基于残余应力场分析的焊接钢结构疲劳强度预测理论分析

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1、1．1引言第一章绪论弟一早三百下匕钢结构因其自重轻、强度大、工业化程度高、节能环保和优良的抗震性能等诸多优点而广泛应用于建筑、桥梁、机械、石化、海洋工程等各个领域。从某种意义上来说，钢结构的应用程度也直接反映了一个国家的综合经济实力和技术水平，因此也得以率先在西方发达国家和地区推广。经过一个多世纪的发展，并逐渐成为顺应时代发展趋势的高效结构体系。随着我国工业的快速发展和新技术的不断出现，中国的钢铁行业迅猛发展。为钢结构的应用创造了极为有利的发展环境。从发展钢结构的主要物质基础来看，自1996年开始我国钢的总产量就已超过l亿吨，居世界首位。2000年后更是进入高速发展期

2、。2009年中国的钢产量达到5．678亿吨，占世界钢产量的近五成。而且随着钢材产量和质量持续提高，其价格正逐步下降，钢结构的造价也相应有较大幅度的降低。特别是国家对可持续发展观认识的深化和绿色节能环保理念的推行，钢结构绿色节能的优势使其在我国的工业发展中呈现出广阔的应用前景。焊接是现代钢结构的主要连接方式。世界主要工业国家每年生产的焊接钢结构约占钢产量的45％左右。相比于传统的铆钉连接和螺栓连接，焊接具有不削弱构件截面、刚度大、构造简单、节约钢材、制造加工方便、密封性能好等优点。已成为现代工业不可分离的组成部分，并且在航空工业、造船业中等诸多行业中被视为关键的制造技术

3、。随着工业的发展，许多设备日益向着高参数、大体积、长服役期、大型化或微型化方向发展，因而必须解决一些具有特殊性能材料的连接问题。如高强钢、超高强钢、不锈钢、高温合金、铝合金、钛合金、异种金属以及金属与非金属的连接。传统的连接方式已不能满足需要。这也势必对焊接技术提出了更高的要求，推动焊接技术、焊接设备、焊接材料等各方面向前发展。而焊接技术的飞速发展也让这一连接技术成为未来钢结构连接的主要发展趋势。焊接钢结构的广泛应用为人类的日常生活提供了便利，创造了极大地社会效益。然而，因焊接钢结构失效而引发的事故屡见不鲜【2，3】，从而产生灾难性的后果，给人们的生命财产安全造成了极

4、大的威胁。疲劳破坏是焊接钢结构最主要的破坏方式。据不完全统计，在焊接钢结构的失效中，有70％-90％是由于焊接接头的疲劳断裂造成的14’引。即便是最近几年，国内外焊接钢结构因疲劳问题而失效的工程事例依然有增无减。焊接钢结构疲劳破坏的原因主要有这几个方面：首先，焊接接头的静载承受能力一般不低于母材，在承受交变载荷时，其承受能力却远远低于母材，而且与焊接接头类型和焊接结构形式有密切关系，这是引起一些焊接结构过早疲劳失效的一个主要因素；其二，早期的焊接结构设计以静载强度设计为主，没有考虑抗疲劳设计，以至于出现了许多现在看来不合理的焊接接头；其三，焊接结构日益广泛，在设计和制

5、造过程中人为盲目追求结构的低成本和轻量化，导致焊接结构的设计载荷越来越大。且焊接结构有往高速重载方向发展的趋势，对焊接结构承受动载能力的要求越来越高，而焊接结构疲劳强度方面的科研水平则相对滞后。因此，了解焊接钢结构疲劳强度的特点，正确设计焊接钢结构，采用更加合理的评定方法，研究焊接钢结构的疲劳性质对确保焊接钢结构在使用寿命期内的安全性至关重要。关于焊接钢结构疲劳强度的研究一直受到国内外学者和工程技术人员的普遍关注，并就此进行了大量的研究，并取得了许多有意义的成果。根据焊接钢结构疲劳强度的研究结果表明，焊接钢结构的疲劳性能与焊接钢构件的几何形式、荷载形式、焊缝的局部尺寸

6、、应力比、焊接残余应力等诸多因素有关。使得焊接钢结构疲劳强度的理论研究变得非常复杂。目前，工程上常采用试验方法来获取焊接钢结构疲劳断裂数据的方法费时费力，且很难将影响焊接钢结构疲劳性能的诸多因素考虑在内。由于钢构件在焊接加工过程中产生的残余应力在大多数情况下表现出了很大的危害作用，可能致使工程钢构件的疲劳强度降低和造成应力腐蚀，甚至脆性断裂。由于残余应力的松弛，诱导钢构件产生变形，从而影响构件的尺寸精度。基于以上因素，对含有残余应力的钢构件进行准确和可靠的疲劳强度评估显得十分必要。因此，本文通过数值模拟计算焊接钢结构的三维残余应力场，在此基础上建立焊接钢结构疲劳强度预

7、测的理论与方法，不仅具有重要的理论意义，而且对工程应用有实用价值。为此，本文选定基于残余应力场分析的焊接钢结构疲劳强预测理论研究为研究课题。该研究项目得到了国家自然科学基金(50578018)、湖南省优秀博士论文科研项目“桥梁焊接结构疲劳强度的局部法研究"的资助。1．2焊接残余应力分析的国内外研究进展由于焊接过程和焊接钢构件的复杂性，在实际生产中对焊接残余应力的变化规律往往还是认识不足和难以掌握，至今在许多情况下仍然是凭经验来评估，因此往往难以达到产品的精度和性能的要求。多年来国内外学者和专家对焊接变形和残余应力进行了大量的研究，并取得了不少研究成果