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《焊缝形状参数的统计波动对焊趾疲劳裂纹lefm有效限的影响》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在应用文档-天天文库。
1、焊缝形状参数的统计波动对焊趾疲劳裂纹LEFM有效限的影响王立君(天津大学,300072)张彦华(北京航空航天大学,100083)α摘要本文以16Mn钢焊接加筋板细节为例,研究了实际焊缝形状参数的统计波动对焊趾疲劳裂纹扩展的LEFM有效限的影响。研究表明焊缝几何形状不佳使LEFM的有效限提高,且这一影响有随循环载荷比的增大而增大的趋势。关键词焊接接头,疲劳裂纹扩展,线弹性断裂力学。1前言在现代疲劳设计与缺陷评定规范1,2中,Paris公式被推荐用以估算钢结构上焊接细节的疲劳剩余寿命Np,即acdaNp=∫a(1)C(∃K)mi式(1)中的ai代表焊接类裂纹型缺陷3或初始疲劳裂纹的尺寸,其可取值
2、的下限由线弹性断(LEFM)要求的小范围屈服条件确定。但长期以来,当用式(1)估算实际焊接细节裂力学在ai的确定上不仅缺乏根据,表现出一定的随意性(例如取ai=0125mm4),的剩余寿命时,而且从未考虑过实际的焊接环境对ai可取值的下限,也即LEFM有效限的影响。由于近年的的扩展行为,因此合理地确研究表明式(1)不能正确描述缺口区内“短”疲劳裂纹非LEFM定焊接细节上焊趾疲劳裂纹LEFM的有效限并研究实际焊缝形状参数的统计波动对它的影响,对于完善焊接细节疲劳剩余寿命的工程估算方法,无疑具有现实的理论意义和直接的工程应用价值。本文研究了焊趾疲劳裂纹的LEFM有效限,并以16Mn钢焊接加筋板细
3、节(见图2)为例,重点讨论了实际焊缝形状参数的统计波动对它的综合影响。2焊趾疲劳裂纹的LEFM有效限211一般表达设rpc为焊趾疲劳裂纹扩展路径上的裂尖循环塑性区尺寸,则LEFM要求的小范围屈服α本文于1996年2月1日收到第1次稿,1996年9月16日收到修改稿条件为:rpc/a≤Ε式中a代表焊趾疲劳裂纹的深度尺寸(见图2),Ε为一按精度要求给定的微量。(2)由于弹塑性材料一般具有幂硬化的循环Ρ～Ε关系5,因此若用Ρyc和n′分别代表裂尖材料的循环屈服强度和循环应变硬化指数,则基于文献6应变状态的裂尖循环塑性区尺寸,即的研究,可得循环加载条件下,平面〔∃K/(2FΡyc)〕2(3)rpc=
4、Π(1+n′)式中的F=2为塑性约束系数。2就焊接细节而言,驱动焊趾疲劳裂纹向深度方向扩展的表达式为7(见图2)的应力强度因子范围∃KFS•FT•FG∃S(4)∃K=Πa50式中的FS、FT和FG分别为自由表面、有限厚度和应力梯度修正因子;50为第二类完全椭圆积分;∃S为循环名义应力范围。将式(4)和式(3)代入式(2)可得焊趾疲劳裂纹扩展的LEFM有效限,即∃S≤FΕ(1+n′)(5)2ΡycFS•FT•FG50式(5)中的修正项FS·FT随无量纲裂纹深度a/T50(见图2)的变化如图1所示。由图1可见,当焊趾表面裂纹的形状比a/2c>012时,a/T的变化对FS·FT的影响很小,在裂纹扩
5、展的早期a/T<(50015)尤其如此。在这种情况下(即处理手工焊缝的焊趾裂纹时),实用上为求简化可取FS·FT为1。而50对于a/2T→0的情况(一般对应在自动焊缝区形成FS·FT可表示为8的单边焊趾裂纹),50FS•FT(a)(a)2=1.122-0.231+10.5550T-21.7(a)3+33.19(a)4TTT用叠加法9可导出式(5)中应力梯度修正因子FG的封闭解,即2a()/SΡxΠ∫0(6)FG=dxa2-x2图1FS·FT/50与a/T的关系7RelationshipbetweenFS·FT/50anda/T7式中的Ρ(x)为疲劳裂纹成核点处,趾弹性应力分布(见图2)。若设
6、10裂纹启裂前的焊Fig114Ρ(x)/S=(x/T)-Α∑Βi(x/T)i(7)i=0则可由式(6)导出4FG=(a/T)-Α∑ΒiΓi(a/T)i(8)i=0式(8)中的Α与焊缝实际形状有关,是反映焊趾应力场畸变程度的参数,Β是常数#(i-Α+1)122Γi=(9)•#(i-Α+Π1)2式中的#(·)为Gamma函数。由式(5)和式(8)可见,焊趾疲劳裂纹扩展的LEFM有效限不仅与外载条件和裂尖材料的循环性质有关,而且还受焊接工艺和焊缝形状变化的影响。212加筋板细节的表达在实际的焊接细节上,焊趾疲劳裂纹成核的位置及相应的焊缝形状参数均具有不确定性11。由于式(8)中的参数Α与焊缝实际形
7、状有关,因而FG事实上是无量纲裂纹深度a/T的随机函数。为能定量反映实际焊缝形状参数的统计波动对焊趾疲劳裂纹LEFM有效限的影图2焊接加筋板细节Fig12Weldedstiffenerdetail响,以焊接加筋板细节为例(见图2),取(l1/T)Κ1•(l2/T)Κ2Α=Κ0(10)(Θ/T)Κ3•(Η/180)Κ4将反映焊趾应力场畸变程度的参数Α与疲劳裂纹成核点处的角焊缝形状参数焊趾曲率半径Θ,焊趾角Η和焊
