（固体力学专业论文）桥梁焊接构件焊趾附近的应力集中和疲劳特性实验研究.pdf

中文摘要 利用有限元方法进行复杂焊接构件地疲劳热点应力分析是国际学术界较为 活跃的研究领域之一，为了验证有限元模型计算结果和进行模型修正，进行焊 接构件的疲劳实验是必要的。本项研究受到自然科学基金项目“大跨结构多尺 度损伤模拟与失效行为仿真分析”( 项目编号：5 0 2 7 8 0 1 7 ) 的资助，进行了焊接 构件焊趾附近热点应力测试和疲劳特性分析实验研究，为在桥梁结构中大量使 用的典型焊接构件的细节有限元建模提供实测的数据，供模型验证时使用，同 时也有助于加深我们对于焊接构件在疲劳载荷作用下焊趾附近应力集中场的分 布和疲劳裂纹扩展情况的认识。 在本文的研究工作中实现了焊接构件承受循环荷载下的局部应力分布和 局部疲劳裂纹萌生及扩展过程的测试和实验结果分析。在平行焊缝和垂直焊缝 方向粘贴应变片，通过逐级加、卸载，可以获得对接焊缝和角焊缝试件纵向的 应力应变分布规律以及焊趾处应力集中系数；同时疲劳实验条件下，通过对应 变计输出的读数分析研究，获得了疲劳裂纹的生长变化情况。 在疲劳实验过程中，实验机控制系统可以感知试件固有频率的轻微变化， 并把变化值测量出来。利用弹性模量与试件固有频率之间的关系，可以比较精 确地计算出试件材料的疲劳损伤和分析其疲劳失效过程。 为了观测断口形状，对试件进行腐蚀处理，并拉断试件。利用c c d 对断口 进行拍摄并分析，可得到疲劳裂纹断口不同区域的形状，分别表征着疲劳寿命 中的三个过程：裂纹产生、裂纹扩展、试件断裂。观测结果表明具有初始裂纹 构件的疲劳裂纹扩展形状基本上保持半椭圆形状，符合已有的实验观测结果。 文中探讨了具有初始焊接缺陷的构件的疲劳裂纹扩展形状以及相应的疲劳寿命 分析方法；采用了疲劳裂纹扩展形状保持为半椭圆形假设分析疲劳裂纹的扩展 形状以及失效过程。 关键词：焊接构件，疲劳实验，应力集中系数，热点应力分布，疲劳损伤，半 椭圆形裂纹 a b s t r a c t f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ( f e m ) f o ra n a l y s i so fh o t - s p o ts t r e s s e si n f a t i g u e c o m p o n e n t si so n eo ft h em o s ta c t i v er e s e a r c hf i e l d s i ti sn e c e s s a r yt oc a r r yo u t f a t i g u e t e s t so fw e l d e dc o m p o n e n t st ov a l i d a t et h er e s u l tc a l c u l a t e dw i t hf e m a n a l y s i s a n da l s o h e l p f u l f o rt h ei d e n t i f i c a t i o no ft h el o c a lm o d e lo fw e l d e d s t r u c t u r e s t h ew o r ki n v o l v e di nt h et h e s i sh a sb e e ns u p p o s e db yt h en a t i o n a l s c i e n c efo u n d a t i o nc o m m i t t e evi at h epr o j e c t “m u l t i s c a l ed a m a g em o d e l i n g an d f a i l u r eb e h a v i o rs i m u l a t i o no f l o n gs p a ns t r u c t u r e ”( n o ：5 0 2 7 8 0 1 7 ) t h e e x p e r i m e n t a lr e s e a r c ho n t h eh o t - s p o ts t r e s sd i s t r i b u t i o na n df a t i g u eb e h a v i o ro nt h e v i c i n i t yo f t o e o f w e l d e d c o m p o n e n t s h a sb e e nd o n ei nt h et h e s i s i tc a l lo f f e ral o to f d a t af o rt h ev e r i f i c a t i o no f t h ef e mc a l c u l a t i o no ns o m e t y p i c a lw e l d i n gc o m p o n e n t s c o m m o n l y u s e di ns t e e lb r i d g es t r u c t u r e s t h er e s u l t sf r o mt h er e s e a r c hw o r ka r e h e l p f u lt or e a l i z el o c a ls t r e s sd i s t r i b u t i o nn e a r b yt h et o eo fw e l d e d s t r a c t u r e su n d e r c y c l i cl o a da n dp r o c e s s o f l o c a lf a t i g u ec r a c kg r o w t ha n d p r o p a g a t i o n s t r a i ng a u g e sa r el a i dp a r a l l e lt oa n dp e r p e n d i c u l a rt ot h ew e l d i n gs e a m t h e s t r e s sa n ds t r a i nd i s t r i b u t i o ni nt h el o n g i t u d i n a ld i r e c t i o na n dt h es c f o f w e l d i n g t o e c a nb eo b t a i n e df o rm u t u a lw e l d i n gl i n ea n dt - t y p ew e l d i n gs e a n lb yl o a d i n ga n d u n l o a d i n gp r o c e s s t h ec o u r s eo fc r a c kd e v e l o p i n gm a y b eob t a i n e db yme a r l so f o u t p u td a t ao f s t r a i ng a u g e u n d e rc o n d i t i o n o f f a t i g u el o a d i n g w h e nt h ef a t i g u et e s ti sp r o c e s s i n g ，s o m ec h a n g eo ft h ew e l d e ds p e c i m e n s f r e q u e n c y c a n b ei d e n t i f i e d b y t e s t - m a c h i n e sc o n t r o ls y s t e m 。a n db e e n m e a s u r e d o nt h eo t h e rh a n d ，t h er e l a t i o nb e t w e e nt h ee l a s t i cm o d u l eo ft h es p e c i m e na n di t s i n h e r e n tf r e q u e n c yc a l lb ed e v i s e d ，a n dt h e nt h ed a m a g ev a r i a b l ec a r lb eo b t a i n e db y t h ed e v i s e df o r m u l aa n dt h et h e o r yo ft h ec o n t i n u u md a m a g em e c h a n i c s t oo b s e r v e t h ep h e n o m e n ao ff a t i g u ec r a c k ，t h es p e c i m e n sa r ee r o d e - t r e a t e df o ra p e r i o do f t i m e a f t e rh a v i n gf i n i s h e dt h et e s t ，a n dt h e nc u t u s i n gc c dt ot a k et h e i rp h o t o sa f t e r f r a c t u r ea n dt h e na n a l y z i n gi t ，d i f f e r e n ta r e as h a p eo nf a t i g u ec r a c kf a c ec a nb e o b s e r v e d t h er e s u l t si n d i c a t et h ep r o c e s so f c r a c k g e n e r a t i n g ，c r a c kd e v e l o p i n ga n d i i r u p t u r i n go n t h ef a t i g u el i f eo f t h et e s t e ds p e c i m e n s o b s e r v a t i o nr e s u l t ss u g g e s tt h a t f a t i g u ec r a c k sd e v e l o p i nt h es h a p eo f s e m i e l l i p s e ，w h i c hc o i n c i d e sw i t ht h er e s u l t s p u b l i s h e d i nt h el i t e r a t u r e i nt h et e x t c o m p u t a t i o n a lm e t h o do nf a t i g u e c r a c k d e v e l o p i n ga n df a t i g u el i f ei sd e v e l o p e d ，a n di t i su s e dt oc a l c u l a t ef a t i g u ec r a c k s d e v e l o p i n gs h a p ea n dt h ec o r r e s p o n d i n gf a t i g u el i f eb y m e a n so ft h eh y p o t h e s i st h a t f a t i g u ec r a c k ss h a p ek e e p i n gs e m i e l l i p s ea n d th epa r i sf o r m u l ao i lf a t i g u ec r a c k g r o w t h t h e m e t h o di se a s yt ou s ea n dc a nb e a p p l i e di ne n g i n e e r i n gp r a c t i c e k e yw o r d s ：w e l d i n gc o m p o n e n t ，f a t i g u et e s t ，s c eh o t s p o t s t r e s sd i s t r i b u t i o n ， f a t i g u ed a m a g e ，s e m i e l l i p s es h a p e c r a c k i i i 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包 含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生虢犯互日期珈盟如 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学 位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外， 允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括干l 登) 论文的全部或部分内容。论文 的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 日期：卅、；p 查堕盔堂堡主兰垡丝壅 一翌二兰堂堕! 一 第一章绪论 1 1 引言( 问题的提出) 1 , 1 1 疲劳断裂过程及特性 焊接结构广泛地应用于国民经济的各有关领域中，可以说焊接结构的应用 在一定程度上促进了现代化工业的发展。很难想象，如果不是采用焊接结构， 生产中不可能制造出像高压锅炉、某些化工容器设备等这样高参数、厚截面的 金属结构。特别是应用在大跨度的钢桥上，9 0 年代至今，我国已经建造了3 0 多座主跨在4 0 0 m 以上的悬索、斜拉桥，这些工程投资巨大，无不对当地的社 会经济效益产生很大的影响，有的甚至成为标志性的建筑物。这些重要桥梁地 主梁部分大多是钢箱粱结构，由大量的型钢焊接而生。但是，在焊接结构广泛 应用的同时，也出现过一些事故。有些事故给人民的生命财产造成了巨大的损 失。一些人把事故归罪于焊接技术，认为这是焊接结构的固有缺欠。在这些人 眼里，一方面焊接是功臣，因为它促进了生产的发展；另一方面它也是罪人， 因为它是许多事故的根源【i j 。 大量的研究表明，许多事故的发生与人们不了解焊接结构的特性有关。因 此设计和制造出来的焊接结构不顺应的工作特性，从而导致结构的过早失效。 焊接结构的破坏主要机械破坏、疲劳破坏、应力腐蚀等。 现在的钢结构联结中，焊接连接已经取代过去的铆接和螺栓连接成为最主 要的连接形式。由于焊接本身所固有的特点，这就使得焊接结构施焊区周围的 力学性能发生改变。在结构受到变幅、高周载荷作用时，焊接区焊缝焊趾附近 某薄弱部分首先产生萌生裂纹，随着时间的延长，外加载荷循环次数的增加， 萌生裂纹不断扩展、聚合，最后形成一条大的裂纹，直至构件断裂，这就是焊 缝的疲劳破坏。对于焊接接头，产生疲劳裂纹一般要比其他连接形式的循环次 数少，这是因为焊接接头中不仅有应力集中( 如角焊缝、对接焊缝的焊趾处) ， 而且在这些部位也易产生缺陷，同时存在焊接残余应力。大量研究表明，在接 头焊趾处也存在有微小的非金属夹渣。这些因素的综合作用，使得在焊接接头 东南大学硕士学位论文 第一章绪论 的疲劳寿命中，疲劳裂纹产生阶段只占整个疲劳过程中的一段相当短的时间， 而主要时间属于裂纹扩展。 疲劳断裂是焊接金属结构失效的种主要形式，它发生在承受交变或波动 应变的构件中。一般说来对应于该应变的最大应力要低于材料的抗拉强度，甚 至低于材料的屈服点，因此疲劳破坏往往是无明显塑性变形的低应力断裂，即 通常所说的应力疲劳或高周疲势“。 疲劳断裂一般e ；i - _ - 个阶段所组成：即疲劳裂纹的形成；裂纹扩展：残余截 面不能再承受施加载荷时构件发生断裂。可以说，这三个阶段没有严格界限， 例如疲劳裂纹“产生”阶段的定义就带有一定的不确定性，这主要是因为不同 研究领域采用不同的裂纹检测技术引起的。从研究疲劳机制出发，有人采用电 子显微镜，把裂纹长大到1 0 4 m ( 1 0 0 a n ) 之前定义为裂纹产生阶段，但从工程 实用角度出发，则又可以把以低倍显微镜( 1 0 ) 看到之前的裂纹定义为裂纹 产生阶段。同样“残余截面不能再承受施加载荷”一般也根据结构的类型而定， 例如对于承力构件，可以定义为扣除裂纹面积的净截面已不能再承受所施应力； 而对于压力容器上述定义可视为是容器出现泄漏。 在实际工程中预测材料疲劳寿命是很复杂的。这是因为除了极少数的脆性 材料以外，其他材料的疲劳寿命对结构的载荷条件、局部应力和材料的局部特 性等参量的微小变化非常敏感，而考虑这些微小的变化在实际中又是非常困难 的，这就造成在疲劳寿命的分析中具有很大的不确定性。因此要求设计者要具 有对类似构件的分析经验。另外，虽然采用实验室内小型疲劳实验的数据难以 精确地估计结构件的疲劳寿命，但这些数据还是相对有用的 2 1 。这是因为：实 验室内的试验是疲劳失效标准的主要来源；它可最大限度地排除疲劳裂纹试验 中载荷变化带来的影响；在估价不同材料相对抗疲劳性能上是有用的；在评定 结构制造、表面加工精度、热处理、装配技巧和环境因素等对疲劳寿命影响上 也是相当有用的。 在研究疲劳问题中，传统的方法是以造成疲劳裂纹产生和行成失效的裂纹 扩展所需的整体应力循环次数来表达的，过去经常认为疲劳寿命主要决定于裂 纹产生，而造成失效的疲劳裂纹扩展只占疲劳寿命的很少部分。但是随着裂纹 检测技术的发展j 发现裂纹的增大和扩展是决定疲劳寿命的主要因素。如果仔 细地分析疲劳断口，可以看到疲劳核心周围，存在着以疲劳核心为焦点的非常 光滑、非常细洁、贝纹线不明显的狭小区域。这是由于疲劳裂纹在该区扩展速 东南大学硕士学位论文 第一章绪论 度很慢以及裂纹反复张开和闭合而使断面磨光的缘故。这个区域从本质上看已 属于疲劳裂纹扩展区了p 1 。 随着断裂力学的出现，疲劳数据已可通过裂纹扩展速率来表达和说明。 可把典型的疲劳失效断裂表面分成三个区域：疲劳核心区、疲劳裂纹扩展 区和瞬时破坏区。它们分别表征着疲劳寿命中的三个过程一儿“。 第一阶段：对应于裂纹产生，第区域不大，最多为2 5 个晶粒范围。 在每个晶粒中，其断裂表面是沿着一定晶面进行的( 注意不要与解里面相混淆) ， 即当疲劳裂纹的核心一旦在试样表面滑移带或缺陷处晶界上形成后，立即沿滑 移带的主滑移面向金属内部扩展，此滑移面的走向大致与正应力呈4 5 0 交角。 换句话说，第一阶段的表面很难辨认。 第二阶段：裂纹依第一阶段方式扩展一定距离后将改变方向，沿与正应力 相垂直的方向扩展。此时正应力对裂纹的扩展将产生重大影响。图l - 1 是疲劳 失效寿命中第一阶段和第二阶段的示意图。 最终破断区 t a 图1 - 1 疲劳裂纹扩展示意图 第三阶段：为最后断裂阶 段，它是由超载造成的，断口 可能是脆性的，也可以是延性 的，也可以二者兼而有之。 疲劳裂纹扩展区是疲劳失 效断口上最重要的特征区域， 呈现海滩波纹状，有时又称贝 纹状、蛤壳状等。它是疲劳裂 纹扩展过程中留下的痕迹，往 往是疲劳失效分析最主要的见 证。其特征点是该波纹状的推 进线一般是从裂纹核心开始 的，然后向四周推进呈弧形线 条，因此它垂直于裂纹扩展方 向。发生海滩状波纹常常是由于载荷( 如停机或开机) 或频率变化的结果，也 可以是断裂表面停机期间被氧化的结果。 应当说明，对于低周疲劳失效观察不到此种海滩波纹，在实验室进行恒应 力、应变试验时，或疲劳断裂是由裂纹不间断地扩展但载荷无变化的场合也不 东南大学硕士学位论文 第一章绪论 出现海滩波纹，这一点在失效分析中是值得引起注意的。 1 1 2 问题的提出 实际工程中，焊接结构的破坏具体体现就是构造细节部分焊缝的疲劳破 坏。在进行焊接结构的焊缝疲劳特性试验研究时，要求模拟不同焊缝构造细节 来设计试件进行试验，以力图了解以下两个方面的问题：一是该结构细节焊缝 焊趾附近的应力分布规律和应力集中情况怎样；二是该焊缝构造细节在实际载 荷作用下的疲劳性能。研究焊接结构焊缝附近应力分布及其疲劳破坏特性，建 立不同焊缝构造细节疲劳破坏模型，在实际工程设计、检修等方面具有重要的 意义。 现在，我国和世界上很多重要的大桥如香港青马大桥、江阴长江大桥以及 在建的润扬大桥等等都建立了桥梁结构健康监测系统【o 儿“。这种系统的建立是 在建桥后期就在桥身内部安放了大量的各种传感器，加上数据采集和处理的硬 件及软件系统，桥梁运营以后就可以每天不间断的测量并储存，获得大量的关 于桥梁工作环境和运营状态的信息。通过有限元建立大桥的疲劳损伤模型，通 过数据处理综合可望得到大桥的疲劳损伤以及剩余寿命评估。大桥结构主要采 用焊接形式，特别采用了大量的对接和角焊缝结构细节，研究人员在研究焊接 结构焊缝附近应力分布及其疲劳破坏特性时，采用了对桥梁结构建立精细的三 维有限元模型的方法。焊接接头焊趾附近应力分布及疲劳特性的有限元分析研 究开始于7 0 年代，取得了很多有意义的成果，至今利用有限元方法进行疲劳应 力分析仍然是国际学术界较为活跃的研究领域之一，国内在这方面也进行了很 多的研究。这些研究都是基于理论上的建模和计算分析，如果没有相应的实际 试验结果的验证，很难知道建立的模型是否与结构原型相符。为了得到令人信 服、正确的模型和计算结果，在进行有限元分析的同时，应进行焊接构件的疲 劳试验，为有限元建模分析提供实际试验数据。本文所进行的实验研究的目的 之一，就是为在桥梁结构中大量使用的典型焊接构件的细节有限元建模提供实 测的数据。这里所考虑的典型焊接构件在许多已建和在建的大跨桥梁结构如香 港的青马大桥和江苏的润扬长江公路大桥中都是大量使用的。青马大桥是拥有 世界上最大规模的永久性健康监测系统的大桥，该桥为全钢结构、公铁两用双 层悬索桥。润扬长江公路大桥是江苏省“四纵四横四联”公路主骨架和跨长江 公路通道规划的重要组成部分，是由南汉悬索桥和北汉斜拉桥组合而成的特大 东南大学硕士学位论文 第一章绪论 型跨江大桥。润扬大桥是我国建桥史上迄今为止工程规模最大、建设标准最高、 投资最大、技术最复杂、技术含量最高的现代化特大型桥梁工程p j 。在我们目 前关于这两座桥梁的相关科研项目中，正在进行桥梁结构包括焊接构件的精细 有限元建模，以期根据这两座桥梁的特点，建立一套完善的在线结构安全监测 系统，对结构在使用期间不同环境下的安全状况进行监测，为大桥的运营管理、 维护提供科学决策依据。本项实验研究的成果，就将直接为桥梁结构的焊接构 造精细有限元建模，提供实测数据，验证这类模型的正确性。 本课题同时也是自然科学基金项目“大跨结构多尺度损伤模拟与失效行为 仿真分析”( 项目编号：5 0 2 7 8 0 1 7 ) 研究工作的一部分，其目的是用焊接构件细 节疲劳应力的测试结果验证局部有限元建模和跨尺度模型衔接分析的结果，为 此要求在研究工作中实现焊接疲劳构件局部应力分布和局部疲劳裂纹萌生及扩 展过程的准确测试，这是一个有原创意义的实验研究。 1 2 国内外研究现状 多年来，很多力学研究人员一直致力于焊缝附近应力分布及其疲劳特性试 验研究，并取得了很多有意义的成果。t r 格尔内在文献1 9 中详细介绍了不同焊 缝形状的焊接结构和焊接结构疲劳试验方法，通过对前人所做各种焊缝试验的 结果对比分析，研究了不同类型焊缝的疲劳特性，从应力集中的角度研究了影 响结构疲劳破坏的因素。详细介绍了影响焊接结构疲劳性能的三要素：即应力 幅、应力循环次数及构造细节，并说明了它们的试验、分析、制定的办法以及 其相互的关系。这些都成为我们现在制定各种结构疲劳试验和疲劳设计准则的 参考。 2 0 世纪5 0 年代以前，人们一般采用单点试验法【7 ( 每个试样对应一个应 力水平) 测定条件疲劳极限或疲劳强度。这种方法准确度不高。目前多采用升 降法，它能保证较为准确地测定条件疲劳极限。 升降法l j 叫是将应力s “作为随机变量进行统计分析的。其主要步骤为首先 指定一个“循环基数”n o ，然后试验开始时选用较高的应力水平。随后的试验 应力水平取决于前一试样的试验结果。如前一试样未达到指定循环次数n o 时 发生破坏，则随后一次试验就在低一级的应力水平下进行。反之凡前一试样在 达到n o 时末发生破坏，即所谓“越出”则随后的一次试验就在更高一级的应 奎重查兰堡主兰鱼丝奎 一 一一j 堂兰邑j 塑! 力水平下进行。重复以上过程直至完成全部试验为止。 根据i s o ( 国际标准局) 的新版本，在疲劳设计和评定中，需把疲劳加载 ( f a t i g u ea c t i o n ) 和疲劳强度( f a t i g u er e s i s t a n c e ) 清楚地区别。这意味着根据 所提供的焊接接头资料首先确定需采用的合适的应力类别，并计算和测量出有 关应力范围。然后再根据该应力类别选择相应的疲劳强度类别。将二者加以比 较，如表1 - 1 所示出疲劳加载和疲劳强度类别。表1 2 示出各应力类别的构成和 需采用的应力范围【1 j 。 表1 - 1 疲劳加载和疲劳强度类别 疲劳加载类别疲劳强度类别 标称应力以组s n 曲线表征出的结构中疲劳强度 几何应力以组s n 曲线标征的抗几何应力的疲劳强度 等效缺口应力以条s n 曲线表征的抗等效缺口应力的疲劳强度 裂纹尖端的应力强度因子以裂纹扩展定律中材料参数表示的抗裂纹扩展力 表1 - 2 各类应力的构成及所采用的应力范围 类别应力构成采用的应力范围评定方法 采用常规力学方法如材料力学方法 a 计算出的整体应力 a + 由结构设计产生的宏观几何尺寸标称应力范围( 同样可成 b 标称应力方法 影响( 包括施力点和接头错位影响)为局部标称应力范围) a + b + 由焊接接头的结构西部造成结构几何应力范围几何应力( 热点 c 的结毒勾非连续性( 热点应力范围)应力方法) a + b + c + 由焊道形成的应力集中a ：断裂力学方 d ( 如焊趾和焊根处的应力集中) 弹性缺口应力 ( 整体应力) 范围 法b ：等效缺 a ：实际缺口应力b ：等效缺口应力 口应力方法 为了便于分析焊缝焊趾附近应力分布规律，把焊缝附近的应力分为三种， 即：标称应力、结构几何应力( 热点应力) 和等效缺口应力u “，并采用以上几 种应力方法来研究焊接结构的疲劳特性。有的研究人员利用有限元的方法计算 出了不同形状焊缝焊趾附近的应力分布的规律，但这只是一个理论的解，只能 对试验结果作为一个验证或参考，许多结果还需要通过试验的方法来得到。 1 9 8 2 年k o p o n e n l l 叫在距焊趾一定距离处粘贴应变计，然后加载，通过测量 应变的变化得到测点处的应力再利用线性回归的方法推导得到焊趾处的应力 6 东南大学硕士学位论文 第一章绪论 ( 即热点应力) 大小。以后的很多研究人员都是基于这样的思路通过应变测量 法来推导焊趾处应力及其附近的应力分布，区别也只在于应变计的粘贴位置和 试件尺寸、形状不同。通过在焊缝焊趾附近粘贴一系列微应变计的方法可以预 测裂纹的萌生寿命，焊接构件整个生命周期中，占主要的是裂纹的扩展阶段， 而焊趾处裂纹的萌生寿命极短。 聂北刚u 刮利用在焊趾附近贴一组微应变计的方法来记录裂纹萌生的过程。 当应变计完全对准萌生裂纹时，应变计一5 一1 0 的变化将对应产生了一 个o 一2 0 肛m 深的裂纹，这样的萌生裂纹用一般的仪器很难观测到，通过对应 应变计输出的读数记录，便可以获得试验过程中裂纹生长的变化情况。 黄文龙l m 在拉弯复合应力下焊接头表面裂纹扩展规律的研究中，针对目前 对多种载荷混合作用下焊接构件的试验研究较少的现状，设计了拉弯组合作用 下的弓形试件，对拉弯复合应力下表面裂纹疲劳扩展规律，特别是对含表面裂 纹的对焊接头而言，作了试验方面的研究工作。现实中对接焊缝试件不可能只 受拉力的作用，还受到扭、弯等组合变形，在本试验中试件的设计工作中，采 用了间接实现的方法。在现有设备中，同时实现拉伸和弯曲很难实现，所以采 用了弓形试件，在实现拉伸的同时，利用试件自身的结构特点产生弯曲作用。 因此，表面裂纹疲劳扩展规律呈现一定的复杂性。文献中利用一组弓形试件进 行了拉弯复合应力下焊接头表面裂纹疲劳扩展规律的研究，试件母材采用常用 结构钢1 6 m n ，坡口型式为x 型，采用j 5 0 2 焊条。试板厚t = 8 m m 舨宽w = 7 0 m m 弓形试件受拉时，由于载荷偏心，使试板中间横截面上产生拉弯复合应力。为 了避免试验机夹头受到弯曲应力的影响，采用双弓形试件同时试验的方法，使 试件作用于夹头的弯矩相互抵消，并在两弓形试件上贴上电阻片，确认在两块 弓形试件上载荷的分布均匀程度，弓形试件共分六块，分成三组，在m t s 全自 动材料试验机上进行疲劳试验。为了获得已知裂纹的扩展规律，需对该试件预 制裂纹，试验前先在试件凹面沿焊缝中心线采用电火花加工出长半轴3 m m ，短 半轴1 5 m m 的半椭圆表面裂纹，然后在高频疲劳试验机上用3 点弯预制1 2 m m 的表面裂纹。疲劳试验过程采用载荷控制，载荷波形为政弦波通过降载勾线法 来获得裂纹扩展量与循环数n 之间的关系。勾线时保持最大载荷不变，载荷幅 为加载循环时的二分之一。试验的加载频率为2 5 h z ，勾线时频率增加1 倍。试 验结构后采用液氮浸泡，将试样断口打开，在工具显微镜上读出每次勾线时裂 纹长度和深度值。通过试验，划出了拉弯疲劳载荷下表面裂纹形貌变化曲线试 东南大学硕士学位论文 第一章绪论 验结果处理及分析，表明在拉弯复合应力下当a j t 一 0 8 时，表面裂纹疲劳扩展 规律仍可用p a r i s 公式来描述。 研究人员还对不同焊接构造细节的应力集中系数进行了研究。管德清【l 刈建 立了非对称循环焊接节点的两个有效应力集中系数预测公式，再利用前人所做 的试验来验证该预测公式，采用的试验是汪光海等完成的板节点，错位板节点， t 型板节点和十字型板节点疲劳试验。该公式中包含了影响非对称循环应力疲 劳试验条件下焊接节点应力集中的几个要素，研究了不同应力比疲劳试验条件 下，公式的变化形式。 桂园庆u o j 在钢桥钢梁整体节点疲劳试验研究中，依据钢梁设计中所采用的 钢梁棱角焊缝构造细节形式，模拟设计制备了该细节的疲劳试件。通过疲劳试 验研究和有限元分析，确定了该细节的疲劳抗力曲线和有关的统计参数。为了 确切掌握焊缝周围的应力分布规律和应力集中情况，同时为了给疲劳强度分析 提供可靠的依据，对试件进行了应力分析，包括理论计算和应力测试，理论计 算采用有限元方法。通过两种方法结果比较分析知，在主要控制点上吻合较好， 证明了应力分析结果准确。通过对疲劳试件试验后开裂的特征，并结合棱角角 焊缝构造细节的特点，提出了该构造细节疲劳破坏模型。 在进行静载下的应力测试时，采用了如下方法【1 8 1 9 】： ( 1 ) 设定加载吨位上限( 本试验中为2 0 m p a ) 。 ( 2 ) 试验前先将试件预拉到吨位上限，然后再卸载到零。 ( 3 ) 以某一确定值( 这里是1 0 k n ) 为级差逐级加载，再逐级卸载，共加载 三次，试验的结果取三次算术平均值。 ( 4 ) 将上述各应变值换算为应力，即可得出在所加载荷下各点所在截面上的 应力。 在以前所进行的试验中，大都是在固定外加载荷大小条件下，通过应变测 量得到焊缝附近应力分布或疲劳寿命曲线，而对于疲劳实验条件下焊趾附近应 力集中和分布特性及其规律的实验研究很少有人涉足。对于疲劳实验条件下的 试件，由于在裂纹萌生初期，萌生裂纹附近的应变会产生突然的变化，通过应 变输出就可以了解焊接试件在疲劳过程中焊缝焊趾处应力集中的分布变化和内 部累积损伤情况，这对于研究焊接构件的疲劳特性具有重要的意义。 1 3 本文所做的工作 东南大学硕士学位论文 第一章绪论 1 3 1 内容 本课题实验研究的重点是测试焊接构件焊趾附近的热点应力分布及其疲劳 累积特性。通过实验研究要得到疲劳过程中焊缝焊趾附近应力集中分布情况， 而且要利用实验结果研究焊缝的疲劳特性和焊缝附近裂纹的萌生、扩展阶段。 为此，首先要实现焊接构件的疲劳实验过程，通过实验确定焊缝附近应力分布 和应力集中系数，测量焊缝焊趾附近应变分布变化，进而研究典型的桥梁结构 中的焊接构件在疲劳过程中疲劳损伤的累积情况和疲劳裂纹萌生规律。 另外，本文中还研究了个重要问题：利用试件固有频率的变化，来判断 焊接试件焊缝焊趾处疲劳裂纹产生的各个阶段，计算试件在疲劳试验过程中产 生的疲劳损伤。根据损伤力学理论【i “，材料内部发生损伤，将导致材料性能的 下降，试件的固有频率也将随之下降。通过疲劳试验机的计算机自动控制系统 可以测量出试验过程中试件固有频率的变化，通过计算即可得到试件的疲劳损 伤。 测量疲劳过程中焊缝焊趾附近应力分布变化情况，以及利用疲劳过程中试 件固有频率的下降来反演试件的疲劳损伤，目前入还没有见到类似的实验研究， 因而本实验研究在这方面具有原创性的意义。 1 3 2 实验研究中的问题以及解决方法 实验过程中，可能会出现以下情况： ( 1 ) 由于测量设备的限制，不是连续的采集数据，也不知道试件会在何时出 现疲劳破坏，可能会错过最佳的测量时间，这时要么试件还没有出现疲劳裂纹 扩展，使测得的数据和静载条件下测得的结果近似，要么试件已经出现了疲劳 裂纹扩展期，使希望抓住疲劳裂纹萌生的测试数据变得毫无意义。 ( 2 ) 在实验过程中，变化最明显的数据出现在萌生裂纹附近的应变片上，而 事先我们并不知道萌生裂纹出现的位置，这给我们确定糙贴应变片的位置带来 一定的难度。 ( 3 ) 由于测量是在试件疲劳试验的动态过程中进行，粘贴在试件表面的电阻 应变片和粘胶可能会在试件疲劳之前先疲劳。另外，电阻应变片还存在零点漂 移的问题，这也将影响数据的准确性。 对于上述问题，初步考虑的解决的方法和措施如下： 东南大学颂士学位论文 第一章绪论 ( 1 ) 通过预试验估计试件可能出现疲劳裂纹的循环次数，这对正式试验时有 一定的参考价值，在接近出现疲劳裂纹的时候，加大测量的频度和缩短每次测 量的时间间隔。 ( 2 ) 由于不知道萌生裂纹可能出现的具体位置，可以考虑采用电阻应变计测 量时，在焊缝焊趾附近加大粘贴电阻应变片的数量，以增大应变片正好处于焊 缝萌生裂纹处的概率。 ( 3 ) 在进行正式实验前，先进行贴片、试验的预实验，寻找合适的粘胶，以 确保其疲劳寿命在1 0 0 0 万次以上。对于应变漂移的问题，要通过几组预试验， 找出其中的规律，在数据处理时，以便加以补偿。 以上几个问题，在试验过程中得到了很好的解决，这对后面的正式实验研 究得到的正确结论提供了保证。 东南大学硕士学位论文第一章绪论 本章参考文献 1 霍立兴，焊接结构的断裂行为及评定，北京：机械工业出版社，2 0 0 0 2 沈成康，断裂力学，上海：同济大学出版社，1 9 9 6 3 陈家权，徐灏等，1 5 m n v n 钢焊接接头疲劳性能的试验研究，机械强度， 1 9 9 8 ：2 0 ( 1 ) 4 徐灏，疲劳强度，北京：高等教育出版社，1 9 8 8 5 徐灏，疲劳强度设计，北京：机械工业出版社，1 9 8 1 6 z x l i t h tc h a na n dj m k of a t i g u ea n a l y s i sa n dl i f e p r e d i c t i o no fb r i d g e s w i t hs t r u c t u r a lh e a l t h m o n i t o r i n g d a t ap a r t i ：m e t h o d o l o g y a n d s t r a t e g y i n t e r n a t i o n a lj o u r n a lo f f a t i g u ev 0 1 2 3n o 1e 4 5 5 3 ( 2 0 0 1 ) 7 z x l i t h t c h a na n dj m k o d e t e r m i n a t i o no fe f f e c t i v es t r e s sr a n g ea n di t s a p p l i c a t i o no nf a t i g u es t r e s sa s s e s s m e n to fe x i s t i n gb r i d g e si n t e r n a t i o n a lj o u r n a lo f s o l i d sa n ds t r u c t u r e sv o l3 9 e 2 4 0 1 - 2 4 1 7 ( 2 0 0 2 ) 8 g u ol i ，c h a nt h t ，k oj m ，l iz h a ox i a o f i n i t ee l e m e n tm o d e l i n g o f l a r g e s t e e lb r i 衄ef o rf a t i g u es t r e s sa n a l y s i s p r o c e e d i n go fi n t e r n a t i o n a lw o r k s h o po n s t r u c t u r a lc o n t r o la n dh e a l t h m o n i t o r i n g ，s h e n z h e n ，6 0 7 ，2 0 0 0 9 t r 格尔内，焊接结构的疲劳，伦敦：剑桥大学出版社，1 9 7 9 1 0 t r g u r n e y f a t i g u eo fw e l d e ds t r u c t u r e ( s e c o n de d i t i o n ) l u n d o n ：k i n b r i d g e p r e s s ，1 9 7 9 1 1 p a r t a n e n ta n d n i e m i e ，h o ts p o ts t r e s sa p p m a ht of a t i g u es t r e n g ha n a l y s i s o fw e l d e dc o m p o n e n t s ：f a t i g u et e s td a t af o rs t e e l p l a t et h i c k n e s su pt o 10 m m ， f a t i g u ea n df r a c t u r ee n g i n e e r i n gm a t e r i a l ss t r u c t u r e s ，1 9 9 6 ，1 9 ( 6 ) ：7 0 9 7 2 2 1 2 a k o p o n e n ，f a t i g u es t r e n g t ho fb u t ta n df i l l e tw e l d e dt - a n dg u s s e tj o i n t so f i m p r o v e ds h a p e ，m a s t e ro fs c i e n c et h e s e s ，f i n n i s h ：l a p p e e n r a n t au n i v e r s i t yo f t e c n o l o g y , 1 9 8 2 1 3 聂北刚，焊趾疲劳裂纹的“萌生”，机械强度，1 9 9 8 ，2 0 ( 2 ) 1 4 。黄文龙，拉弯复合应力下焊接头表面裂纹扩展规律的研究，南京化工大学 学报，1 9 9 8 1 5 管德清，非对称循环时焊接节点的有效应力集中系数，力学与实践，1 9 9 6 ， 1 6 桂国庆，钢桥钢梁整体节点疲劳试验研究，工程力学，2 0 0 1 ：8 东南大学硕士学位论文 第一章绪论 1 7 李兆霞，损伤力学及其应用，北京：科学技术出版社，2 0 0 2 1 8 陶宝祺，试验力学测试技术的发展现状，江苏力学论文集，南京：河海大学 出版社，1 9 9 4 1 9 张如一，陆耀桢，实验应力分析，北京：机械工业出版社，1 9 8 1 东南大学硕士学位论文 第= 章试验过程 第二章实验过程 2 1 试件设计 试件尺寸以及加工过程要考虑工程中的实际和试验的需要。在前人研究的 各种焊接形式的接头中，对接接头和t 型接头是最普遍的。考虑到为实际有限 元建模提供实验数据，以及桥梁上常用的典型焊接构造细节，在本实验研究中 选用了对接焊缝和角焊缝两组试样。 通常影响焊缝疲劳强度的因素很多j ，主要的有： ( 1 ) 应力集中的影响：在焊接结构中，结构元件设计不佳，接头形式不合理 和焊接缺陷是应力集中的根源，本文实验中所采用的试件要尽量避免焊接缺陷 的存在，只研究焊缝形式和焊缝焊趾形状的变化对试件疲劳特性产生的影响。 ( 2 ) 残余应力的影响：焊接残余应力对接头疲劳强度的影响与疲劳载荷的应 力循环特性有关。即在循环特性值r 较低时，影响比较大，而r 较大时几乎不 受影响。但残余应力的存在对焊趾附近应力分布以及应力集中系数的影响却很 大。 ( 3 ) 载荷谱确定的影响：对于常幅交变应力，可用口一n 曲线或仃。一盯。等曲 线表示在不同应力水平下达到疲劳破坏时所需要的循环次数。对于计算变幅应 力作用下的接头的疲劳寿命，除了仃一n 外，还必须借助于疲劳损伤的累积理 论。本文的实验的加载是常幅交变应力加载。 ( 4 ) 材质因素的影响：实验表明试件的材料强度与材料本身的抗拉强度没有 关系，但与焊缝金属和热影响区有关。 在试件的设计和焊后的处理方面，要综合考虑以上的疲劳主要因素。 2 1 1 试件的尺寸 桥梁结构中用得较多的是对接焊缝和角焊缝，实验所采用的试件如图2 - 1 所示，( a ) 为对接焊缝试件，( b ) 为角焊缝试件，材料采用1 6 m n 桥梁结构钢， j 5 0 2 结构钢焊条，焊接方式为手工电弧焊。 东南大学碉士学位论文 第二章试验过程 i ，? 雒2 0 0 二- - - - - - _ = = 二二二2 一广2 ”0 0 0 0 崖| 三捆乜 臼i i i 正= = j 亡= = 田匝= = 苎堕b 删 坡留 坡u i 状