含缺陷焊接接头完整性评定工程方法

1、含缺陷焊接接头完整性评定工程方法为了研究焊接力学不均匀性对焊接结构完整性评定工程方法的影响规律,本文从有限元数值解出发,基于焊接接头应力场数值解的结果,在详细地研究了焊接接头力学性能不均匀性对其应力场影响规律的基础上,分析了不同应力状态情况下,hrr场以及单参数j积分参量在表征焊接接头应力场过程中的不完全性,指出了目前断裂力学的基本理论在分析焊接接头力学性能不均匀体时所存在的问题。对单参数j积分参量在平面应变状态下,不能完全反映焊接接头裂端场实质的情况,考虑到应力三轴性对焊接接头裂端应力应变场的影响,结合以往建立的焊接接头弄q双参数准则,首次提出了弄q双参数焊接接头失效评定曲线的方法,并利用有

2、限元计算分析了焊接接头材料组配以及裂纹儿何发生变化时,介q双参数焊接接头失效评定曲线的变化规律。进一步结合工程实际,对双参数焊接接头失效评定曲线中各参量的_程估算方法及其临界值测试和计算的途径作了系统的研究和归纳,得到了一个比较完整并便于工程实际应用的焊接结构完整性评定途径。在焊接缺陷结构的完整性评定过程中,接头的断裂韧性及其测试是其完整性评价的另一个中心环竹。结合有限元数值解的结果,本文讨论了平面应变状态下,不同裂纹j七何及材料组配焊接接头的载荷与位移曲线。在此基础上,应用柔度变化率法分析了各种组配接头的断裂性能,提出了适于工程应用的焊接接头断裂韧性的工程估算方法。西安理工大学硕士学位论文最

3、后,结合专家系统知识,通过vc十+.60可视化程序设计软件,开发出能应用于焊接结构缺陷评定的辅助系统软件包。关键词焊接接头介q双参数准则失效评定曲线断裂韧性有限元方法本目录1绪论. 2均匀材料裂纹尖端应力应变场的研究现状.3目前缺陷评定方法的现状及其新发展.1应力强度因子准则.2tcod设计曲线法.1.3.3eri的j积分估算方法.3.4失效评定图(fad)法.,.64焊接结构的缺陷评定.81.4.1焊接接头裂端场的研究现状.92焊接接头缺陷评定方法的研究现状.105专家系统的研究现状.,.,.125.1国内外焊接专家系统的研究现状,.1352国内缺陷评定专家系统的研究现状.136本文研究的主

4、要内容及技术路线.142焊接接头裂端场及jq双参数断裂准则的建立.161前言随着航天航空、海洋工程、石油化工等工业的迅速发展,焊接结构的应用越来越广泛。然而,由于焊接过程本身受到焊接技术发展水平、焊接工艺以及焊接所使用材料等实际因素的影响和制约,很容易在结构的焊接部位形成各种各样的焊接缺陷,这些缺陷的存在必然对焊接产品的使用功能带来很大影响。考虑到焊接连接的固有特点和材料组成的不同一性,加之焊接本身是一个复杂的热物理化学冶金过程,这些因素的作用造成了焊接接头部位材料和力学性能上的不均匀性,并给焊接结构缺陷评定工作带来不少困难。关于焊接接头不均匀裂纹体的断裂分析和完整性评价一直是困扰力学界和焊接

5、界的一个主要问题,也是目前缺陷评定方法研究的焦点和难点。因此,结合断裂力学基本理论,对焊接缺陷和焊接接头进行系统地分析和研究,同时寻求一个适合于工程应用的焊接结构完整性评价方法,具有重要理论意义和实际应用价值。从六十年代到今天,一方面断裂力学从早期对脆性断裂的探索发展到目前对弹塑性断裂力学的研究,都是和金属结构件的完整性评定息息相关的,这些理论的成熟为结构缺陷的断裂分析和完整性评定提供了有力的工具,也是进行焊接接头力学性能不均匀性缺陷完整性评定的基础;另一方面,计算机技术已经渗透到了人类社会的方方面面,个人计算机(pc)也已经获得了大量应用。将计算机技术应用于结构缺陷的断裂分析和完整性评价中,

6、把复杂的计算和繁琐的评定过程借助于计算机来实现,为工程中缺陷评定提供更加有力的工具,这无疑是十分有意义的。1.2均匀材料裂纹尖端应力应变场的研究现状裂纹尖端应力应变场是建立裂纹起裂与扩展准则的理论依据,长期以来一直是众人所研究的焦点。断裂力学发展到今天,其表征外载荷作用西安理工大学硕士学位论文下裂纹尖端应力应变场强度参量的方式主要有三种,即应力强度因子k、裂纹嘴张开位移占和围绕裂纹尖端的闭路j积分。应力强度因子k是线弹性断裂力学分析的方法,适用于裂纹尖端场塑性变形较小的线弹性试件。在裂纹结构塑性变形较大的情况下,断裂力学则应采用裂纹尖端张开位移(ctod)或围绕裂纹尖端的闭路j积分作为断裂参量

7、来表征应力场的强度。60年代末期,hutchinson2、riee和rosengren3首先对幂硬化材料,基于小变形j。形变理论,通过对非线性弹性材料半无限平面裂纹体应力应变场的研究,得到了裂纹尖端的主渐近解,即hrr奇异场解,并以j积分作为断裂参量来描述裂断场。j是rice的j积分断裂参量,rice建议的二维场j积分表达式为131:j工(肠1一“夕会,(1一1)上式中r为积分路径,砰为应变能,沿外法线方向上的单位矢量。鉴于j积分既有明确的物理意义,又便于计算和测量,从而使其在弹塑性断裂力学的理论和工程应用中得到了推广,对断裂力学的发展起到了很重要的作用。裂纹考虑图1一1所示的裂纹结凡为应力偏

8、张量,n为回路r上图1一1平面状态裂纹结构构,在某一外载荷作用下,hrr场理论用下式来描述其应力场强度:五二口y式中,j为rcie的j积分,关的函数,aj,、气、l尸共丁而:夕、。,、)又既,ct,z。厂少(1一2)是一个与坐标位置无关仅与载荷及裂纹几何有.ni月是裂端场材料常数,子。(0,n)是一个与坐1绪论标0和材料应变硬化指数n有关的无量纲参数。自从j积分应用于断裂分析以来,有关hrr场能否正确地描述各种实际试件应力应变场的理论和实验研究一直是断裂力学研究的一个主要内容。几十年来的理论和试验研究以及有限元数值计算表明4,5:hrr奇异场在裂纹尖端一环形区域内,在一定程度上能够对不同裂纹几

9、何和不同受力方式的裂纹体,刻画出其真实的应力应变特征,奇异场的强度系数j积分同样在一定程度上可作为控制裂纹起裂的单参数准则。但是,hrr场奇异性理论建立之初,在确定裂端应力应变场的同时,亦相应地对裂端塑性约束强度一应力三轴性提出了严格的要求,而这一要求是为了满足hrr场奇异性“无限大平板,半无限裂纹,服从纯幂指数硬化规律的非线性弹塑体”41的这种假设,然而,其与实际工程中所应用的应变硬化弹塑性材料有着本质上的不同,两者的裂端塑性约束强度很可能存在着差别,这一差异可能对其应力应变场的分布特征产生影响。进一步的研究表明,实际试样中平面应力条件下的裂端约束基本上可以满足hrr场奇异性的要求,j主导裂

10、端场有效。在此前提条件下测得的j是一个材料常数,可以作为弹塑性断裂判据中的断裂参量使用。不同试样几何及裂纹深度等情况下,处于平面应变状态的裂纹体,其裂端有着不同的应力三轴性水平,相应地,其j积分单参数已失去其主导断裂场的有效性,并直接导致所测得的断裂韧性jcj依赖于试验条件或裂端应力三轴性水平,不是材料常数,因此现行的有关jcl试验标准或规范的科学性和合理性存在问题5。为了解决在平面应变条件下,裂端约束不能满足hrr场奇异性要求,j积分单参数不能作为弹塑性断裂判据的问题,寻找能够反映实际的应力应变场新的断裂参量是其根本办法。目前关于j积分对三轴应力的依赖和不能完全反映实验结果的修正,集中在提出

11、一个考虑裂端拘束度的弄q双参数断裂参量16一川,然后依据双参数建立新的断裂准则2一4。弄q双参数断裂参量中j表示j积分,是衡量裂纹尖端附近高应力或高应变区的尺度,3西安理工大学硕士学位论文q是裂端应力三轴性因子,表征裂纹尖端受拘束的程度。实际中,三轴应力水平在韧性断裂失效中起着重要的作用,裂端应力应变场的建立必须同时满足应力及应力三轴性水平,这样建立的断裂判据才能真正反映断裂的实质,这也是hrr场所决定的j积分主导是否有效、j断裂判据是否成立的关键。弄q双参数理论的提出解决了hrr场应力解不能真实反映平面应变条件下,材料应力应变场这一困难,为断裂力学在工程实际中的应用奠定了基础。1.3目前缺陷

12、评定方法的现状及其新发展近年来的研究表明某些缺陷的存在对工程结构的正常服役并无影响,因而有必要在“合于使用”(fitnessofrpurpose)原则基础上建立缺陷评定准则【。断裂力学发展到今天,依据“合于使用”原则建立的结构完整性技术及其相应的工程安全评定规程(方法)越来越走向成熟,己在国际上形成了一个分支学科,在广度和纵深两方面均取得了重大发展。在广度方面新增了高温评定、各种腐蚀评定、塑性评定、材料退化评定、概率评定和风险评估等内容;在纵深方面:弹塑性断裂、疲劳、冲击动载和止裂评定、极限载荷分析、微观断裂分析、无损检测技术等均取得很大的进展,亦为工程实际的分析提供了坚实的理论基础。对于缺陷

13、的评定方法世界各国都有研究,大多数都是以在役压力容器的安全评定为主线,提出各自的评定方法或规范,并对这些规范进行不断的修改和补充。从断裂力学的基本理论看,现在缺陷评定的主要方法有应力强度因子准则、ctod设计曲线法、美国加州电力研究所(epri)的j积分估计方法和以英国cegb的r6方法为代表的失效评定图法等。从有利于工程实际应用的角度来看,失效评定图是一种简便的方法,代表了含缺陷结构完整性评定发展的方向。1.3.1应力强度因子准则早期有关缺陷评定及结构完整性评价的标准或方法是建立在线弹性l绪论断裂力学基础上的。如美国的asme“锅炉与压力容器规范”第m、i篇附录【“,7,其基本思想是应用了线

14、弹性断裂力学理论,以裂纹尖端应力场强度因子k作为参量进行评定,用下式作为含缺陷结构断裂的准则:k三k,。一(1一3)式中ki:是构件在静载作用下裂纹开始扩展的临界应力强度因子值,也就是材料的断裂韧性。上式表示结构在外载荷作用下,如果裂纹端部的应力强度因子达到或超过材料的断裂韧性值时整个结构便会失效。1.3.2ctod设计曲线法ctod设计曲线法最初是用窄带屈服模型为基础建立的,它可用于韧性材料塑性变形较大时的工程评定中,认为临界ctod值代表着裂纹尖端附近最大允许应变的度量,该方法因其物理意义直观并得到宽板试验的验证,在一些国家较早得到应用。该方法的设计曲线的形式如下8l:占/(2朋。e:)=

15、(e/e,)占/(2朋。e,)=e/e:一0.25e/e、0.5e/e,0.5(1一4)式中,ea表示缺陷的等效裂纹尺寸,e,。:分别表示外载荷作用下缺陷的实际应变和屈服应变,应用上式计算裂纹体在外载荷作用下的断裂参量占,断裂准则仍用占三氏来表示。氏是用ctod断裂参量所表示的实际材料的断裂韧性值。著名的焊接缺陷评定规范pd6493就是以ctod设计曲线法为基础所建立的缺陷评定方法【“。另外,我国压力容器缺陷评定规范组所编制的“压力容器缺陷评定规范evda一984”【”,德国的dvs24ol一z规范20,日本的wes28os一1980标准,国际焊接学会的标准nw-x一749一74均采用ctod

16、设计曲线的思想8。1.3.3epri的j积分估算方法从断裂力学发展及其在工程中的应用来看,虽然线弹性应力强度因子法和ctod设计曲线法一直在不断完善和发展,但是随着j积分断裂分西安理工大学硕士学位论文析方法的出现,建立在j积分作为断裂参量基础上的缺陷评定方法已经成为当代缺陷结构断裂评定的主流。从现有的研究成果来看,j积分能够广泛应用于实际工程中,应首先归功于美国加州电力研究所(epri)的有关j积分工程化的一系列研究,并得到了一种基于材料裂纹扩展阻力曲线的弹塑性断裂分析方法。该方法的理论基础是从小范围屈服到大范围屈服的裂纹尖端存在hrr场奇异性和j主导裂纹扩展理论,利用线弹性解和全塑性解的叠加

17、,通过对四种典型断裂试件及裂纹圆筒的全塑性有限元计算,进而对其裂纹扩展驱动力j积分进行工程估计,最后归纳出三种直接应用与工程评定的图形一裂纹驱动力图、稳定评定图及失效评定图,以对缺陷结构做出是否安全的评价2,。epri方法的核心是j积分断裂参量的工程估算法,从而使j积分断裂参量可以用一些简单的表格、图形以及材料的性能条件进行估算,从而使实际工程中j积分参量的计算不必进行详细的断裂理论分析即可求得【“l,这种方法解决了j积分计算上的困难,为j积分直接应用于工程实际奠定了基础。1.3.4失效评定图(fad)法自从英国中央电力局(cegb)在1976年提出用失效评定图来评定含缺陷结构安全性以来,失效

18、评定图方法取得了长足的进展,世界各国普遍采用失效评定图技术,且标准趋向统一。目前国际上比较常用的失效评定图方法主要有以下几种:ar6失效评定图方法r6失效评定图技术的关键在于建立工程应用的失效评定曲线。1986年cegb发表的r6第3版中,失效评定曲线的建立方法有三种选择,对裂纹延性稳态扩展的处理方法有重大改进,提出了缺陷评定的三种分析方法【8。应用第3版的r6方法不仅能够判断裂纹结构是否起裂,而且还可以分析裂纹稳定扩展至失稳扩展的全过程和裂纹等缺陷体各种因素对1绪论其安全裕度的敏感性。r6第3版出版后己陆续地增补了1个新附录,由于近年来断裂力学评定技术的发展特别是sniiap、bs7910和

19、美国api579的出现,英国的britihsenergy(英国核电公司)、bnfl(英国核燃料公司)及aea(英国原子能管理局)组成的结构完整性评定规程联合体下的r6研究组,在吸收了世界各国研究进展后,于2001年颁布了第4次修订版22。r6第4版代表了国际上水平最高的压力容器评定标准,内容应引起国人注意。bepri失效评定图方法1981年,美国epri首次提出用于扩展裂纹失稳分析的“稳定性评定图”23,其基本原理是以随意性较强而预见性较差的数值作图分析为基础的,显得过于繁琐和不确切,而且难于获得高置信度的失稳预测。在此基础上,epri通过研究cegb的r6失效评定图和弹塑性断裂理论,于198

20、2年6月提出了“含缺陷核压力容器及管道的完整性评定规程,81,使用j控制裂纹扩展的概念和j积分的工程估算方法,推导出以j积分理论为基础的失效评定曲线(jafc)。这是一部采用失效评定图技术的工程规程,其评定方法与r6类似,即对于一个给定的载荷和裂纹尺寸,依据j积分参量计算评定点,如果评定点位于失效评定曲线内侧,则结构是安全的;对于评定中的结构安全裕度可以从评定点与评定曲线之间的距离直接测得。epri的jafc有两个重要特点24:()l以材料符合或基本符合ror本构关系为前提;(2)以手册提供的j积分塑性分量办计算方法,相应于不同的结构、材料和裂纹,分别绘制所需的jafc。因此,epri评定法的

21、特点式不提供通用失效评定曲线。epd6493失效评定图法pd6493早期所使用的失效评定图的概念主要是从cegb的研究成果中得到的,它实际上是表示两种截然不同的失效机制间的内插曲线,即断裂韧度凡。所控制的脆性断裂和由极限载荷所控制的塑性失稳。修订的西安理工大学硕士学位论文pd6493失效评定图(1919版),在r6第3版的基础上,充分考虑了随着裂纹扩展而增强的阻力,增加了预测失稳扩展的高级评定部分,因而更接近实际情况23,“5】。由于断裂力学的迅速发展,世界各国的评定规范都处于不断的完善过程中,pd6493亦不例外。2000年,pd6493将1991年所研究的评定方法与1994年发表的pd65

22、39(高温评定方法)进行合并,并根据近十年来研究成果发表了修正版,称为英国标准bs791o,规范名称改为“金属结构中缺陷验收评定方法导则”,新的规范仍然是三级评定,都采用失效评定图方法126。d欧洲工业结构完整性评定方法(sintap)由欧洲委员会(europeancommission)发动组织9个国家的17个组织在“合于使用”原则评定标准的基础上,编写了欧洲工业结构完整性评定方法,简称sniatp27。sniatp采用了失效评定图(fad)和裂纹推动力(cdf)的两类分析方法。afd的关键是失效评定曲线(f吞.),只要评定点(lr,凡)落在afd图内的安全区,则缺陷就是安全的。cdf是直接按

23、j丛jcl的判据来进行评定的,但是规定裂纹驱动力j的计算应按失效评定曲线的表达式(fl:)求得,因此尽管cdf法和afd法形式上有所不同,但实质是一样的。snitap对含缺陷结构进行完整性评定时,充分考虑了材料性能,根据所需要评定精确程度的要求分别确定不同的评定参数,建立不同的失效评定曲线。在sniatp7个评定级别中,随着评定级别的增高,所需要材料的力学性能参数也需要越详细,评定所达到的精确程度也就相应地越高28,29。1.4焊接结构的缺陷评定断裂力学的发展为材料及结构缺陷评定提供了有力的手段,但是,以往研究的基本出发点是以均匀材料为基础的缺陷评定法,尤其是没有考虑焊接接头材料力学性能不均匀

24、性带来的影响。对于工程上常见的焊l绪论接接头部位的缺陷,这些评定方法是否适用,以及如何建立有关焊接接头缺陷评定的方法是人们十分关心的课题,也是目前缺陷结构断裂评定研究的焦点之一。1焊接接头裂端场的研究现状焊接接头中的不均匀性因素普遍存在,而且也十分复杂。从不均匀性对缺陷体性能的影响方面进行考虑,这些因素可分为力学不均匀性和几何不均匀性两大类。力学不均匀性因素包括母材和焊缝金属屈服强度以及幂硬化指数的不匹配;几何不均匀性因素包括焊缝宽度、裂纹长度及其在焊缝金属中的相对位置等。这些焊接接头性能的不均匀性因素对接头断裂评定方法的影响规律及其评定方法的研究,成为焊接缺陷结构完整性评定中的难点。从目前断

25、裂力学的发展方向来看,j积分理论在弹塑性断裂力学分析中已受到广泛的重视,与均匀材料的裂纹尖端应力应变场研究一样,j积分断裂参量无疑也是表征焊接接头裂端应力应变场强度的首选参量。作为j积分断裂分析的基础,j积分主导的有效性是应用于断裂分析的先决条件,而j积分的路径无关性(守恒性)这一典型特征是它能够应用于断裂分析的一个关键因素,但无论是均匀材料还是焊接接头,j积分的守恒性并不能说明j主导断裂场的有效性。国内于80年代率先开展了不均匀性因素对j积分断裂参量影响的研究30,3,在证明了焊接接头中j积分具有守恒性的基础上,略去热影响区的存在,假设焊接接头是由母材和焊缝金属两部分组成,并认为焊缝金属宏观

26、均匀,采用小变形有限元分析方法,考察了多种情况的力学和几何不均匀性对j积分参量的影响,为j积分断裂参量在焊接接头裂端场中的分析应用奠定了理论基础。文【32一34通过有限元数值计算,进一步证明j积分的守恒性在焊接裂纹体中仍然成立。实际焊接接头的力学性能分布是不均匀的,有关焊接接头hrr场主西安理工大学硕士学位论文导的有效性、j积分理论的适用性以及裂端拘束与力学不均匀性之间的关系等方面的研究一直是焊接接头断裂分析的主要内容31一。文38j基于有限元和云纹干涉分析的混合结果,指出焊接接头中的j主导是有条件存在的,并阐明j主导有效的条件与接头组配和材料本构关系有关,而与韧带长度无关,同时还揭示了焊接接

27、头中以应力三轴度表征的裂纹尖端拘束度不能满足hrr场的要求而呈现出复杂的演化规律,即在距离裂纹尖端的某一位置处裂纹尖端拘束存在一个最大值,该最大值随着外加载荷水平的增加而降低。文【39采用有限元分析方法,较全面地研究了焊接接头中不均匀性因素对焊接接头裂端应力三轴性的影响,得到了焊接接头中j主导裂端场在平面应变条件下失效,而在平面应力条件下仍然有效性的结论。文40通过对焊接接头裂纹尖端应力应变场的有限元数值计算表明,处于平面应变状态下的焊接接头,单参数j积分参量不能完全反映实际应力场的强弱大小,在结合均匀材料裂纹体裂端场研究成果的基础上,提出了将应力三轴性q因子用于表征焊接接头裂端场强度的计算途

28、径。以上的研究结果从不同方面促进了断裂力学在焊接结构缺陷评定中的应用,为进一步研究奠定了理论基础。1.4.2焊接接头缺陷评定方法的研究现状随着工程实际中韧性材料的广泛应用以及弹塑性断裂力学的迅速发展,有关焊接接头力学和几何不均匀性对焊接结构缺陷评定过程中的影响,已经取得了不少的研究成果。文【41一45利用有限元计算结果,讨论了焊缝长度、焊缝宽度以及强度组配等情况下对焊接接头断裂驱动力j积分参量的影响,进一步为j积分在焊接结构缺陷完整性评定中的应用奠定了基础;文【46通过对焊接接头裂纹尖端等效屈服强度和等效应变指数进行研究,获得了分析力学性能不均匀裂纹体断裂参量的表达式,该方法和epri方法相兼

29、容,同时适用于力学性能均匀材料和不均匀材料的断裂评定;文471的研究则以epri的j积分估计方法为基础,在一定的工程假设条件下,结合有限元1绪论数值计算的结果,得到了焊接接头中裂纹驱动力j积分参量的工程估算方法,将epri方法向前推进了一步;文48的研究采用etm方法的思想,得到了焊接接头j积分的估算方法,其估算结果与有限元数值解取得了很好的一致性。在考虑了焊接接头力学不均匀性的前提下,将失效评定图技术应用于焊接结构完整性评定的研究亦取得了不少成果。文l49,50通过有限元计算表明,可以应用j积分断裂参量来建立焊接接头的失效评定曲线,并指出在工程实际中采用母材材料性能代替焊接接头建立失效评定曲

30、线得到结果是偏安全的;文51,52利用有限元数值解的结果,进一步探讨了利用j积分断裂参量建立焊接接头失效评定曲线的可行性,并得到了不同材料组配对焊接接头失效评定曲线的影响规律;文【53一55针对一系列简化后的焊接缺陷模型进行有限元计算后,得到了焊接缺陷结构在不同外载荷条件下,塑性失稳极限载荷的工程估算公式,为焊接接头失效评定曲线的工程化奠定了一定基础。目前世界各国关于缺陷评定的规范中,都对焊接缺陷结构件的完整性评定做出了一定的探讨22,6,特别是r6第4版22和sniatp57这两种评定方法中考虑了焊接接头的特殊性,代表了当今世界焊接缺陷结构完整性评定方法的发展趋势。综观以往的研究成果,一方面

31、j积分在含缺陷焊接结构体中的守恒性得到了有限元数值计算上的验证,为j积分在非均质材料中的应用奠定了基础;另一方面也为焊接接头的缺陷评定提供了很多的研究方法。但是焊接接头毕竟是一个复杂的力学性能不均匀连续体,有关焊接结构的缺陷评定仍有很多问题有待于进一步的研究。首先,虽然j积分的守恒性在焊接裂纹体中仍然近似成立,但是这并不能说明j积分主导的有效性以及j积分参量能够很好地描述焊接接头的断裂实质。己有的研究表明39,40】,处于平面应变状态下的焊接接头,单参数j积分已不能完全反映实际应力场的强弱大小,需要寻求一种新的断裂参量来衡量裂纹尖端应力应变场的强度。西安理工大学硕士学位论文其次,目前的压力容器

32、评定标准中应用失效评定图(fad)法对焊接缺陷结构进行评定时,是以epri的j积分估计方法为基础,用弹塑性j积分分析代替窄条屈服模型,来定义焊接接头失效评定曲线(afc)的。但在平面应变状态下,j积分参量不能反映焊接接头实际应力场的实质,相应地,采用弹塑性j积分理论建立的含缺陷焊接接头失效评定曲线在断裂评定中也必然存在一定缺陷。寻求能真实反映焊接接头裂端实际应力应变场的断裂参量,建立适于焊接结构的失效评定曲线并将其应用于工程实际中,这无疑是非常重要的。对于焊接接头,失效评定图技术的实质仍在于建立失效评定曲线和计算某一特定接头材料裂纹体的评定点的坐标。建立焊接接头失效评定曲线的理论和工程基础是计

33、算接头的裂纹驱动力(线弹性计算和弹塑性计算),计算评定点坐标的关键在于确定裂纹体的断裂韧性以及计算缺陷体的极限载荷。因此系统地寻找各力学不均匀性因子对失效评定曲线及断裂韧性的影响规律,是将失效评定图技术应用于焊接接头缺陷完整性评定的关键。1.5专家系统的研究现状专家系统(e)s是在人工智能研究过程中产生的一门新兴学科。目前,专家系统和自然语言理解、机器人学一起,并列为人工智能研究中最活跃的三大领域。专家系统是一种能够在专家水平上工作的计算机程序,专家系统所具有的专业知识和经验以及解决专门问题的能力能够达到甚至超过人类专家水平。因此这种系统能够在特定的领域和范围内,为解决复杂问题进行“知识”服务

34、,即利用领域专家的专门知识和推理能力,解决在通常情况下难以处理的问题。专家系统的研究工作开始于1%5年,在焊接领域开展专家系统的研究工作是从1985年才开始的。目前,许多国家在焊接领域的不同方面开展着计算机专家系统的研究工作,这己成为焊接工作者的研究热点之一。1绪论1.5.1国内外焊接专家系统的研究现状在国外,专家系统已经进入焊接领域的各个方面,并开始向商品化迈进。iiw(internationalxnstitutewelding)的统计资料表明:开展这方面研究工作的国家有英国、美国、日本、德国等国家。其中英国、美国、德国、日本是比较早在焊接领域开展专家系统研究工作的国家58。我国大约在80年

35、代末开始了焊接es的探索,目前己经开始在生产中获得实际应用。表1一1、表1一2分别列出了国内外开发的一些焊接专家系统59,60。表1一1国内开发的焊接专家系统名称类型所处阶段开发者焊接方法选择es方法选择研究原型南昌航空工业学院焊接冷裂纹计算机辅助评定系统裂纹预测演示原型上海交通大学焊接材料选择es焊材选择研究原型清华大学wdr焊缝缺陷识别系统缺陷诊断研究原型上海交通大学铝合金焊接工艺制定es工艺选择研究原型哈尔滨工业大学超声波焊接es焊接结构cad研究原型上海交通大学焊接工程的数据库及es工艺设计研究原型哈尔滨工业大学焊接金相组织自动定量识别es金相识别研究原型天津大学弧焊工艺制定与咨询es

36、(esw)工艺制定实用原型清华、燕山石化焊接数据库及弧焊工艺评定系统工艺评定研究原型合肥工业大学1.5.2国内缺陷评定专家系统的研究现状我国es研发始于1988年,经历了十几年的发展,我国的计算机水平在焊接方面的研究也已逐步趋向成熟,部分系统已经商品化。在缺陷评定和结构安全方面的专家系统,主要有清华大学用人工智能语言turboprolog,以“合于使用”原则为依据开发的“压力容器缺陷评定规范l3西安理工大学硕士学位论文vdca一84咨询系统”环山东大学利用delihs.结合数据库和专家系统知识,以gb150一1998、sapv一1995等标准和规范为依据开发的“压力容器管理与安全评定辅助专家系

37、统”62等。以上的成果标志着我国缺陷评定专家系统的研究有了很大的进展,但针对焊接缺陷结构完整性评定专家系统的研究几乎为空白。伴随着计算机技术的飞速发展,将计算机技术应用于含缺陷焊接结构的断裂分析和完整性评定中,把复杂的计算和繁琐的评定过程借助于计算机来实现,为工程实际中缺陷评定提供更加有力的工具,这无疑是十分有意义的。1.6本文研究的主要内容及技术路线为了建立一个焊接缺陷结构完整性评定方法,并在此基础上,开发出一套能应用于工程实际的含缺陷焊接结构辅助评定系统的软件包,本文拟从以下几方面进行研究:(1)从有限元数值计算出发,讨论焊接接头裂纹体材料组配发生变化时,其裂纹尖端应力应变场的变化规律,从

38、而对断裂力学的基本理论在焊接接头中的适用性有所认识。(2)基于j积分断裂参量在平面应变状态下,不能完全反映焊接接头裂端应力应变场实质的问题,考虑到应力三轴性对焊接接头裂端场的影响,本文从寻求反映焊接接头裂端实际应力应变场的断裂参量出发,讨论符合焊接接头裂端应力场实质的失效评定曲线的建立途径。(3)在利用有限元数值解研究焊接接头j积分断裂参量和应力三轴性q因子分布规律的基础上,结合工程实际,对新建立的焊接接头失效评定曲线中各断裂参量进行工程化。(4)从分析平面应变状态下,不同材料组配、裂纹几何中心裂纹焊接接头的载荷与位移曲线入手,进一步应用柔度变化率方法探讨焊接接头断裂韧性的工程估算方法。(5)

39、通过以上的研究,结合专家系统知识,利用vc+6,o可视化程序设计软件,设计和编写适于含缺陷焊接结构辅助评定系统的软件包。1绪论本课题研究工作的技术路线为含缺陷焊接接头完整性评定工程方法及其辅助评定系统设计辅助评定系统设计平面应变状态下,焊接接头的载荷与位移曲线的研究焊接接头裂端应力应变场的研究.1前言由于焊接接头存在冶金及力学性能的不均匀性,从力学分析的角度来看,不均匀性主要表现在接头的材料和几何不均匀性方面。这种不均匀性在焊接结构的制造及使用过程中,必然会给其应力及应变场的分布带来很大的影响。因此,有必要从焊接接头的材料组配对其裂端场的应力分布状况的影响出发,探索焊接接头应力场与均匀材料的差

40、别。在目前的弹塑性断裂力学研究中,以hutchinson,2、几ce和r。sengreni3提出著名的hrr场理论为标志,j积分在弹塑性断裂力学研究中的作用受到广泛重视,其理由在于:(1)j积分理论根据严密,定义明确,在理论上可以解释为变形功的差率,这样j积分可由试验标定;(2)j积分有与路径无关的特性,因而j积分可由简单的路径积分算出,从而避开了直接计算裂纹尖端附近弹塑性应力应变场的困难;(3)j积分可作为表征裂纹起裂的弹塑性断裂准则。鉴于j积分断裂理论具有严密的理论基础,又便于计算和测量,考虑到焊接接头形成过程中的特殊性,将j积分断裂参量用于描述含缺陷体焊接接头的研究很多,主要集中在讨论j

41、积分在焊接接头中的守恒性32一34以及力学不均匀性对j积分的影响方面4一44。文阱0利用有限元方法,对含缺陷焊接接头裂纹尖端应力应变场的计算结果表明:在平面应力条件下,无论何种材料组配、何种裂纹几何的焊接接头裂纹尖端的约束基本上可以满足hrr场奇异性的要求,j积分主导的断裂场有效,焊接接头的力学性能不均匀性对应力场的分布几乎没有影响,单参数j积分断裂参量能够反映焊接接头应力场的实质,因而在实际的焊接接头断裂评定中,可以直接应用单参数j积分作为断裂西安理工大学硕士学位论文参量进行断裂分析。处于平面应变状态下,不同材料组配、裂纹几何的焊接接头裂端有着不同的应力三轴性水平,其裂端正应力的计算结果均低

42、于hrr场解所给定的值,j积分主导断裂场的有效性不存在,单参数j积分己不能完全描述其实际应力场的强弱大小,需要寻求一种新的断裂参量来衡量应力场的强度。但是文40的有限元计算均是在保持裂纹所在的焊缝区材料不变,采用改变母材材料性能的方式来考察不同组配焊接接头裂端应力应变场的变化情况,这一研究方法与工程实际中的母材一定而焊缝材料性能随焊接材料的变化而改变这一现实有区别,因此,本章考虑到实际工程上的焊接结构,从改变焊缝材料使焊接接头材料组配发生变化这一概念出发,讨论焊接接头裂纹尖端应力应变场的变化规律,从而对断裂力学的基本理论在焊接接头中的适用性有所认识,以期得到一种新的断裂参量来衡量焊接接头裂端场

43、的强弱大小。,是材料的屈服强度和屈服应变,a、月是材料的幂硬化系数和指数。对于幂硬化材料,表征材料力学性能的主要参数是材料的屈服强度和应变硬化指数,焊接接头的材料不均匀性主要表现为焊缝金属及母材金属的屈服强度及幂硬化指数的组配不同,这两个参数是研究焊接接头材料不均匀性的重点。焊接接头由焊缝、热影响区和母材三部分组成,为了讨论的方便,参照以往的研究成果和方法#0,在进行力学分析时,对焊接接头做一些简化,简单认为接头是由焊缝金属和母材金属两部分织成的材料力学性能不均匀裂纹体,并认为两部分性能宏观均匀。西安理工大学硕士学位论文为了符合工程实际,本章有限元计算中所模拟的不同组配焊接接头,均是采用改变焊

44、缝材料的屈服强度和幂硬化指数来达到这一目的,计算时采用的材料性能参数如下:.4结构的极限载荷对于焊接接头中心裂纹板,平面应力和平面应变的极限载荷按下面的方法来进行计算64:平面应力状态:几=-o。,(2附一za)(2一4)平面应变状态:p0二l15.5j”,(2砰一2a)(2一5)式中,2砰是中心裂纹板的宽度,2a是裂纹的长度。2.3平面应变条件下的焊接接头单参数准则的适用性考察非均质焊接接头中的j积分的适用性,首先必须考察j积分的守恒性,即在非均质焊接接头中j积分是否仍保持其路径无关性,j积分的路径无关性是j积分参量广泛应用于工程实际的前提,但是j积分的守恒性是j积分参量能够用来表征裂纹体裂

45、端场的必要条件,j积分守恒性并不能说明hrr场能够正确地描述裂端应力应变场的实质,同样地,也不能完全说明j主导裂端应力应变场的有效性。从弹塑性断裂的本质来看,裂纹尖端应力应变场的分析是评价裂纹体断裂与否的基础,为了了解焊接接头/积分主导有效性与均匀材料的差异,这里对不同组配焊接接头裂端的应力场进行了有限元计算。j主导的有效性判别则采用同一载荷作用下,焊接接头裂端韧带上第一主应力的分布规律是否符合hrr场裂端韧带上第一主应力与无量纲化距离的关系式(2一3)这一标准来进行讨论。20西安理工大学硕士学位论文图2一3和2一4是同一母材材料,焊接接头的焊缝材料屈服强度及幂硬化指数组配不同时,各种裂纹深度

46、情况下的中心裂纹板其裂端正应力分布的有限元计算结果。图中的氏。表示沿裂端韧带上垂直于裂纹方向的正应力,而根据结构对称性和边界条件可知,.-ou少就是沿裂纹尖端韧带上的第一主应力;图中的符号,月则为沿韧带方向裂端韧带上某一点距离裂纹尖端的长度参量,hrr场解的结果是按照母材的性能估算的。需要说明的一点是,图中的极限载荷马值是按照式(2一5),采用母材材料性能计算的,这样便可以在相同的载荷条件下比较各种组配焊接接头裂端场的有限元计算结果。从图2一3中钝化裂纹实际应力场的有限元计算结果与hrr场解(采用母材性能计算的值)的比较来看,弹塑性材料处于弹塑性大变形情况下,可以得出以下几点:(1)无论是均匀

47、材料还是焊接接头,钝化裂纹的裂端场应力分布与hrr场应力解完全不同,其裂端正应力的计算值低于hrr场解的结果。从裂纹尖端开始,随着r吼/j的增加,裂端正应力逐渐上升,裂端正应力在r气/j值增加到.01一.10的范围时达到最大值。对于不同的裂纹几何,最大应力值也均在r-ox/j处于0.1一1.0之间。(2)所计算试件的裂端正应力分布从峰值开始,随着距离裂纹位置参数r吼/j的增大,呈下降趋势,无论何种裂纹深度变化的趋势都是相同的。(3)焊接接头材料强度组配的改变引起了裂端应力场分布的很大差异。从图中可以看出,焊缝屈服强度发生变化,其裂端应力场的分布存在明显的差异,随着距离裂纹位置参数r-o、./j

48、的增大,载荷水平的升高,差异也越大,无论何种裂纹深度结论都是一致的。从图2一4中同一母材材料不同裂纹几何的焊接接头,其焊缝屈服强度不变而幂硬化指数组配不同时,接头裂端正应力分布情况的比较结果可以看出以下几点:2l2焊接接头裂端场及弄双参数断裂准则的建立图2一4平面应变焊接接头母材材料同一,焊缝材料幂硬化指数组配不同时接头裂端韧带上的正应力分布(二劝=。一500mpa,n。二10)232焊接接头裂端场及弄双参数断裂准则的建立()l与图2一3相似,从裂纹尖端开始,随着r-o洲j白勺增加,焊接接头裂端的正应力分布逐渐上升,当r二洲j值增加到0.1一1.0的范围时,其裂端正应力达到最大值。对于不同的裂

49、纹几何,最大应力值也均在rtc洲j处于0.1一1.0之间。(2)随着距离裂纹位置参数ro洲j的增大,相同组配接头的裂端场正应力分布呈下降趋势:相应于不同裂纹几何的接头,趋势都是相同的。(3)接头材料的幂硬化指数组配不同时,不等组配焊接接头发生塑性屈服后的应力场分布与等组配接头的应力场分布有所不同,裂端正应力在靠近裂纹尖端处有明显差异,但随着无量纲距离参数:tc、/j的增大,不论何种裂纹深度,这种差别则迅速减小,与等组配接头的正应力分布基本一致。因此,在工程实际断裂分析过程中,可以不考虑幂硬化指数组配的不同对焊接接头裂纹体裂端正应力分布产生的影响。由以上的讨论可知,处于平面应变状态下的焊接接头中

50、心裂纹板,载荷接近或略超过极限载荷时,焊接接头的应力场分布与其同一裂纹结构的全母材裂纹体的应力场分布状况的计算结果有一定差别,在实际的弹塑性断裂评定中,应用全母材来代替接头进行断裂分析,得到的结果是不可靠的。而且,焊接接头裂端正应力的计算结果低于裂端hrr场理论解的值,j积分主导断裂场的有效性不存在,单参数j积分己不能完全描述其实际应力场的强弱大小,需要寻求一种新的断裂参量来衡量应力场的强度。2.4平面应力条件下的焊接接头单参数准则的适用性为了对平面应力条件下的焊接接头的j主导有效性有所了解,根据j主导裂端场有效性的定义式(2一3),对不同裂纹深度焊接接头在平面应力条件下裂端韧带上的最大正应力

51、进行了有限元计算,计算结果及其与hrr场理论解(采用母材性能计算的值)的比较结果示于图2一5和图2一6,图中的极限载荷尸。值是应用母材材料性能按照式(2一4)计算的。从图2一5中可以看出,同一母材材料的焊接接头,焊缝屈服强度改变西安理工大学硕士学位论文图2一6平面应力焊接接头母材材料同一,焊缝材料幂硬化指数组配不同时接头裂端韧带上的正应力分布(二,*=二飞、,=500mpa,n。二10)26西安理工大学硕士学位论文的情况下,接头韧带上的正应力二。随无量纲距离参数rtc、/j的变化规律几乎都是一样的,并且与hrr场应力场解基本相同。从图2一6中可以看出,焊缝幂硬化指数变化时,接头韧带上的正应力-

52、o。随着无量纲距离参数厂吼/j的变化规律与图2一6大致相同,在靠近裂纹尖端处有一定差别,但随着无量纲距离参数ro、一/j的增大,这种差别则迅速减小,基本与h双场应力场解一致。因此,对处于平面应力状态的焊接接头来说,j主导的有效性依然存在,实际工程中完全可以采用j积分作为断裂参量进行焊接接头的断裂分析,最终得到的结果是可靠的。2.5弄q双参数断裂准则的建立鉴于以上的讨论可知,在平面应力条件下,无论何种材料组配、何种裂纹几何的焊接接头裂纹尖端的约束基本上可以满足hrr场奇异性的要求,j积分主导的断裂场有效,焊接接头的力学性能不均匀性对应力场的分布几乎没有影响,单参数断裂参量j积分能够反映焊接接头应

53、力场的实质,因而在实际的焊接接头断裂评定中,可以直接应用单参数j积分作为断裂参量进行断裂分析。处于平面应变状态下,不同材料组配、裂纹几何的焊接接头裂端有着不同的应力三轴性水平,其裂端正应力的计算结果均低于hrr场解所给定的值,j积分主导断裂场的有效性不存在,单参数j积分已不能完全描述其实际应力场的强弱大小,需要寻求一种新的断裂参量来衡量应力场的强度。因此寻求适合平面应变条件下均匀材料和焊接接头的多参数准则是十分必要的。2.5.1均质材料jq双参数断裂准则的建立考虑到工程界常用的幂硬化材料,odowd和shhi”一川通过有限元对裂端场的计算表明,hrr奇异场宜于表征裂纹尖端的高三轴应力场,而低三轴应力场的解与hrr场相差较大。由此他们认为,造成实际应力场应力值与hrr场计算值之间差别的主要原因在于裂端三轴性