焊接钢结构疲劳强度预测的应

第19卷第3期

2004年8月

长沙电力学院学报(自然科学版) V ol. 19N o. 3

JOURNA L OF CH ANG SH A UNI VERSITY OF E LECTRIC POWER (NAT URA L SCIE NCE )

Aug. 2004

焊接钢结构疲劳强度预测的应力场强模型研究

管德清1, 易伟建2

(1. 长沙理工大学, 湖南长沙　410076;2. 湖南大学, 湖南长沙　410082)

摘　要:考虑材料、几何形式、受载形式、应力梯度、焊接残余应力等多种因素对焊接钢结构疲劳强度的影响, 用应

力场强参数描述焊接钢结构的疲劳强度特性, 建立了有效应力集中系数的应力场强预估模型. 应用所建立理论预

测了几类典型焊接钢结构的疲劳强度, 并与实验进行了比较, 获得了令人满意的结果. 用该方法预估焊接钢结构的疲劳强度, 能大量减少疲劳实验, 节省经费开支, 对工程应用有参考价值.

关　键　词:焊接钢结构; 疲劳强度; 有效应力集中系数; 应力场强模型中图分类号:TG 405　　　文献标识码:A 　　　文章编号:100627140(2004) 0320059204

R esearch of Stress Field I ntensity Model

on the F atigue Strength Prediction for Welded Steel Structures

G UAN De 2qing 1, YI Wei 2jian 2

(1. Changsha University of Science &T echnology , Changsha 410077,China ;2. Hunan University , Changsha 410082,China )

Abstract :The effects of material , geometric shape , loading , stress gradient , residual stress on fatigue strength

for welded steel structures are considered respectively. By means of the stress field intensity parameter to de 2scribe the property of the fatigue for welded steel structures , an estimating m odel of effective stress concentration factor for welded steel structures is presented. A few effective stress concentration factors of welded steel struc 2tures are predicted. G ood agreement between the estimations and the ex periments is achieved. According to the m odel to obtain the fatigue strength for welded steel structures , the fatigue ex periments may be reduced greatly. The meth od is useful in engineering application and helpful in gaining econ omic efficiency.

K ey w ords :welded steel structures ; fatigue strength ; effective stress concentration factor ; stress field intensity m odel

　　焊接钢结构广泛应用于航空航天、机械、土木工收稿日期:2004207210

程、船舶及海洋工程等众多领域. 在交变荷载作用下

基金项目:国家自然科学基金资助项目(10372087) , 湖南省自然科学基金资助项目(04JJ3027)

作者简介:管德清(19612) , 男, 湖南汉寿人, 长沙理工大学教授, 博士, 主要从事结构疲劳损伤与断裂的研究.

焊接钢结构的疲劳断裂极有可能发生灾难性事故. 因此, 研究焊接钢结构的疲劳断裂性质、预测其疲劳强度具有重要意义. 由于影响焊接钢结构疲劳性能的因素很多, 工程上常采用实验方法获得其疲劳性质, 而实验方法费时费力, 具体实施受到很大限制. 所以, 为了减少因大量疲劳实验带来的人力、物力和时间的消耗, 人们致力于焊接钢结构疲劳强度及寿命预测方法的研究, 取得了许多有益的成果[123]. 近年来, 人们开始用焊缝附近局部区域的力学参量来控制疲劳强度的方法[4,5], 这种方法由于考虑了焊接钢结构焊缝局部焊缝细节等因素对疲劳强度的影响, 能够反映结构疲劳断裂的实际情况, 因此在国际上引起了有关学者的高度重视, 现在这一问题已成为焊接结构疲劳强度预测研究的热点[6,7]. 文献[8]按照材料破坏机理和疲劳损伤的微观、细观与宏观研究结果, 给出了用应力场强参数来描述金属材料疲劳行为的应力场强理论, 并建立了用应力场强参数表示的疲劳切口系数公式. 这种方法已成为描述金属疲劳的有效方法[9].

本文采用应力场强参数描述结构的疲劳强度特性, 考虑材料、几何形式、受载形式、应力梯度、焊接残余应力等因素对疲劳强度的影响, 建立了一种预测焊接钢结构有效应力集中系数的应力场强模型. 用本文模型计算了几类典型焊接钢结构的有效应力集中系数, 经与疲劳实验结果比较, 计算值与实验结果吻合较好.

Ω为切口破坏区, V 为切口破坏区的体积, 式中　

f (бij ) 为破坏应力函数, 可用Von Mises 等效应力公(r ) 为权函数. 式表示,

对于平面问题, 式(2) 变为

K f =

A

( f (σ ) r ) d A ,

D

ij

(4)

式中　D 为平面场强区域, A 为平面场强区域的面积.

由式(2) 或式(4) 计算得到的疲劳切口系数, 反映了材料、切口几何形式、受载形式、应力梯度等因素对疲劳强度的影响.

对于焊接钢结构, 由于焊缝处几何形状为一切口. 所以, 可用式(3) 或式(4) 计算焊接钢结构的疲劳切口系数.

2　有效应力集中系数的应力场强模型

焊接钢结构在焊接过程中常常产生残余应力, 而残余应力对焊接钢结构的疲劳强度有重要影响. 首先, 我们定义焊接钢结构的有效应力集中系数β为

β=

σσ-1W ,

(5)

式中　б-1, б-1W 分别是对称循环时光滑材料试件和焊接钢结构的疲劳极限.

β与材料、焊接钢结构的几何形式、受载形式、应力梯度、应力比及焊接残余应力等有关. 它是综合反映焊接钢结构疲劳强度的特征量. 通常β由实验确定.

对于光滑材料试件, 描述疲劳强度的Basquin 方程为

′b

σa =σf (2N ) ,

1　焊接钢结构疲劳切口系数的应力场

强描述

　　对于切口试件, 其疲劳切口系数K f 定义为

σ(1) K f =

σ-1N , 式中　б-1, б-1N 分别对称循环下光滑材料试件和切口试件的疲劳强度极限. 它们通常由疲劳试验确定.

关于疲劳切口系数的确定, 已有很多计算公式. 用应力场强理论描述金属材料的疲劳行为, 可以考虑多种因素对切口试件疲劳强度的影响, 且物理概念更加明确. 应力场强法给出的疲劳切口系数公式为

K f =

(6)

′

σ式中　a 是应力幅度; N 为应力循环次数; σf 为疲

劳强度系数; b 为疲劳强度指数.

设N =N L 时所对应的应力幅为疲劳极限, 则由式(6) 可得

′b

σ-1W =σf (2N L ) .

(7)

　　对于焊接钢结构, 存在焊接残余应力σr , 采用M orrow 关于平均应力的关系式可得

′b K f σ-1W =(σf -σr ) (2N L ) .

(8)

V

( f (σ ) r ) d V ,

Ω

ij

(8) 可得　　由式(5) 、

(2) (3)

′

σβ=′K f .

σf -σr

f (σ ij ) =

σ-1N ,

(σ)

(9)

　　将式(2) 代入上式, 可得焊接钢结构有效应力集

中系数预测的应力场强表达式为

′σβ=( f (σ ij ) r ) d v. ′

V (σf -σr ) Ω

′

σ

β=( f (σ ) r ) d A.

A (σ-σ) ′

f

r

D

ij

(10) (11)

　　式(10) 或式(11) 就是用应力场强参数描述的焊接钢结构有效应力集中系数的应力场强模型. 通过这两式, 可以计算焊接钢结构的有效应力集中系数, 从而得到其疲劳强度预测值. 在计算公式中, 考虑了材料、焊缝几何形状、受载形式、应力梯度、残余应力等因素对焊接钢结构疲劳强度的影响.

(11) 右边的积分项的应力场为了求得式(10) 、

强参数, 本文建议采用有限元法进行计算. 这样可以减少因对焊趾根部应力进行假设而产生的误差.

( 权函数 r ) 与焊趾根部几何形状和受载形式

有关. 本文取为与r =| r |和方向θ有关的函数, 其表达式为

σ( ) r (1+sin θ) , (12) r ) =1-(1-σmax

图4　十字型板接头

为了研究错位量对疲劳强度的影响, 实验时又

选取了4组具有不同错位量的错位板接头. 其错位量δ分别为0. 15mm ; 0. 30mm ; 0. 60mm ; 1. 08mm. 通过疲劳实验得到了上述焊接钢结构的疲劳强度数据.

为了验证以上所建立的有效应力集中系数的应力场强模型的正确性, 将按本文方法计算的有效应力集中系数与疲劳实验结果进行比较.

计算时所用有关材料常数及数据与实验相同, 它们分别为

′σf =894MPa ; σ-1=245MPa ; b =-0. 0854; σr =441MPa. 计算有效应力集中系数时, 利用大型结构有限元分析程序, 将以上焊接钢结构作为平面问题处理, 采用四边形八节点等参单元计算结构的应力场, 从而计算式(11) 中的积分项.

表1给出了上述几类焊接钢结构有限元网格划分情况.

表1　有限元网络划分

结构型式

对接板接头T 型板接头十字型板接头

δ=0. 15δ=0. 30

错位板接头

δ=0. 60δ=1. 08

单元数

[1**********]6

mm mm mm mm

[**************]7

σ式中　r 处的等效max 为焊趾根部最大应力, σi 为 应力.

Ω的形状假定为圆形, 其尺寸D 为材料常数, 由焊接钢结构焊趾几何尺寸及疲劳强度极限拟合确定.

3　有效应力集中系数应力场强模型的

实验验证

　　文献[10]中给出疲劳实验的焊接钢结构所用材料为低合金钢. 实验模型分别为图1～4所示对接板接头、错位板接头、T 型板接头、十字型板接头

.

节点数

　　　8006

61087607

　　　5451

[1**********]21

图1　

对接板接头

　　将疲劳实验结果得到的有效应力集中系数与按

式(11) 计算得到的有效应力集中系数均列入表2中.

表2　焊接钢结构的有效应力集中系数

结构型式对接板接头T 型板接头十字型板接头

δ=0. 15δ=0. 30

错位板接头

δ=0. 60δ=1. 08

β(计算值)

2. 672. 713. 06

mm mm mm mm

2. 933. 293. 924. 63

β(实验值)

2. 372. 552. 912. 783. 344. 084. 96

图2　

错位板接头

图3　T

型板接头

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　　从表2可以看出, 按本文方法预测焊接钢结构的有效应力集中系数, 与实验结果符合较好, 从而验证了本文方法的正确性.

4　结论

1) 　本文考虑材料、几何形式、受载形式、应力

梯度、焊接残余应力等多种因素对疲劳强度的影响, 建立了焊接钢结构有效应力集中系数的应力场强预测模型.

2) 　本文提出了用有限元法计算应力场强参

数, 不需要对焊缝附近应力进行假设. 根据有效应力集中系数与焊缝附近应力场强参数、焊接残余应力、应力比之间的定量关系, 来计算有效应力集中系数. 这样的处理方法适用于几何形状较复杂的焊接钢结构的疲劳强度计算.

3) 　利用本文所建立的模型预测了几类典型焊

接钢结构的有效应力集中系数, 计算结果与实验结果符合较好, 说明本文方法具有较高的精度.

4) 　按本文方法预测焊接钢结构的疲劳强度,

可以大量减少疲劳实验. 对焊接钢结构的疲劳设计与断裂控制具有一定的经济价值和实用价值. 所建立的方法可供工程应用参考. 参考文献:

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