焊接桥梁钢疲劳裂纹扩展行为研究

【摘要】：焊接桥梁结构中裂纹的萌生以及扩展,对桥梁结构的安全构成了重大的威胁。研究焊接结构疲劳裂纹扩展行为以及疲劳寿命的预测,可进行结构的抗疲劳设计,为结构安全使用提供重要的理论基础。本文以天兴洲公铁两用长江大桥为背景,在铁道部攻关项目”焊接结构疲劳裂纹扩展速率及其应用”的支持下,采用试验分析与有限元数值模拟相结合的方法,系统地研究14MnNbq焊接桥梁钢穿透裂纹和表面裂纹的疲劳扩展行为及寿命预测。本文的主要研究工作与成果有： (1)对14MnNbq焊接件的疲劳裂纹扩展性能进行了系统的试验研究,得到了可供实际工程抗疲劳设计的基本参数。获得了14MnNbq母材、焊接热影响区和焊缝试样在应力比R=0.05,0.25和0.50时的扩展速率曲线和裂纹扩展门槛值。通过讨论Pairs材料参数C和m与应力比R的关系,给出母材和焊接热影响区试样统一的裂纹扩展速率表达式。使用该表达式,任意应力比时的扩展速率可通过R=0时的扩展速率曲线来确定。比较母材、焊接热影响区和焊缝的扩展速率与门槛值,认为焊接热影响区(HAZ)是焊接结构疲劳裂纹扩展控制区域。这些结论对进行14MnNbq焊接桥梁钢的抗疲劳设计提供了试验依据。 (2)提出了一种由门槛值确定疲劳裂纹扩展闭合参数的方法。由门槛值以及裂纹扩展速率的试验结果,给出了母材和焊接热影响区在不同应力比时(R=0.05,0.25和0.50)的闭合参数U。使用本文方法确定的闭合参数,不同应力比的扩展速率趋于致,可较好地描述应力比R对扩展速率的影响。 (3)提出了与载荷水平有关的表面裂纹疲劳扩展速率修正函数及其估计方法。该修正函数由R=0.05时穿透裂纹和表面裂纹扩展速率的试验结果确定,可较好的预测表面裂纹在拉伸和弯曲载荷作用下,不同应力比R=0.05,0.25和0.50时的扩展速率。基于此,给出了表面裂纹疲劳扩展形状变化与寿命的分析预测。通过与大量表面裂纹的试验结果相比较,验证了本文所提出方法的可用性。这些结论为含表面裂纹焊接桥梁结构的抗疲劳设计提供了试验和理论依据。 (4)在虚拟裂纹闭合方法(VCCT)的基础上,对现有的近似裂纹前沿方法(zigzagapproximate crack front)进行了一系列的修正和改进,包括虚拟闭合面积的修正,节点张开位移的修正。本文修正方法与现有方法进行了比较,结果表明,本文方法确定的虚拟闭合面积满足几何连续假设,且使用本文方法可用来处理裂纹前沿非对称.的有限元模型。 (5)详细评价了本文修正的近似裂纹前沿方法在确定能量释放率G时的计算精度。本文修正方法适用于两种网格模型：精确网格模型和锯齿(zigzag)形网格模型。使用精确网格模型时,有限元中裂纹尖端的节点位置与实际裂纹前沿精确吻合。本文修正方法的计算结果与解析结果以及其他有限元结果吻合较好,误差较小。使用zigzag网格模型时,裂纹尖端的节点位置与实际裂纹前沿不需严格匹配。因此,可用简单的有限元模型模拟任意形状的裂纹前沿,且在计算裂纹扩展时不需要使用自适应的重新划分网格技术。局限在于,计算获得的能量释放率G呈锯齿形震荡分布。本文提出的修正方法与现有方法进行了比较,结果表明,使用本文修正方法确定的能量释放率G的计算精度高于现有近似裂纹前沿方法的结果。 (6)采用本文给出的修正的近似裂纹前沿方法,进一步研究了复杂裂纹扩展的三维有限元模拟。采用精确网格模型时,使用Paris公式计算裂纹扩展。以表面裂纹为例,给定Paris公式,可获得与试验结果吻合的形状变化和扩展寿命结果,从而验证了本文方法的有效性。采用zigzag网格模型时,使用复合断裂准则判断裂纹扩展,给出穿透裂纹,1/4椭圆形角裂纹和双头裂纹的扩展算例。结果表明,所提出的方法能有效模拟复杂裂纹的扩展过程,且计算中不需使用自适应重新划分网格技术。研究中还发现：本文所提出的方法具有快速收敛、适应不同网格密度和误差小等显著的优点。