【摘要】：地震發(fā)生時(shí),鋼結(jié)構(gòu)焊接節(jié)點(diǎn)的焊縫處承受極大的交變載荷作用,可能產(chǎn)生疲勞裂紋,進(jìn)而造成結(jié)構(gòu)焊接節(jié)點(diǎn)的破壞,此時(shí)材料的主要失效形式為高應(yīng)變低周疲勞損傷和斷裂。因此,為避免鋼結(jié)構(gòu)焊接節(jié)點(diǎn)疲勞損傷破壞,有必要對(duì)鋼構(gòu)件焊縫的低周疲勞破壞機(jī)理與疲勞壽命預(yù)測(cè)方法開展深入研究。本文以工程中常用的平板對(duì)接焊構(gòu)件為研究對(duì)象,首先對(duì)焊接構(gòu)件疲勞斷裂理論和裂紋擴(kuò)展的Paris公式進(jìn)行闡述。運(yùn)用高精度、高像素的顯微測(cè)量?jī)x觀測(cè)平板對(duì)接焊構(gòu)件低周疲勞加載過(guò)程中焊接節(jié)點(diǎn)區(qū)的疲勞裂紋出現(xiàn)及開展情況,結(jié)合金屬焊接結(jié)構(gòu)的疲勞斷裂理論,定性分析了平板對(duì)接焊構(gòu)件焊接節(jié)點(diǎn)區(qū)在低周往復(fù)荷載下疲勞裂紋的演化規(guī)律。試驗(yàn)研究表明;在近門檻擴(kuò)展階段,疲勞裂紋的擴(kuò)展速率很小;在高速擴(kuò)展區(qū),裂紋擴(kuò)展速率升高;當(dāng)疲勞循環(huán)的最大應(yīng)力強(qiáng)度接近材料的破壞臨界值時(shí),裂紋擴(kuò)展速率急劇增加,最終主裂紋貫通導(dǎo)致構(gòu)件斷裂。對(duì)不同形式的Q345平板對(duì)接焊構(gòu)件開展等幅高應(yīng)變低周疲勞試驗(yàn)研究,加載過(guò)程中通過(guò)三維數(shù)字圖像相關(guān)方法(3D-DIC系統(tǒng))對(duì)試件焊縫及其熱影響區(qū)在疲勞加載全過(guò)程中的應(yīng)變值進(jìn)行測(cè)量。采用傳統(tǒng)應(yīng)變數(shù)據(jù)采集TDS方法與3D-DIC系統(tǒng)采集的應(yīng)變數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì),結(jié)果表明13個(gè)試件兩種試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集方法的數(shù)值相差均小于15%,可見3D-DIC系統(tǒng)可有效地對(duì)本文研究的平板對(duì)接焊構(gòu)件進(jìn)行應(yīng)變數(shù)據(jù)采集。試驗(yàn)研究表明,隨著低周疲勞加載圈數(shù)的增多,試件焊縫區(qū)的應(yīng)變數(shù)值明顯高于其他位置,最終所有試件的疲勞破壞均出現(xiàn)在焊縫處。不同組試件對(duì)比表明,自動(dòng)焊縫的低周疲勞性能優(yōu)于人工焊縫,等厚試件由于不會(huì)過(guò)早發(fā)生失穩(wěn),其低周疲勞性能優(yōu)于局部厚度削弱的試件。焊縫材料在焊接過(guò)程中產(chǎn)生了奧氏體到馬氏體轉(zhuǎn)變,硬而脆的馬氏組織使焊縫材料得到了硬化。因此從試件的循環(huán)應(yīng)力—應(yīng)變響應(yīng)曲線上看,焊縫在低周循環(huán)加載過(guò)程中表現(xiàn)出一定的循環(huán)軟化特征。試件的力—位移滯回曲線偏向受拉側(cè),焊縫金屬在循環(huán)過(guò)程中呈現(xiàn)明顯的拉壓塑性應(yīng)變不對(duì)稱性,該現(xiàn)象表現(xiàn)出材料的包辛格效應(yīng)。在基于平板對(duì)接焊構(gòu)件疲勞性能試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上,根據(jù)損傷力學(xué)的基本理論推導(dǎo)了基于連續(xù)介質(zhì)損傷力學(xué)的低周疲勞壽命模型,該模型與13個(gè)Q345平板對(duì)接焊構(gòu)件的低周疲勞試驗(yàn)結(jié)果吻合良好。在相同疲勞應(yīng)變幅下,Manson-Coffin方程法和本文模型計(jì)算得到的低周疲勞壽命非常接近,而修正的通用斜率法和彈塑性缺口應(yīng)力應(yīng)變法由于推導(dǎo)模型本身的缺陷,精度相對(duì)較差。本文建立的模型所需參數(shù)均為材料疲勞分析的基本參數(shù),通過(guò)材料低周疲勞性能試驗(yàn)即可獲得,具有很高的適用性和可行性。
【圖文】：

構(gòu)中的非均勻應(yīng)力分布情況，為此需要對(duì)結(jié)構(gòu)中的應(yīng)力進(jìn)行詳細(xì)計(jì)算。一般而言，熱點(diǎn)應(yīng)力只有在結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中較大的情況才適合作為疲勞強(qiáng)度評(píng)定參數(shù)，例如熱點(diǎn)應(yīng)力集中系數(shù)達(dá) 10~20 的管節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)。熱點(diǎn)法的兩個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題是如何計(jì)算焊接結(jié)構(gòu)接頭處的幾何應(yīng)力，即怎樣獲得熱點(diǎn)應(yīng)力和怎樣獲得“熱點(diǎn)”對(duì)應(yīng)的 S-N 曲線。結(jié)構(gòu)應(yīng)力的最大值稱為“熱點(diǎn)應(yīng)力”，“熱點(diǎn)”一詞表明最大結(jié)構(gòu)應(yīng)力循環(huán)載荷的局部熱效應(yīng)，多數(shù)情況下的結(jié)構(gòu)應(yīng)力為熱點(diǎn)處的表面應(yīng)力（不考慮缺口效應(yīng)）。缺口應(yīng)力評(píng)定方法和斷裂力學(xué)評(píng)定方法又稱局部法，這種分析方法是名義應(yīng)力和結(jié)構(gòu)應(yīng)力評(píng)定方法的發(fā)展和延伸。比較而言，名義應(yīng)力法又稱為“整體法”，而結(jié)構(gòu)應(yīng)力法是整體法與局部法之間的過(guò)渡。這種方法的基本原理認(rèn)為焊接接頭的疲勞破壞都是從應(yīng)力集中處的最大應(yīng)力處開始的，局部循環(huán)載荷是疲勞裂紋萌生和擴(kuò)展的先決條件，，只要局部循環(huán)參量相同，就具有相同的疲勞性能。這樣采用應(yīng)力集中區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)的“局部參量”作為疲勞斷裂的控制參量，建立具有普遍適用性的“局部參量”與循環(huán)次數(shù)之間的關(guān)系。圖 1-1 表示了結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度評(píng)定的整體法和局部法遞進(jìn)關(guān)系。

東南大學(xué)碩士學(xué)位論文2-1 所示，疲勞裂紋萌生的主要部位如圖 2-2 所示。在熔焊對(duì)接接頭中，焊縫與母材的過(guò)渡處（焊趾）會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中，焊趾是焊接接頭中的典型缺口。現(xiàn)有研究表明，對(duì)接頭的應(yīng)力集中大小程度主要取決于焊縫余高和焊縫母材的過(guò)渡半徑以及夾角，增加高和減小過(guò)渡半徑在一定程度上都會(huì)使應(yīng)力集中增加。因此本課題在研究過(guò)程中，將縫突出部分磨平使得焊縫余高為零，同時(shí)盡可能使焊縫過(guò)渡部分平滑，從而降低應(yīng)力中的影響。
【學(xué)位授予單位】：東南大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TU391

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本文編號(hào)：2605443