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典型焊接接头疲劳强度的主要影响因素及其影响规律的研究

作　者: 赵尚超
导　师: 王生武; 吴昌华
学　校: 大连交通大学
专　业: 工程力学
关键词: 机车车辆焊接结构疲劳影响因素焊接残余应力模拟载荷叠加
分类号: TG405
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

伴随着我国铁路和城市轨道交通的快速发展，出现了大量的机车车辆焊接结构。而因为设计或工艺的不当，不断发生焊接结构疲劳失效事故。我国焊接结构疲劳设计起步相对较晚，还没有焊接结构的疲劳设计标准出台，有关技术人员往往照搬其它国家的焊接结构设计标准。但是，这些国外标准都未提供相应的机理或理论依据，从而无法与我国的实际生产特点和产品的具体特点相结合而进行灵活和合理应用，成为我国机车车辆的疲劳强度和可靠性方面的隐患。本文首先对IIW/BS/AWS三个标准的焊接结构疲劳设计方法进行分析比较，然后按分类对焊接接头从结构、载荷方向、焊接残余应力三个主要方面进行三维（弹塑性）有限元数值分析，研究典型接头疲劳强度的主要影响因素，及其对疲劳强度的影响规律。从而揭示出各个疲劳强度设计标准的基本原理和主要设计思想，为我国机车车辆等焊接结构的疲劳强度设计和生产提供理论依据：(1)分析比较IIW/BS/AWS标准焊接疲劳设计方法，对标准进行比较分析，为吸收转化成为适合机车行业的焊接标准奠定基础。(2)按分类对焊接接头从结构、载荷方向等方面探讨常见接头应力集中对接头疲劳强度的影响。横向承接接头疲劳强度主要影响因素为结构应力集中，纵向承载时主要影响因素为焊接工艺。(3)对6mm薄板的25#钢对接接头进行焊接模拟，采用高斯函数进行数表加载，解决了复杂面的高斯热源加载问题。焊后自平衡残余应力和焊后变形与实际情况基本相符，为实现厚板对接模拟奠定基础。(4)进一步采用“双生死单元法”考虑热源前端金属未形成状态和金属的凝固、熔化影响，开发了机车底架16Mn钢中厚板典型接头残余应力模拟程序。结果表明，对接接头、T形接头、搭接接头应力集中部位与残余应力的集中部位一致，二者存在相互影响，其中搭接接头、T形接头由于接头形状不连续的影响导致残余应力影响更为严重。(5)以弹塑性本构模型分析存在初始残余应力的接头承受载荷时载荷叠加机理。结果表明，单调载荷下残余应力使外载荷的平均应力升高，高值残余拉应力确是导致接头疲劳强度降低的重要原因。铁路机车焊接结构的疲劳可靠性分析为机构分析中的研究热点，本文具有重要的理论价值和实际应用意义。

全文目录

摘要  5-6
Abstract  6-12
第一章绪论  12-17
  1.1 研究背景  12-13
  1.2 焊接结构疲劳研究现状  13-15
    1.2.1 国外研究现状  13-14
    1.2.2 国内研究现状  14-15
    1.2.3 存在的不足及有待解决的问题  15
  1.3 本课题的研究内容及意义  15-16
    1.3.1 研究内容  15-16
    1.3.2 课题意义  16
  本章小结  16-17
第二章焊接疲劳设计规范的分析和比较  17-33
  2.1 焊接接头疲劳强度影响因素分析  17-18
    2.1.1 焊接接头类型对焊接结构疲劳强度的影响  17
    2.1.2 母材强度对疲劳强度的影响  17-18
    2.1.3 焊接残余应力的影响  18
  2.2 IIW/BS/AWS 标准简述  18-19
  2.3 IIW/BS/AWS 标准的分析与总结  19-32
    2.3.1 标准的适用范围  19
    2.3.2 疲劳作用力  19-23
    2.3.3 S-N 曲线的分类  23-24
    2.3.4 S-N 曲线的拐点  24-26
    2.3.5 S-N 曲线的修正  26-29
    2.3.6 损伤理论  29-31
    2.3.7 接头的设计  31-32
  本章小结  32-33
第三章接头应力集中分析  33-47
  3.1 对接接头  33-38
    3.1.1 等截面对接接头  33-36
    3.1.2 变截面对接接头  36-38
  3.2 十字接头  38-41
    3.2.1 承载焊缝  38-39
    3.2.2 非承载焊缝  39-41
  3.3 T 形接头  41-44
    3.3.1 横向承载  41-42
    3.3.2 非承载焊缝  42-43
    3.3.3 纵向联系焊缝  43-44
  3.4 搭接接头  44-46
    3.4.1 等截面搭接接头  44-45
    3.4.2 变截面搭接接头  45-46
  本章小结  46-47
第四章薄板对接接头残余应力模拟  47-67
  4.1 焊接过程的有限元分析理论  47-53
    4.1.1 温度场计算  47-48
    4.1.2 热应力的计算  48-53
  4.2 焊接数值模拟的计算模型  53-56
    4.2.1 热源模型  53
    4.2.2 材料物理性能参数  53
    4.2.3 边界换热系数  53-54
    4.2.4 相变潜热  54-55
    4.2.5 金属熔化和凝固的处理  55-56
  4.3 典型薄板对接接头模拟  56-66
    4.3.1 模型假设  56
    4.3.2 温度场计算  56-61
    4.3.3 应力场的计算  61-66
  本章小结  66-67
第五章中厚板典型接头残余应力模拟  67-88
  5.1 计算模型  67-71
    5.1.1 热源模型  67-68
    5.1.2 材料的物理性能参数  68-70
    5.1.3 焊缝金属填充和熔化、凝固处理  70
    5.1.4 接头形式的选择  70-71
  5.2 对接接头模拟  71-77
    5.2.1 计算模型  71
    5.2.2 温度场计算  71-73
    5.2.3 应力场计算  73-77
  5.3 搭接接头模拟  77-81
    5.3.1 计算模型  77
    5.3.2 温度场计算  77-78
    5.3.3 应力场计算  78-81
  5.4 T 形接头模拟  81-86
    5.4.1 计算模型  81
    5.4.2 温度场计算  81-83
    5.4.3 应力场计算  83-86
  本章小结  86-88
第六章典型接头疲劳极限影响因素分析  88-99
  6.1 对接接头  88-92
    6.1.1 等截面对接接头  88-91
    6.1.2 变截面对接接头  91-92
  6.2 十字接头  92-93
  6.3 T 形接头  93-96
    6.3.1 横向承载  93-94
    6.3.2 非承载焊缝  94-95
    6.3.3 纵向联系焊缝  95-96
  6.4 搭接接头  96-97
    6.4.1 等截面搭接接头  96
    6.4.2 变截面搭接接头  96-97
  本章小结  97-99
第七章残余应力的载荷叠加  99-111
  7.1 残余应力与外载荷叠加  99-100
  7.2 载荷叠加  100-108
    7.2.1 对接接头  100-103
    7.2.2 搭接接头  103-105
    7.2.3 T 形接头  105-108
  7.3 载荷叠加后应力幅  108-110
  本章小结  110-111
结论与展望  111-112
参考文献  112-114
攻读硕士学位期间发表的学术论文  114-115
致谢  115-116

典型焊接接头疲劳强度的主要影响因素及其影响规律的研究

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