熔合线含裂纹焊接接头断裂性能及其工程安全评定方法研究

论文摘要

由于焊接结构存在材料及几何上的不连续性,加之焊接本身是一个复杂的热物理化学冶金过程,造成了焊接接头在组织和力学性能上的不均匀性,对焊接结构的生产加工和实际应用造成很大困难,关于焊接接头的断裂分析和完整性评价成为目前缺陷评定方法研究的焦点问题。针对熔合线上含Ⅰ+Ⅱ型复合型界面裂纹焊接接头,本文采用弹塑性有限元数值计算方法,对熔合线含裂纹焊接接头裂纹尖端等效应力应变场进行详细计算,分析了接头的等效应力应变场的分布规律,在此基础上,结合裂端的位移场,对熔合线含裂纹焊接接头断裂参量COD的表征特点及方式进行了讨论,指出了COD参量及其分量DⅠ和DⅡ的复合和分解的途径;与此同时,应用等效应力应变场的数值解结果,对与COD的分量DⅠ和DⅡ相关的复合角φ进行了讨论。数值分析表明,裂纹尖端等效应力应变场、断裂参量COD及其分量DⅠ和DⅡ和复合角φ不但与载荷水平有关,而且强烈依赖于材料组配和材料几何参量,DⅠ分量在断裂参量COD中起主导作用,并且塑性区发展方向与复合角存在相互依赖关系。因此,在进行熔合线含裂纹焊接接头的断裂性能和完整性评价时,必须考虑这些力学不均匀性因素和几何不均匀对其影响。基于以上的计算和分析结果,参照EPRI均匀材料的缺陷评定方法,在不同载荷水平下,材料组配和材料几何参量变化时,对估算公式中的系数进行了修正和数据处理,得到适合于熔合线含裂纹焊接接头的断裂参量COD和复合角φ的工程估算公式,通过工程估算结果与有限元结果进行比较,吻合较好,因此证实了工程估算公式是合理的,从而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。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 焊接接头的断裂参量及其应用现状
• 1.1.1 断裂参量J积分
• 1.1.2 裂纹尖端张开位移CTOD
• 1.2 裂纹尖端应力应变场的研究现状
• 1.2.1 均匀材料裂纹尖端应力应变场的研究现状
• 1.2.2 界面裂纹尖端应力应变场的研究现状
• 1.3 均匀材料缺陷评定的主要方法
• 1.3.1 EPRI的J积分估算方法
• 1.3.2 CTOD设计曲线法
• 1.3.3 应力强度因子准则
• 1.4 含缺陷焊接结构的安全评定
• 1.5 焊接结构断裂性能研究存在的问题
• 1.6 本文研究的主要内容及技术路线
• 2 熔合线含裂纹焊接接头的裂纹尖端场
• 2.1 有限元计算模型的建立
• 2.2 裂纹尖端的轮廓变化
• 2.3 裂纹尖端等效应力场的计算结果
• 2.4 裂纹尖端等效应变场的计算结果
• 2.4.1 强度组配对裂纹尖端等效应变场的影响
• 2.4.2 焊缝宽度对裂纹尖端等效应变场的影响
• 2.4.3 硬化指数组配对裂纹尖端等效应变场的影响
• 2.5 小结
• 3 焊接接头COD断裂参量及其复合角的研究
• 3.1 熔合线含裂纹焊接接头的理论分析
• 3.2 计算结果与试验结果的比较
• 3.3 有限元计算结果及分析
• 3.3.1 强度组配对COD断裂参量及其复合角的影响
• 3.3.2 焊缝宽度对COD断裂参量及其复合角的影响
• 3.3.3 硬化指数组配对COD断裂参量及其复合角的影响
• 3.4 裂端塑性区发展方向与复合角的关系
• 3.5 小结
• 4 焊接接头COD设计曲线的工程化方法研究
• 4.1 COD设计曲线法
• 4.2 小结
• 5 熔合线含裂纹焊接接头复合角的工程化方法研究
• 5.1 复合角的工程化估算
• 5.2 工程估算结果与有限元结果的比较
• 5.3 小结
• 6 结论
• 致谢
• 参考文献
• 在校期间发表的论文和获奖情况