（机械设计及理论专业论文）2205双相不锈钢焊接结构疲劳裂纹扩展速率研究.pdf

摘要 近些年来，随着科技的迅猛发展，工业装置逐步大型化、复杂化，机械构件 由于疲劳发生失效的现象明显增加。而作为具有优良性能的新型钢种双相不 锈钢，已经被广泛使用，并大有取代普通奥氏体不锈钢的趋势，尤其在各类管道 和造船业中。为此，本文以重庆市科委重大科技攻关计划项目“特种船舶焊接技术 研究( c s t c 2 0 0 8 a b 3 0 3 3 ) ”为背景，通过a n s y s 软件对2 2 0 5 双相不锈钢焊接结 构的疲劳裂纹扩展速率及疲劳性能进行了有限元模拟，同时进行了相关实验研究 用于验证。具体的研究内容有以下几部分： 本文首先综述了双相不锈钢的焊接及其裂纹扩展等疲劳性能的现状和动向，并 概述了焊接结构疲劳强度的基本理论。 其次，运用a n s y s 分析软件对2 2 0 5 双相不锈钢焊件不同部位的裂纹扩展速率 进行了模拟分析，并用a n s y s 中的a p d l 语言开发了模拟数据的后处理程序，从而 获得了各种条件下应力、应变的情况，以及疲劳裂纹长度、加载情况等信息，以 文件形式进行保存。 再次为了验证模拟结果的有效性，本文在不同应力比的条件下针对2 2 0 5 双相 不锈钢厶k 、d a d n 等- 参数进行了疲劳裂纹扩展速率相关实验研究，探讨了此钢种 焊接结构中母材、热影响区、焊缝的抗疲劳扩展的能力，并分析了焊件不同部位 对应力比的敏感度。 最后，运用y a n y a oj i a n g 损伤模型理论，借助f o r m a n 程序对a n s y s 软件分析的 模拟数据进行处理，得到有限元模拟的结果，并将此结果与实验结果相比较，验 证有限元模拟的可行性。 通过一系列实验研究，证明实验结果与有限元模拟分析结果比较接近，运用有 限元对2 2 0 5 双相不锈钢焊接结构的疲劳裂纹扩展速率等疲劳性能进行仿真的方法 是可行的。 关键词：焊接结构：双相不锈钢：疲劳裂纹扩展速率；a n s y s a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y , i n d u s t r i a l e q u i p m e n t sh a v eb e e nl a r g e ra n dc o m p l e x i t y , a n d t h ea c c i d e n t so ff a t i g u ei si n c r e a s i n g a 土t h es a m et i m e ，d u p l e xs t a i n l e s ss t e e l ，a s an e ws t e e lt y p e st h a th a se x c e l l e n t d e r f i o r m a n c e ，h a sb e e nw i d e l yu s e d ，a n dm u c ht or e p l a c et h eg e n e r a lt r e n do fa u s t e n i t i c s t a i n l e s ss t e e lp a r t i c u l a r l y i nt h e p i p e s a n dt h e s h i p b u i l d i n gi n d u s t r y w i t h t h e b a c k g r o u n do ft h ep r o j e c tf r o mc h o n g q i n gs c i e n c ea n dt e c h n o l o g yc o m m i s s i o n w h i c h i sc a l l e dt h e ”r e s e a r c ho ns p e c i a ls h i p p i n gw e l d i n gt e c h n o l o g y ( c s t c 2 0 0 8 a b 3 0 3 3 ) ”， 2 2 0 5d u p l e xs t a i n l e s ss t e e lw e l d e ds t r u c t u r ef a t i g u ec r a c kg r o w t hr a t e w a ss t u d i e db y e x d e r i m e n t a 】a i l da n s y sf i n i t ee l e m e n ts i m u l a i o ns o f t w a r ei nt h i st h e s i s t h e m a i n p o i n t sa r ea sf o l l o w s ： f i r s t t h et h e s i sr e v i e w st h es t a t u sa n dt r e n d so ft h ed u p l e xs t a i n l e s ss t e e lw e l d i n g a n d c r a c kp r o p a g m i o n ，a n da no v e r v i e wo ft h eb a s i ct h e o r yo ff a t i g u es t r e n g t ho f w e l d e d s t r u c t u r ew e r ei n t r o d u c e d ei nd e t m l s e c o n d l y , z f k , d a m na n do t h e rp a r a m e t e r so f2 2 0 5d u p l e x s t a i n l e s ss t e e lw e r e s t u d i e du n d e rt h ed i f f e r e n ts t r e s sc o n d i t i o n sr a t i o t h ea b i l i t yt or e s i s tf a t i g u eg r o w t h 锄o n gb a s em e t a l ，h e a ta f f e c t e dz o n ea n dw e l dm e t a li n t h es t r u c t u r eo ft h i sd u p l e x s t a i n l e s ss t e e lw e l d e dw e r ei n v e s t i g a t e d t h es e n s i t i v i t yo ft h es t r e s sr a t i o i nd i f f e r e n t p a r t so fw e l d e dc o m p o n e n t sw a s a l s oa n a l y z e d t h i r d l 罗t h ec r a c kg r o w t hr a t e i nd i f f e r e n tp a r t so f2 2 0 5d u p l e xs t a i n l e s ss t e e l w e l d e dc o m p o n e n t sw e r es i m u l a t i o na n a l y z e db ya n s y sa n a l y s i ss o f t w a r e ，a n dt h e p o s t - p r o c e s s i n go f t h es i m u l a t i o nd a t aw e r ed e v e l o p e db yp d ll a n g u a g ei n c l u d e di nt h e a n s y s a f t e rt h e s eo p e r a t i o n s ，t h es i t u a t i o no fs t r e s s ，s t r a i n ，t h el e n g t ho ff a t i g u ec r a c k a 1 1 dl o a d i n gs t a t e si nv a r i o u sc o n d i t i o n sw e r eg o ta n ds a v e di nt h ef o r m o fad o c u m e n t - f i n a l l y , t h es i m u l a t i o nd a t aw h i c ha n a l y s i s e db ya n s y s s o f t w a r ew e r ep r o c e s s e d b vd a m a g em o d e lt h e o r yo fy a n y a oj i a n ga n dp r o g r a mo ff o r m a n a tt h e e n d ，t h e f e a s i b i l i t yo ff i n i t ee l e m e n ts i m u l a t i o nw e r et e s t e d a n dv e r i f i e db yt h ec o m p a r i s o n b e t w e e nt h er e s u l t so fe x p e r i m e n ta n ds i m u l a t i o n t h r o u g has e r i e so fs t u d i e s ，f i n i t ee l e m e n ts i m u l a t i o na n de x p e r i m e n to ft h es t u d y o f2 2 0 5d u p l e xs t a i n l e s ss t e e lw e l d e ds t r u c t u r ef a t i g u ec r a c kg r o w t hr a t ew e r ec o n s i s t e n t r e s u l t sc o n f i r m e dt h ef e a s i b i l i t yo ft h es t u d ym e t h o d k e yw o r d s ：w e l d e ds t m c t t t r e ；d u p l e xs t a i n l e s ss t e e l ；f a t i g u ec r a c kg r o w t h r a t e ； a n s y s i i i 第一章绪论 第一章绪论 1 1 工程研究意义 工程结构中，可靠性与安全性占据着主导地位。在工程实际中，机械构件由于 疲劳发生失效的现象屡见不鲜，对生产效益及人身安全构成了极大的威胁。疲劳 破坏是机械设备及结构部件最常见的失效形式，它是材料在载荷的作用下累计损 伤、产生裂纹及裂纹逐渐扩展，直到最后破坏的过程。因此，材料的疲劳破坏问 题一直是工程设计中的重点问题之一。 焊接技术作为钢结构三大连接( 焊接、栓接、铆接) 中最主要的连接手段，因其 不削弱构件截面的特点，成为了金属加工中理想的连接方式。焊接构件具有结构 形式合理、结构强度高、焊接接头的不渗透性好、生产率高等优越之处。但传统 的奥氏体不锈钢在晶间腐蚀、应力腐蚀、点腐蚀和缝隙腐蚀等局部腐蚀方面的抗 力不足，危害性极大。为解决一般奥氏体不锈钢这些性能的不足，研制开发了双 相不锈钢。双相不锈钢具有强度高、低温韧性好、抗疲劳强度高、对应力腐蚀裂 纹不敏感等优良性能。因此，双相不锈钢的应用发展十分迅速，大有取代奥氏体 不锈钢的发展趋势。最初被广泛用于天然气和石油管道、热交换器、压力容器和 造纸工业中，近年来在一般民用工程和能源交通方面也逐步得到应用。其中焊接 件和焊接结构的应用尤其广泛，比如在各类管道、海洋平台和造船等行业。 双相不锈钢在特种船舶制造中应用广泛，使用双相不锈钢建造的化学品船防腐 能力非常强，可以承载的化学品种类高达几百种，载货船舱不必刷油漆，各舱装 载的化学品不易相互渗透，船舶安全大大提高【l 】。并且船体结构是一种典型的焊接 结构。据统计，现代造船中焊接工作量在整个船体建造总工作量中占相当大的比 例，焊接结构的质量和性能直接影响到船体的建造周期、成本和使用性能。因此， 在船舶的使用中了解焊接结构的疲劳机理，准确预测其焊接结构的疲劳寿命，确 切地揭示焊接金属疲劳的本质，对防止特种化学品船破坏、失效事故的突然发生， 有着较大的理论意义和实用价值。 2 2 0 5 双相不锈钢现今占全世界双相不锈钢产量的8 0 ，是目前国内外应用最 普遍的双相不锈钢。它是一种典型的含n 、超低碳、双相铁素体一奥氏体不锈钢。 该钢种兼备了超低碳、室温为伐与y 双相组织的优点，c r 含量的提高以及m o 、n 的 添加使其具有更好的耐应力腐蚀、耐缝隙腐蚀、耐c l 点蚀、耐晶界腐蚀以及高强 度、耐高速泥沙冲刷等优点【2 卅。因此重庆川东造船厂首次采用2 2 0 5 双相不锈钢制 造化学品船，并且已经对其焊接等方面进行了细致的研究。本文在这样的工程背 景下，继续就2 2 0 5 双相不锈钢焊接结构的疲劳裂纹的扩展进行研究，通过实验对 该钢种进行了疲劳裂纹扩展速率的测定，并且运用a n s y s 有限元软件进行模拟计 算分析。 2第一章绪论 1 2 本课题研究动态 1 2 1 焊接结构疲劳强度理论研究进展及动向 焊接结构整体状态下疲劳强度的研究 一般情况下，焊接结构具有整体性而使其刚性增大，并且在较大范围内产生应 力集中。在应力集中处极易产生疲劳裂纹，而当裂纹在结构中进一步扩展，就会 直接影响到结构性能，并在一定条件下导致整体的破坏。因此，对焊接整体进行 分析并确定危险部位和相应的危险应力就十分重要，但这方面的工作开展的并不 多。 性能不均匀对疲劳性能的影响 焊接件通常都具有显微组织、残余应力、力学性能不均匀的特点。由于焊接热 循环和热应变的作用，焊缝和热影响区往往具有不同于母材的疲劳性能，对整个 结构发生显著的影响【7 - 9 1 。h o e p p n e r t l 0 1 认为，在一定应力水平下，裂纹的形成随晶 粒尺寸的降低而增加，但裂纹扩展的速率并不随晶粒的大小而变化。m a d d o x 1 1 】对 低炭焊缝金属进行了研究，他认为晶间断裂的影响会促使疲劳裂纹扩展的速率的 增加。纵观微观方面，在疲劳强度较低的热影响区里，对不同区域的疲劳性能的 深入研究十分少，更深层次的研究有待开拓。 残余应力对焊接结构的影响 在焊接件中，往往认为拉伸残余应力可能引起疲劳裂纹，同时因拉伸参与应力 的存在而使裂纹扩展的速率增加；但当疲劳裂纹扩展到压缩残余应力区时，扩展 速率则会降低甚至停止。文献 1 2 - 1 3 】作者首次用权函数法计算了残余应力引起的应 力强度因子，并认为有效应力比的变化是焊接残余应力对疲劳裂纹扩展速率影响 的直接原因。即： 陆= 器k , m i n 搿x = a x + 坼 硎n = i n + 坼 坼= 2 j - 戛j o t r r ( x ) i d 戈 ( 1 1 ) ( 1 2 ) ( 1 3 ) ( 1 4 ) 式中：行为残余应力导致的应力强度因子，a r ( x ) 为无裂纹板上的初始残余应力。 然后利用f o r m a n 公式计算d a d n o 但是，类似的焊接残余应力与疲劳裂纹扩展关 系及影响的工作，在国内外并不多见。 第一章绪论 3 焊接制造工艺对疲劳性能的影响 在这一反面，国内外的学者都做了大量的工作，都根据各过的实际情况制订了 相应的工艺与方法，从而减少焊接中的应力集中，焊缝中的金属杂质，以提高焊 接结构的疲劳强度。随着焊接结构的大型化和高强度，要求结构加工更加复杂， 质量要求更加严格。因此，在此领域对疲劳强度性能要求会更高，焊接制造工艺 的研究也将越来越深入。 1 2 2 疲劳裂纹扩展速率研究进展 1 9 世纪4 0 年代铁路车辆轮轴在交变载荷作用下发生了破坏，人们第一次认识 到疲劳破坏 1 4 - 1 5 】。当时由于各方面的局限只提出了“材料由于振动引起的结晶变 化导致了破坏”这一错误的概念，但“疲劳这一名词开始被用来描述这种破坏。 当时给出的疲劳裂纹扩展速率表达式为： d a d n = a 。0 1 7 1 a n ( 1 5 ) 式中：盯为外加应力，a 为裂纹长度，a 、肌1 1 为试验确定的常数。 德国工程i ) 币a u g u s tw o h l e r 在1 9 世纪5 0 年代第一次系统的进行了疲劳研究。他 先引进了s n 曲线和疲劳极限的概念，并提出了“应力幅增加，疲劳寿命降低应力 幅低于某一极限值时，试件不会发生破坏”的观点。随后，j o h ng o o d m a n 提出了 平均应力的简单理论，g e r b e r 等人研究了平均应力对疲劳寿命的影响。 随着电子显微镜的广泛使用以及断裂力学的完善，疲劳裂纹的研究在宏观和微 观两方面同时展开，并取得了突飞猛进的发展。 宏观方面，美国人e c p a r i s 于1 9 5 7 年提出，在循环载荷作用下，裂纹尖端处的 应力强度因子的变化幅度，是控制构件疲劳裂纹扩展速度的基本参量，并于1 9 6 3 年提出了疲劳裂纹扩展速度的指数幂定律，臣0 p a d s 公式。p a r i s 认为，既然应力强 度因子是描述裂纹端部应力、应变场强度的参量，那么豇值也是控制裂纹扩展速率 妇d 哟主要参量。因此，他提出了一个疲劳裂纹扩展速率的半经验公式： d a d c ( 么的n ( 1 6 ) 其中的彳k 为应力强度因子幅度，其值为d k - - k m a 。i n oc 、n 是材料常数。 7 0 年代，g r f o r m a n 提出门槛应力强度因子幅度彳玩的概念并对其进行了测定。 此后适用于近门槛区、中部区的疲劳裂纹扩展速率表达式【1 6 d 8 1 被提出，而适用于 近门槛区、中部区和快速扩展区的总计达1 0 0 余个疲劳裂纹扩展速率表达式 1 6 , 1 7 , 1 9 】 也相继被提出。 4第一章绪论 微观方面，条纹机制、微区解理、微孔连接和晶间分离四种可能疲劳裂纹扩展 有机制被提出【2 0 1 。其中疲劳条纹的观察给出了最有价值的信息【2 l 】，并且l a i r d 、微 孔连接等疲劳裂纹扩展的微观力学模型被提出 2 2 , 2 3 1 。 近些年，为了解材料本质，建立一个准确可靠的寿命预测计算方式，人们从微 观细观揭示材料的疲劳、断裂破坏机理。但是，这类研究也仅仅是定性地建立了 宏观特征与微观特征之间的联系，在理论上没有产生惊人的突破。不过随着各类 试验研究更加深入，考虑因素更加全面，处理方法更加完善，疲劳理论与方法传 播也更为广泛。 1 2 32 2 0 5 双相不锈钢的焊接及疲劳性能研究进展 焊接方法及工艺研究 大量针对2 2 0 5 双相不锈钢焊接工艺的研究已经在国内外进行。2 2 0 5 双相不锈 钢的接头组织性能及其焊接性能已被采用不同的方式进行了探究，如m u t h u p a n d iv 剐运用电子光束的焊接方法，s i e u r i nh e n r i k 等人采用双弧焊接方法，s u nz 2 6 】 采用埋弧焊技术，c a p e l l o e 等人【2 7 】利用激光焊接及表面加工技术。胡礼木【2 3 】对双 相不锈钢焊接接头处的力学性能及其抗点蚀性进行了试验，并首次采用了电阻对 焊技术；申艳丽等人 2 9 】则研究了2 2 0 5 双相不锈钢焊接接头综合性能的影响因素， 团队成员先后运用等离子弧焊打底+ m i g 焊盖面及+ t i g 焊盖面两种焊接工艺对材 料进行加工测试。在研究现代双相不锈钢发展及有关焊接方面若干问题的基础上， 李尚周等人【3 0 】对2 2 0 5 双相不锈钢进行了m i g 焊接试验，研究了热输入量对焊缝的 金相组织、铁素体含量、硬度及冲击韧性的影响，以及混合保护气体( 舡3 0 h e 1 o ) 对焊缝成型及性能的影响。研究结果表明，2 2 0 5 双相不锈钢具有良好的 可焊性。随后刘俊龚等人【3 1 】比较了两种焊接方法( g t a w 和m m a ) 在焊接s a f 2 2 0 5 双相不锈钢管道时的焊接接头组织、力学性能和断裂韧性。研究结果表明，焊接 工艺线能量的大小对焊接接头中两相比例影响较大。 ( 室) 2 2 0 5 双相不锈钢焊接及疲劳性能的研究 近阶段，对于双相不锈钢焊接的研究只是在起步阶段，并且主要集中在其焊接 工艺的研究。太原理工大学的申艳丽1 3 2 l 对2 0 2 5 双相不锈钢的焊接性进行了研究， 并比较了采用等离子弧焊后进行固溶处理和未固溶处理的构件力学性能、微观特 性以及耐腐蚀性，讨论了焊接接头的综合性能由于固溶处理工艺和焊接热输入的 不同而产生的影响。天津大学的金晓军等人【3 3 】则采用有限元数值分析模拟的方法 对2 2 0 5 双相不锈钢管道接头处环型焊缝的残余应力进行了分析，得到了内外表面 残余应力的分布规律，并研究了不同的焊接线能量、管内径与壁厚比值和多层焊 对焊接残余应力的影响。重庆交通大学的王智祥、王正伦【3 4 】首次应用b p 神经网络 技术对不同工艺参数下的实验数据进行处理，建立2 2 0 5 双相不锈钢的残余应力和 第一章绪论 5 变形的预测模型，对其焊接收缩变形与残余应力进行了研究 1 3 本文研究的主要内容 本文以重庆造船工业近年的主打产品化学品船舶建造中首次使用国产不 锈钢带来的技术难题为研究背景，以重庆市科委攻关项目“特种船舶焊接技术研 究( c s t c 2 0 0 8 a b 3 0 3 3 ) 为支撑，对2 2 0 5 双相不锈钢平板进行了焊接结构疲劳强 度方面的探索，运用有限元仿真和实验结合的方式获取疲劳极限与疲劳裂纹扩展 速率的相关数据，并对其进行分析模拟，为2 2 0 5 此钢种的进一步研究打下一定基 础。 本论文主要工作内容有： 探讨双相不锈钢焊接结构的疲劳强度在实际工程中的重要意义，综述目前焊接 结构疲劳强度理论的研究动态和研究方向，并且细致归纳了疲劳裂纹扩展速率的 研究进展和2 2 0 5 双相不锈钢的焊接及疲劳性能的研究进展。 归纳了焊接结构疲劳的一些基本概念和理论，并从断裂力学入手对疲劳裂纹扩 展速率的相关知识进行的整理。 在国营川东造船厂焊接实验。于重庆交通大学工程实训中心进行疲劳裂纹扩展 的试样切割。并在中国兵器第五十九研究所完成2 2 0 5 双相不锈钢的疲劳裂纹扩展 速率实验，获取相关数据。处理实验数据，计算得出2 2 0 5 双相不锈钢在实验条件 下的疲劳极限和疲劳裂纹扩展速率 运用a n s y s 有限元软件对2 2 0 5 双相不锈钢进行数值模拟，并通过开发语言a p d l 对双相不锈钢的应力强度因子进行控制，获取了应力、应变场情况，以及扩展过 程中裂纹的长度、扩展时间等信息。 引用y a n y a oj i a n g 损伤模型的具体公式及解释的相关知识，运用f o r t r a n 程序的 p l k s 语言进行编程，即进行疲劳裂纹扩展速率相关参数的后处理。 对2 2 0 5 双相不锈钢的疲劳裂纹扩展速率的有限元模拟结果与试验值进行对比。 6 第二章焊接结构疲劳强度基本理论 第二章焊接结构疲劳强度基本理论 本章首先叙述了焊接结构疲劳的一些基本概念，并且进一步总结了断裂力学的 基本理论和其在疲劳研究中的应用，最后介绍了平均应力对疲劳裂纹扩展的影响。 2 1 焊接结构疲劳基本概念 2 1 1s n 曲线与疲劳强度 要得到某一焊接接头在任意给定的载荷下的疲劳强度，必须将几个相同的试件 在一个给定的循环应力下做用，从而获取作用应力s 和破坏前的循环次数n 的关系。 由此关系就可以画出一条s - n 曲线，如图2 1 ： 协 - r 捌 豫 戆 蕞藏：麓时赣癸数n 图2 1典型的s n 曲线 f i g 2 1 at y p i c a ls - nc u r v e s k s n 曲线可以很直观的看出，能够重复施加的应力随着循环的增加而降低， 但下降到一定程度，曲线变得平直，几乎与n 轴平行。这说明，在一个较小的应力 水平下，试件会有一个无限长的寿命，而这个极限应力就叫做材料的持久极限。 l o l n 1 0 7 膏久健，环发t 图2 ，2s 、n 轴以对数形式给出的典型疲劳曲线 f i g 2 2 s 、na x i sg i v e ni nt h ef o r mo fal o g a r i t h m i cc h iv et h et y p i c a lf a t i g u e 掰珊瑚挪瑚狮嫩m m 攀 _；蔫、贰键蔗 第二章焊接结构疲劳强度基本理论 7 当然，绘制s - n 曲线时，通常将s 和n 换算为对数作为两轴，这样获得的s n 曲 线接近于直线。图2 2 就为以对数为坐标的典型s - n 曲线。对于任何特定寿命的疲 劳强度，往往认为就是s - n i 扭线上对应一个n 值时的应力。但是，任何一个疲劳强 度都必须在说明其循环次数的前提下才具有意义。 根据前人的研究，在一定范围内研究焊接接头疲劳强度基本有2 种方法，即阶 梯试验法和l o c a t i 法1 3 5 , 3 6 】，而这两种方法更注重于求出在一特定寿命下的疲劳强度。 阶梯试验法 运用这一方法，首先要假设一个应力，在这个应力下进行试验，而之后的试件 就要通过前一个试件的结果来确定施加的应力。例如：如果前一个试件到需要的 寿命时都没破裂，则下一个试件的应力要提高，反之应力需要降低。 运用这种方法，平均疲劳强度可有下式求得； m = x 。+ d 略+ 尹1 ( 2 1 ) 其中，卜每次试验的最大应力； d = x i + 1 一旎； 未断裂的频数的加权比。 ， 这种方法毫无疑问可以正确的确定材料的疲劳强度，但其需要大量的试件进行 反复试验，并且如果初始应力选择不够妥当，那么将会出现大量的无用数据，材 料消耗大，较为浪费，在实际研究操作中使用较少。 ( 毫) l o c a t i 法 相对于阶梯试验法，l o c a t i 法的最大优点就是只用一个试样边可以将疲劳强度 确定下来。 开始时先假定一条s - n 曲线，并在它的两边确定一个离散的分布带( 图2 3 ( a ) ) 。 这种试验方法是对试件在逐渐增加应力的条件下进行的成组循环试验，每个应力 阶段含有相同数量的循环次数n 。当然，初始应力的大小要选得比假定的疲劳极限 小一些。 3 条曲线上每个应力水平下的试验结果可以使用累计损伤n n 来计算。其中n 表 示为从3 条s - n 曲线找出相应的应力时所假定的破坏循环次数。由于s - n 曲线满足 x ( n n ) = l ，从而把3 条曲线中每条曲线计算出的x ( n m ) 的实际值与对应的疲劳极限 应力绘制成曲线，即可求出对应于( 棚) = 1 的疲劳极限应力( 图2 - 3 ( b ) ) ，而这就 是所需要的疲劳极限。采用同样方法就可确定其特定寿命下的疲劳强度。 8第二章焊接结构疲劳强度基本理论 、 l l 主 n 幸木木木木木 s o i j u a n t y p e ，s t j 气t i c ! d e f i n et h ea n a i j y s i st y p e n s e l ，s ，l o c ，y 7 5 d a l l a l l n s e l ，s ，l o c ，y 一7 5 sf ，a l l ，p r e s , - 4 0 0 1 l o a dp i 己e s s u r e a l l s e l s o l v e s a v e l s e l ，s ，5 n s l l ，s ，1 n l i s z a l l ，n o d e ，n o d e ，n o d e ! l i s tt h en o d e sa l o n gt h ep a t h f i n i s h p o s t l r 气t h ，d f , 3 ，3 0 ，2 0 1 d e f i n et h ep a t ho p t l 0 n p p p 汀h ，l ，4 0 p p a t h ，2 ，1 2 4 4 p p a t h ，3 ，12 8 91 d e f i n et h ep a t h 第四章基于a n s y s 双相不锈钢疲劳裂纹扩展速率的有限元分析 4 3 p d e f ，s t a t k c a l c ，0 ，1 ，0 ，0 f i n i s h 其中，每次加载需要修正模型时，改变前一次处理时“p r e p 7 ”中“k ，2 ，o ，0 ” 中的第一个0 处的坐标值，加载后裂纹每次扩展的长度的改变的值为其代替值； “p o s t l ”中的“p p m h ，1 ，4 0 ，“p p m h ，2 ，1 2 4 4 ”，“p p a t h ，3 ，1 2 8 9 ，其中“4 0 ”、 “1 2 4 4 ”、“1 2 8 9 是定义路径的节点号，这些参数在每次定义路径重新计算该情 况下应力强度因子的时候需要进行修改替换。由于模型整体的网格的划分会随着 裂纹扩展的逐步进行而重新布置，从而导致改变节点的编号，因此，通过指定裂 纹边缘上的节点，运用p p a t h 命令来定义积分路径的。当然，在每次计算中，应力 强度因子必须通过手动定义积分路径来求解。 4 3 a n s y s 模拟计算结果数据与模拟曲线 通过以上步骤，a n s y s 对疲劳裂纹扩展进行计算，可以得到裂纹尖端每一步 的应力应变值和节点的坐标相关信息。 图4 6 、图4 7 为开始以应力比0 1 加载时试样总应力与应变图。由图4 6 可以 看出，为整个模型的应力最大值发生在裂纹尖端处。图4 8 、4 9 为以应力比0 1 加载裂纹扩展到2 3 3 m m 0 0 将断裂时的应力应变图。 - 。，。，。，。，。a n s 灞 精0 魄王i 孤露n 锵 3 朝曾2 1 t ri 1 t z 啦 1 张错鞭承 l 鼍l 麓= 。i 葺? j 擎苇 姗t t s 【# ；1 t t 奠 k f 1 2 2 s k 奠毒叠毛蠢i 赫8 赫i 菇：1 茹吾 糖，拳6 审褥t 辱茹略8 搴喀激 0 尊盘能，豫 图4 6r = 0 1 ：加载初期的总应力图 f i g 4 6 r = 0 1 ：t h et o t a li n i t i a ll o a ds t r e s sd i a g r a m 图4 7r = 0 1 ：加载初期的总应变图 f i g 4 7 胆0 1 ：t h et o t a li n i t i a ll o a ds t r a i nd i a g r a m 第四章基于a n s y s 双相不锈钢疲劳裂纹扩展速率的有限元分析 4 5 图4 8r = 0 1 ：裂纹扩展到2 3 3 m m 时的应力图 f i g 4 8 r = 0 1 ：s t r e s sd i a g r a mo ft h ec r a c kw h e n2 3 3 m m 图4 9r = 0 1 ：裂纹扩展到2 3 3 m m 时的应变图 f i g 4 9 r = 0 1 ：s t r a i nd i a g r a mo f m ec r a c kw n e n2 3 3 m m 经过a n s y s 有限元计算后得到以上模拟结果，同时对输出的数据文件( 如图 4 1 0 ，4 11 ) 中的相关数据进行保存，并利用自己根据相关规律开发的疲劳裂纹 扩展速率相关参数的后处理程序和裂纹尖端应力应变场的后处理程序，便可得到 裂纹扩展速率，具体操作将在后一章节中进行详细说明。 图4 1 0 模型中节点的坐标信息 f i g 4 1oi n f o r m a t i o n si nt h en o d ec o o r d i n a t e so f t h em o d e l 第四章基于a n s y s 双相不锈钢疲劳裂纹扩展速率的有限元分析 4 7 1 5 2 41 8 2 8 o 捌釜3 01 1 5 2 41 7 4 1 5 2 52 8 2 9 8 s 矜o11 5 2 51 7 1 5 2 6i e 3 0 4 9 7 7 011 5 2 61 6 1 5 2 71 8 3 1 。2 7 5 9 0 1 1 5 2 7 1 8 r 囊 ：飞 。 图4 1 1 模型中加载的载荷步信息 f i g 4 11 l o a ds t e pi n f o r m a t i o n so f t h em o d e l 同理运用相同方法对应力比为o 3 和0 6 的模型进行操作同样可以获得相似的 模拟数据。将几种模型的数据节点数据进行处理，可以获取比较直观的循环周数 与裂纹长度的关系图( 图4 1 2 ，4 1 3 ，4 1 4 ) 。 图4 1 2r = 0 1 ：裂纹长度与循环周期关系 f i g 4 12r 2 0 1 ：r e l a t i o n s h i pb e t w e e nc r a c kl e n g t ha n dc y c l e 4 8 第四章基于a n s y s 双相不锈钢疲劳裂纹扩展速率的有限元分析 图4 1 3r = o 3 ：裂纹长度与循环周期关系 f i g 4 13r = 0 3 ：r e l a t i o n s h i pb e t w e e nc r a c kl e n g t ha n dc y c l e 图4 1 4r = 0 6 ：裂纹长度与循环周期关系 f i g 4 1 4r = - 0 6 ：r e l a t i o n s h i pb e t w e e nc r a c kl e n g t ha n dc y c l e 重要结论：由模拟的数据结果可以看出不同的应力比对双相不锈钢的裂纹扩 展是有影响的，从图中直观的发现随着应力比的提高，模型断裂的周期在不断增 加，具体周期如表4 2 ： 第四章基于a n s y s 双相不锈钢疲劳裂纹扩展速率的有限元分析 4 9 表4 2 模拟结果中裂纹长度对应的循环次数 t a b 4 2t h ec r a c kl e n 舀ha n dt h en u m b e ro fc y c l e si ns i m u l m i o nr e s u l t s 应力比 o 10 30 6 循环次数 4 45 58 2 ( c y c l e s 1 0 6 ) 同时可以发现，材料在三种应力比下，最终的断裂都发生在裂纹长度为2 4 r a m 的附近，这说明2 2 0 5 双相不锈钢母材的稳定性较好，对应力比的灵敏度并不高， 这与前一章实验的结果相一致。 4 3 小结 本章利用a n s y s 开发语言a p d l 开发了对应力强度因子进行控制的建模程序， 并通过计算得到裂纹尖端处的应力应变响应，同时输出了节点信息和载荷步信息。 程序的编写过程和思路在本章前面做了相应的解释与阐述。最后将输出结果进行 整理，为计算疲劳裂纹扩展速率的后处理程序做好了准备。 5 0 第五章疲劳裂纹扩展速率的a n s y s 分析结果与实验研究结果对比分析 第五章疲劳裂纹扩展速率的a n s y s 分析结果与实验研究结果 对比分析 前一章已经将本章数据后处理程序所要用到的结果数据文件进行了保存。本章 为了能够准确而又快速的得到疲劳裂纹扩展速率研究的各类参数，根据y a n y a o j i a n g 损伤模型的具体公式及解释，将前一章模拟分析的数据运用f o r t r a n 程序的 p l k s 语言进行编程，即进行疲劳裂纹扩展速率相关参数的后处理。在获得有限元 模拟的相关结果后，与第三章中的实验结果进行对比，以验证a n s y s 模拟分析的可 行性，并尝试用平均应力来表示疲劳裂纹扩展的速率。 5 1f o r tr a n 程序对模拟结果后处理步骤 读粥辩l 文件中的一些 参数，如每步豹子步数 读取裂纹尖端开始的节 点和所有节点豹坐标值 打开输入输出文件 获取输入文件信息 将每步的数据擎专换 为每个德环的数据 计算按伤值 计算裂纹扩腥速率 保存输出文件 图5 1 程序流程 f i g 5 1p r o g r a mf l o w 得到裂纹尖端一共有 几个点的应力应燮值 获取裂纹尖端点每一 个子步的应力成变值 根据计算后得到的结果文件中的数据，疲劳裂纹扩展速率一些相关参的数就可 以通过计算机程序的编写进行计算。由于此次所建模型数据量大，相应计算公式 复杂，虽然疲劳裂纹扩展速率一些相关的数据可以直接手工分析计算获得，但是， 过程过于繁琐、冗余，因此分析处理所需要的数据在本次研究中采用编程的方法 获取，本文使用f o r t r a n 进行p l k s 程序的编写 6 7 - 6 9 j 得以实现。 p l k s 程序功能主要通过内容数据读入，数据处理和数据输出三部分来实现。 输入输出文件的打开方式如程序段如下所示： 第五章疲劳裂纹扩展速率的a n s y s 分析结果与实验研究结果对比分析 5 1 c h a r a c t e r ( 3 0 0 ) ：f i l e _ i n p _ 0 ，f i l e _ i n p _ l ，f i l e _ i n p _ 2 ，f i l e _ i n p _ 3 & ，f i l e _ i n p _ 4 ，f i l e _ i n p _ 5 ，f i l e _ i n p _ 6 ，f i l e _ i n p _ 7 ，f i l e _ i n p _ 8 而t e ( 幸，母) p l e a s ee n t e ri n p u tf i l e0n a n m e ( s t r e s s 1 i sf r o ma n s y s ) ： r e a d ( 木，木) ，f i l e _ i n p _ o w r i t e ( ，半) p l e a s ee n t e ri n p u tf i l e0n a n m e ( s t r e s s 1 i sf r o ma n s y s ) ： r e a d ( * ，水) ，f i l ei n p5 、， 一一一 ! 读出文件被打开 o p e n ( u n i t = 2 0 ，f i l e = f i l e _ i n p _ 0 ，s t a t u s 2 o l d , a c t i o n = r e a d , i o s t a t = i e r r ) i f ( i e r r = 0 ) s t o p 幸幸毒f a i l i n gi no p e n i n gi n p u tf i l e0 ! 读入文件被打开 o p e n ( u n i t = 2 0 ，f i l e = f i l e i n p _ 5 ，s t a t u s = o l d , a c t i o n = r e a d , i o s t a t 2 i e r r ) i f ( i e r r = 0 ) s t o p 串幸木f a i l i n gi no p e n i n gi n p u tf i l e5 在上面这段程序中，第四章中通过a n s y s 模拟分析后输出的数据文件，如节点 信息、载荷步信息、应力和应变等，被作为内容输入文件打开。而p l k s 程序的计 算结果则写入输出文件，在执行文件夹中预先创建了这些输出文件。 输入文件被打开后，将程序中的变量赋以特定的、我们所要用到并符合文件格 式的数据就是我们需要做的工作。在这一工作中首先从s e t 文件中读出如子步数在 每步中的大小的类似控制参数，然后将所有步中最大的子步数进行返回，将裂纹 尖端初始的节点找出，并获取这些结点的坐标，以及尖端具有数个节点的应力应 变值，从而进一步得到点在裂纹尖端处的应力应变值，将一个循环数据定义成每 个分布数据的转换，一个循环由两个循环数据组合而成，接下来的计算因此方便 许多。 下面具体介绍p l k s 程序在以y a n y a oj i a n g 损伤模型理论为基础的前提下如何 进行编写。 5 2 模拟计算程序 5 2 1 损伤模型的记忆面 材料记忆参数o m 。的引入是y a n y a oj i a n g 损伤模型一个重要的特点，在经过大量 的循环塑性试验后，经过处理可以获得d m ，如式5 1 ： 5 2 第五章疲劳裂纹扩展速率的a n s y s 分析结果与实验研究结果对比分析 删i s i i 1 。 式5 1 中：s 表示的是偏应力张量s 的幅值，定义式为0s1 1 = 两； 目表示的是记忆面； ；a m ，表示的是偏应力空间内的记忆面的半径； 其中o m ，定义为： ( 5 1 ) 如m r = 压h ( 目) 而s ：如) 一c 1 - h ( 蒯( r 一) d p ( 5 2 ) 方程5 2 中：堤海维赛德方程，即 ：葛三0 1 萋圣g ； 提材料常数； o m r 初值是几o o ； o o 是疲劳强度极限； 却是等效塑性应变增量，定义为却= 瓴历砸，其中d e n 是塑性应 变张量，对于非轴向载荷取却= 三i d pi ，这里d p 是塑性的应变增量并产生于拉 压过程中，而当拉压载荷为一个循环并且稳定的值时，取p = 饥弘，其中p 为 塑性应变在一次循环中的累积，：是塑性应变幅。 从方程5 1 和5 2 可以导出，应力状态量s 始终处在记忆面上，即使记忆面不 断边大。在这种一个载