江苏科技大学---耐压壳体焊接裂纹的疲劳断裂有限元分析.pdf

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1、2003年MSC.Software中国用户论文集耐压壳体焊接裂纹的疲劳断裂有限元分析李良碧王自力华东船舶工业学院-1-2003年MSC.Software中国用户论文集耐压壳体焊接裂纹的疲劳断裂有限元分析WeldedMSC.FatigueCrackofPressureHullFiniteElementAnalysis李良碧王自力(华东船舶工业学院)摘要:本文用有限元软件对耐压壳体焊接裂纹进行了应力、疲劳寿命和容限尺寸分析，得到了具有工程应用价值的结论。关键词:耐压壳体疲劳断裂MSC.FatigueAbst

2、ract:Applyingthetheoryoffiniteelementanalysis,thepaperisanalyzedweldedFatiguecrackofpressurehullandgotthestressandFatiguelifedrawofthepressurehull.Theallowablesizeofthepressurehullandsomeconclusionsofengine-appliedvaluecanbeobtained.Keywords:pressurehull

3、，Fatiguecrack，MSC.Fatigue1引言目前许多大型设备及装置采用新的高强度钢来制造耐压结构，但高强度钢的承载能力增加并不意味着疲劳强度的增加。用传统的“安全设计观点”无法解释发生产生脆断事故的原因，因为事故往往发生在断裂应力远远低于材料的屈服应力σs，甚至低于许用应力[]σ=σsn的情况下。而且过去认为强度很好的结构，如采用高强度钢材料的结构，反而易于发生低应力脆断事故。从大量断裂事故分析中发现，断裂皆与结构中存在的缺陷和裂纹有关。若壳体的主应力是受压的，在圆柱壳的焊接结合处，由于几何

4、形状的变化，在该处产生应力集中，在应力集中的焊缝区因而成为耐压壳体疲劳的热点区域。本文选择了高强度钢应力集中处壳体焊接疲劳裂纹扩展寿命为研究对象，进行计算分析，探讨在疲劳热点处有初始裂纹情况下的结构疲劳破坏机理。2断裂力学分析方法2.1应力强度因子幅值∆K的确定方法Ι-2-2003年MSC.Software中国用户论文集对于疲劳裂纹扩展速率的研究，主要在于寻求裂纹扩展速率与有关各种力学参量之间的数学表达式。如果在应力循环∆N次之后，裂纹扩展量为∆a，则应力每循环一周，裂纹∆ada扩展为（mm/周），这称

5、为“裂纹扩展速率”，在极限条件下，用微分表之。在单轴∆NdN循环交变应力下，垂直于应力方向的裂纹扩展速率，一般可成以下形式。da=f(σ,a,c)（1-1）dNdaN为应力循环次数，σ为正应力，a为裂纹长度，c为与材料有关的常数。裂纹扩展速率dN是σ、a和c的函数。da在高周恒幅载荷下，将试测得的数据经过整理画在lg−lg∆K坐标系中，得到如1dN图1所示的曲线。这条曲线大致可以划分为三个阶段。在第I阶段内，应力强度因子幅度∆K值小于某一界面限值∆K时，裂纹1th基本上不扩展。该界限值∆K称为裂纹扩th

6、展的门槛值。随着∆K继续增大，当1∆K>∆K，裂纹开始扩展到直线与曲线1thdapppppp图1lg−lg∆K关系图的转折点B1，这时裂纹扩展进入第II区域。1dNda在这一阶段，一般认为lg−lg∆K关系是一条直线。这是一个研究得最广泛、最深入的1dNda区域，也是最重要的裂纹扩展区域。描述这一阶段的表达式有数十个之多，其中最简单dN用得最广泛的是Paris提出的表达式：da()m=C∆K（1-2）IdN（1-2）式中C和m是与试验条件（环境、频率、温度和应力比R等）有关的材料常数，∆K1为应力强度因

7、子幅度，其定义为：∆K=K−K=ασπa−ασπa（1-3）IImaxIminmaxmin式中σ、σ——名义应力的最大和最小值（裂纹位置上按无裂纹计算的应力）；maxmina——裂纹尺寸；α——形状系数（与裂纹大小、位置等有关）。-3-2003年MSC.Software中国用户论文集当应力强度因子幅度∆K再继续增大，超过第II区域的转折点B2而进入第Ⅲ阶段，1这时的K已接近材料的断裂韧性K（或K），裂纹扩展速率将急剧增快直至断裂。ImaxICC2.2焊接裂纹疲劳寿命的确定含有裂纹构件的寿命，是由疲劳裂纹

8、扩展速率所决定的。这个寿命可通过断裂力学方法进行估算。首先通过无损探伤技术，确定初始裂纹的尺寸、形状、位置和取向。再根据材料的断裂韧性K或临界裂纹张开位移δ确定构件的临界裂纹尺寸a，然后根据裂纹扩展速ICCc率的表达式计算从初始裂纹尺寸a到a所需的循环次数，即将疲劳裂纹扩展速率的表达式0c进行积分，得到恒应力幅值下含裂纹构件的剩余寿命。当然对于精确地估算还要考虑温度、环境介质、加载频率及过载的影响。Paris公式的表达方法是：dam=C()