首先,对J-A_2三项解的适用性和适用范围进行分析,并将J-A_2三项解预测的裂纹尖端应力场和有限元解进行对比。 然后,结合J-A_2三项解,建立了超,欠匹配无几何约束和等匹配有几何约束情况下的修正边界层有限元模型,对多种荷载下裂纹尖端附近区域张开应力进行了计算分析,作出了超匹配,等匹配情况下裂纹尖端应力随荷载的变化图。在研究了这两种情况下应力随荷载变化图之间的关系之后,对于超匹配情况得出了一个新的刻画强度失配对裂纹尖端应力场影响大小的参量A_(2m)。对于一般试样即几何约束和失配约束都存在的情况,在分析了失配约束参量A_(2m)和几何约束参量A_2之间的关系后,建立了预测焊接接头裂纹尖端应力场的J-A_2-A_(2m)公式。 为了验证J-A_2-A_(2m)公式预测的裂纹尖端应力场,建立了一个三点弯试样的有限元模型,并将三点弯试样的有限元解和公式J-A_2-A_(2m)预测结果进行对比,分析公式的适用范围和误差。 由于几何约束和失配约束不同,因此标准焊接试样的J-R阻力曲线并不能代替实际焊接构件的J-R阻力曲线。为了获得较接近构件实际的J-R阻力曲线,同时用试验结果验证J-A_2-A_(2m)公式,本文最后利用J-A_2-A_(2m)公式对J-R阻力曲线进行修正来考虑约束效应的影响。并将预测结果与该材料试验结果进行对比,验证修正曲线结果的有效性。 与前人的预测方法相比,本文的J-A_2-A_(2m)公式方法在描述裂纹尖端应力场时更加准确,而且适用范围更大,在小范围屈服,大范围屈服下均适用,而且,J-A_2-A_(2m)公式对焊接构件的J-R阻力曲线的修正结果也证明J-A_2-A_(2m)公式是一个有效的衡量失配约束和几何约束的方法,可以应用于工程实际中。


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