基于焊接應(yīng)力場的高強(qiáng)鋼疲勞壽命研究

王慶豐，唐昌德，郝壽軍，李永正

(1.江蘇科技大學(xué)船舶與海洋工程學(xué)院，鎮(zhèn)江212003)

(2.江蘇韓通船舶重工有限公司，江蘇南通226000)

眾所周知，在多數(shù)焊接結(jié)構(gòu)疲勞失效的事故中，主要是由焊接接頭的殘余應(yīng)力引起的.隨著焊接技術(shù)的發(fā)展和船舶建造水平的提高，高強(qiáng)度鋼越來越多的應(yīng)用于船舶與海洋工程物的關(guān)鍵部位上.廣泛采用高強(qiáng)鋼有利于提升船舶結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，同時(shí)減小船體結(jié)構(gòu)尺寸，提高經(jīng)濟(jì)效益水平和國際競爭力.然而高強(qiáng)鋼的特點(diǎn)是屈服強(qiáng)度和極限強(qiáng)度較高，但其彈性模量并未提高，所以其疲勞強(qiáng)度并沒有顯著提升［1］.構(gòu)件尺寸變小，容易造成焊接變形以及焊接殘余應(yīng)力增大，必然會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)的疲勞壽命產(chǎn)生較大影響.

目前對(duì)疲勞壽命的研究成果中，涉及船用高強(qiáng)鋼的文獻(xiàn)并不多，更是鮮有同時(shí)考慮殘余應(yīng)力的影響［2－5］.文中以船舶結(jié)構(gòu)中的典型高強(qiáng)節(jié)點(diǎn)(如艙壁與甲板相交處)為對(duì)象，按照國標(biāo)設(shè)計(jì)T型焊接接頭疲勞試件，利用數(shù)值模擬和試驗(yàn)手段對(duì)疲勞試件的焊接殘余應(yīng)力分布規(guī)律進(jìn)行分析，并將其完整的節(jié)點(diǎn)應(yīng)力以預(yù)應(yīng)力的形式施加到疲勞計(jì)算的過程中，研究其對(duì)結(jié)構(gòu)疲勞壽命的影響.

1 殘余應(yīng)力對(duì)疲勞壽命的影響機(jī)理

圖1為極限應(yīng)力幅值σa和不同平均應(yīng)力σm表示的疲勞圖，曲線ACB代表不同平均應(yīng)力σm時(shí)的極限應(yīng)力幅值σa.當(dāng)接頭中的應(yīng)力振幅大于σa時(shí)，將發(fā)生疲勞破壞;小于σa時(shí)則是安全的.

圖1 疲勞強(qiáng)度與 σa，σm的關(guān)系［6］Fig.1 Relationship between fatigue and σa＆ σm

如果接頭中存在著殘余應(yīng)力σ0，則它將始終作用于應(yīng)力σ循環(huán)中，使整個(gè)應(yīng)力循環(huán)的應(yīng)力值偏移一個(gè)σ0值，如圖2所示.如果接頭中存在的殘余應(yīng)力σ0為正值，它將與載荷應(yīng)力相疊加，使平均應(yīng)力增加為σ0+σm，其極限應(yīng)力幅值降低到σa1(圖1)，接頭的疲勞強(qiáng)度將有所降低.如果殘余應(yīng)力為負(fù)值，使平均應(yīng)力降低為σm－σ0，其極限應(yīng)力幅值增加到σa2，接頭的疲勞強(qiáng)度將有所提高.

圖2 焊接殘余應(yīng)力對(duì)疲勞壽命的影響方式［6］Fig.2 Way residual stress influenced fatigue life［6］

2 T型焊接接頭試件有限元算例

2.1 結(jié)構(gòu)尺寸及有限元模型

根據(jù)《GB3075－2008金屬軸向疲勞試驗(yàn)方法》進(jìn)行試件設(shè)計(jì)，試件有效段寬度為31.5 mm，材料采用船用AH32鋼，其屈服強(qiáng)度σs為315 MPa，極限強(qiáng)度σb為440 MPa，彈性模量 E為2.1×105MPa.運(yùn)用ANSYS軟件對(duì)試驗(yàn)試件進(jìn)行三維建模，單元需要采用帶中間節(jié)點(diǎn)的三維熱單元SOLID90，該單元在應(yīng)力場計(jì)算過程中通過“ETCHG”命令轉(zhuǎn)化為結(jié)構(gòu)單元SOLID186.為了控制計(jì)算量，僅建立1/2結(jié)構(gòu)模型，其中對(duì)焊縫和熱影響區(qū)域進(jìn)行了網(wǎng)格細(xì)化，如圖3所示.整個(gè)模型共計(jì)單元16206個(gè)，節(jié)點(diǎn)75506個(gè).

圖3 疲勞試件有限元模型Fig.3 Finite element model of the specimen

2.2 T型焊接接頭殘余應(yīng)力有限元分析

通過采用APDL語言進(jìn)行參數(shù)化編程，運(yùn)用生死單元和載荷步技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)焊接過程的模擬.對(duì)應(yīng)實(shí)際焊接過程中出于減小焊接變形的考慮，焊縫分為2層單道焊縫，焊接結(jié)束后指定一個(gè)相當(dāng)長的時(shí)間模擬其冷卻過程，保證溫度完全冷卻至室溫.根據(jù)表1所示的焊接參數(shù)，通過APDL循環(huán)語句，編寫子程序采用移動(dòng)高斯熱源加載［7］.在應(yīng)力場分析時(shí)，為了防止焊接過程母材發(fā)生移動(dòng)，參照實(shí)際焊接過程在水平的端部約束XYZ三向位移并約束對(duì)稱面法向方向的位移，如圖4.

表1 各道焊縫焊接工藝參數(shù)Table 1 Schematic of pass sequences along with welding parameters for each pass

圖4 疲勞試件有限元模型邊界條件Fig.4 Constraint for the specimen

在焊接問題中，結(jié)構(gòu)場的產(chǎn)生是由溫度場直接導(dǎo)致的，反之，結(jié)構(gòu)場對(duì)溫度場的影響甚微，所以焊接過程的物理場是順序耦合場，可以采用間接法，讀取溫度場的結(jié)果文件對(duì)焊接過程的結(jié)構(gòu)場進(jìn)行分析.最終得到殘余應(yīng)力分布云圖(圖5)，通過后處理模塊，提取沿各個(gè)路徑的殘余應(yīng)力分布曲線(圖6－8).

圖5 焊接殘余應(yīng)力分布云圖Fig.5 Nephogram of residual stress

從應(yīng)力分布圖中可以看出，在焊接結(jié)束并進(jìn)行充分冷卻后，存在著復(fù)雜的焊接殘余應(yīng)力場，其最大的等效殘余應(yīng)力為276 MPa，達(dá)到材料屈服極限的87.6%，如此可觀的殘余應(yīng)力量級(jí)必將對(duì)結(jié)構(gòu)的疲勞壽命造成影響.

圖6為焊趾處平行于焊接方向殘余應(yīng)力σ0的分布.從圖中可以看出，沿著焊接Y方向，殘余應(yīng)力呈拋物線狀分布，靠近焊縫端部應(yīng)力較小，而在中部應(yīng)力較為集中.

圖6 焊趾處沿著焊接方向的相當(dāng)殘余應(yīng)力分布Fig.6 Distribution of residual stress along the welding toe

圖7，8為T型試件豎直和水平板上分別垂直于焊接X方向的殘余應(yīng)力分布情況，反映出在焊縫區(qū)域及熱影響區(qū)域存在較大殘余應(yīng)力，當(dāng)不斷靠近試件端部時(shí)，殘余應(yīng)力逐漸減小，然后趨于平緩，甚至由拉應(yīng)力過渡到壓應(yīng)力.

圖7 豎直板上垂直于焊接方向的各向殘余應(yīng)力分布Fig.7 Distribution of residual stress on the vertical plate

圖8 水平板上垂直于焊接方向的各向殘余應(yīng)力分布Fig.8 Distribution of residual stress on the horizontal plate

2.3 疲勞壽命分析

參照《船體結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度指南》［8］中對(duì)T型構(gòu)件S－N曲線的規(guī)定，根據(jù)式(1)計(jì)算疲勞循環(huán)次數(shù)N;按照焊接接頭類型選取計(jì)算依據(jù).

式中:A，m 為疲勞試驗(yàn)參數(shù)，A=6.319E12，m=3.

采用熱點(diǎn)應(yīng)力法對(duì)T型焊接接頭試件進(jìn)行疲勞壽命分析.焊接接頭焊縫附近的應(yīng)力梯度如圖9.t為厚度，根據(jù)距離疲勞熱點(diǎn)部位t/2和3t/2處的參考應(yīng)力，使用線性外推法得到疲勞點(diǎn)的熱點(diǎn)應(yīng)力為:

式中:σhot為熱點(diǎn)應(yīng)力，是熱點(diǎn)處的表面結(jié)構(gòu)應(yīng)力;σt/2為t/2處參考應(yīng)力;σ3t/2為3t/2處參考應(yīng)力.

圖9 焊縫附近的應(yīng)力梯度Fig.9 Stress gradients around the weld

為了在疲勞壽命計(jì)算中考慮殘余應(yīng)力的影響，借助ANSYS初應(yīng)力載荷加載方法，將焊接殘余應(yīng)力分析過程得到的結(jié)果寫入格式為IST的初應(yīng)力文件，用ISFILE命令讀入初始應(yīng)力文件，并在此基礎(chǔ)上加載拉伸載荷進(jìn)行進(jìn)一步的應(yīng)力場分析.作為對(duì)比，不考慮殘余應(yīng)力，對(duì)試件在相同載荷組作用下的疲勞壽命進(jìn)行建模分析，邊界條件及載荷施加方式分別如圖10，11.典型應(yīng)力云圖如圖12a)，各個(gè)載荷下的疲勞壽命如表2.

1)不考慮殘余應(yīng)力

根據(jù)試驗(yàn)過程中工裝的設(shè)計(jì)，對(duì)T型試件有限元模型面板端部施加三向線位移約束即ux=uy=uz=0，同時(shí)在對(duì)稱面約束其法向位移，如圖10所示.參照疲勞試驗(yàn)的載荷形式，將3組不同的疲勞載荷換算成節(jié)點(diǎn)力，施加在腹板軸孔頂部1/3圓周范圍的節(jié)點(diǎn)上，如圖11.

2)考慮殘余應(yīng)力

考慮殘余應(yīng)力時(shí)，T型試件有限元模型的邊界條件及載荷與不考慮殘余應(yīng)力時(shí)的基本一致，區(qū)別在于載荷施加時(shí)要把殘余應(yīng)力的實(shí)際情況以預(yù)應(yīng)力的形式施加到焊縫及其周圍.

圖10 有限元模型邊界條件Fig.10 Constraint for the FEM

圖11 T型試件疲勞荷載加載方式Fig.11 Fatigue loads for T-weld specimen

表2 各組T型試件熱點(diǎn)應(yīng)力值Table 2 Hot spot stress of different T-weld specimen

圖12 考慮殘余應(yīng)力T1結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖及試驗(yàn)斷裂位置Fig.12 Nephogram of specimen T1considering residual stress＆broken position of the specimen

3 T型焊接接頭試件疲勞試驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)在MTS疲勞結(jié)構(gòu)試驗(yàn)平臺(tái)上進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，采用3組T型試件，分別對(duì)應(yīng)3組不同的峰值荷載進(jìn)行正弦波加載，應(yīng)力比r為:0＜r＜1，試驗(yàn)頻率為3Hz.試驗(yàn)前通過應(yīng)變法確定試件的工作載荷，基本思路是在焊縫附近粘貼應(yīng)變片，通過對(duì)試件進(jìn)行預(yù)拉，使其應(yīng)變值分別對(duì)應(yīng)0.75σs，0.8σs及0.85σs時(shí)的應(yīng)力幅值來確定.應(yīng)變片粘貼方式如圖13.載荷及試驗(yàn)結(jié)果如表3，最終疲勞斷裂位置如圖9b).

圖13 應(yīng)變片粘貼及其編號(hào)Fig.13 Numbers for the strain gauge

表3 各組T型試件疲勞壽命［9］Table 3 Life of different T-weld specimen

4 結(jié)論

利用ANSYS APDL語言編程實(shí)現(xiàn)了T型焊接接頭試件焊接過程，得到其焊接殘余應(yīng)力的分布規(guī)律.從殘余應(yīng)力空間分布情況可知，在焊縫區(qū)和過渡區(qū)存在著復(fù)雜的應(yīng)力場，為了較準(zhǔn)確地判斷殘余應(yīng)力對(duì)疲勞壽命的影響，在疲勞壽命計(jì)算中應(yīng)當(dāng)將殘余應(yīng)力作為單元預(yù)應(yīng)力讀取到計(jì)算過程中.

結(jié)合S－N曲線及有限元分析，分別計(jì)算有無殘余應(yīng)力作用下試件的疲勞壽命，計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)值進(jìn)行對(duì)比分析，可得到以下結(jié)論:

1)通過對(duì)比有限元計(jì)算及實(shí)驗(yàn)結(jié)果，表明T型焊接接頭試件實(shí)際疲勞斷裂位置與有限元疲勞計(jì)算中的高應(yīng)力區(qū)域基本吻合;

2)從數(shù)值模擬的應(yīng)力云圖可以看出，在焊趾附近存在較大的焊接殘余拉應(yīng)力，與外載荷作用下產(chǎn)生的拉應(yīng)力形成正疊加，加速結(jié)構(gòu)的疲勞破壞;而在遠(yuǎn)離焊縫的區(qū)域，各向殘余應(yīng)力逐漸趨于壓應(yīng)力，對(duì)該區(qū)域結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布情況起到改善的作用;

3)疲勞壽命試驗(yàn)結(jié)果與考慮殘余應(yīng)力的數(shù)值模擬結(jié)果比較接近，說明數(shù)值仿真方法能比較準(zhǔn)確的預(yù)報(bào)結(jié)構(gòu)的殘余應(yīng)力分布規(guī)律及其疲勞壽命.同時(shí)由于焊接結(jié)束后試件存在輕微變形，在疲勞試驗(yàn)加載過程中，隨著反變形和外載荷的作用，殘余應(yīng)力會(huì)得到一定程度的釋放，故而前者小于后者;

4)在殘余拉應(yīng)力的影響下，結(jié)構(gòu)疲勞壽命比無殘余應(yīng)力時(shí)顯著下降.在排除簡化處理和理想化處理帶來的誤差情況下，說明焊接殘余應(yīng)力會(huì)對(duì)高強(qiáng)鋼試件結(jié)構(gòu)疲勞壽命產(chǎn)生較明顯的不利影響.

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