双周疲劳载荷下焊接接头的疲劳行为

论文摘要

传统的疲劳极限定义为107周次,使用常规疲劳试验技术可以满足要求。但是随着现代工业技术的发展,许多工业部门(目前对焊接接头和结构所进行的疲劳设计与评定均是建立在单周疲劳载荷试验的数据基础上)。事实上一些重要焊接工程结构,如飞机、核反应堆、水轮机、汽车、燃气轮机以及涡轮发动机等,在承受低频高幅的交变载荷过程中,还不时地发生不同程度的高频低幅振动。这些振动频率可达数千赫兹,循环数常常可达108~109次。现有规范在估算实际工程结构疲劳寿命时经常不考虑高频振动的有害作用,仅将高频分量叠加在主交变载荷上,按单周化处理或干脆将其彻底忽略。如果这种振动仅仅是依附于平均载荷之上,由于其振幅较小,对结构产生的破坏相对较轻。然而如果是叠加在低频率循环载荷之上,它对材料所造成的复合损伤将大大地加速工程结构尤其是焊接结构的损坏和失效,严重地威胁到整个设备或结构的安全可靠性和使用寿命。在双周疲劳试验中,疲劳试件必须满足谐振条件,所以试件通常设计为狗骨形,这样不仅使试件获得很大的应力放大系数,还使其中部产生最大应力。本文中对双周疲劳试件的设计,主要有共振长度的设计及不同几何外形试件的位移、应力分布情况。使用带超声频载荷分量的双周实验装置分别进行了16Mn焊接接头在纯低周(LCF)、纯高周(HCF)以及双周循环(CCF)加载条件下的疲劳试验,研究了焊接接头在双周疲劳载荷作用下的疲劳性能。研究发现,焊接接头的双周疲劳性能低于纯低周而高于纯高周。叠加于大幅低周载荷上的小幅高周载荷及叠加于大幅高周载荷上的小幅低周载荷都显著降低焊接接头的疲劳强度。随着高低周振幅比的增大,疲劳强度也迅速降低。模拟含高值焊接残余应力的焊接接头双周疲劳试验结果表明,高周分量载荷相对高的情况下,焊接残余应力显著降低焊接接头的疲劳性能。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 疲劳概述
• 1.1.1 疲劳定义及分类
• 1.1.2 疲劳寿命
• 1.2 双周疲劳问题的提出
• 1.3 双周疲劳问题的研究
• 1.3.1 双周疲劳技术
• 1.3.2 双周疲劳加载方式
• 1.3.3 影响材料双高周疲劳行为的因素
• 1.4 材料双周疲劳断裂问题的研究现状
• 1.5 本文研究目的和内容
• 第二章 双周疲劳试验系统及工作原理
• 2.1 双周疲劳试验超声疲劳加载装置
• 2.2 双周疲劳试验系统中超声疲劳加载装置工作原理
• 2.3 超声疲劳加载装置引入DSP的必要及其设计
• 2.3.1 DSP控制系统的硬件电路设计
• 2.3.2 总体结构
• 2.3.3 控制芯片
• 2.3.4 复位电路
• 2.3.5 时钟电路
• 2.3.6 电源设计
• 2.3.7 等待状态发生器
• 2.4 控制系统外围电路设计
• 2.4.1 电压反馈
• 2.4.2 电流反馈
• 2.4.3 显示电路
• 2.5 DSP控制系统的软件设计
• 2.6 双周疲劳试验系统
• 2.7 本章小结
• 第三章 超声变幅杆及双周疲劳试件的设计
• 3.1 超声变幅杆
• 3.1.1 变截面杆纵向振动的波动方程
• 3.1.2 纯阶梯形变幅杆
• 3.1.3 圆锥形过渡的阶梯型变幅杆
• 3.2 双周疲劳试件的设计
• 3.2.1 等截面试件的设计
• 3.2.2 变截面圆柱试件的设计
• 3.2.3 板状试件设计
• 3.2.4 影响试件双周振动特性的因素
• 3.3 本章小结
• 第四章 双周疲劳试验
• 4.1 应力比R=0.5 焊接对接接头双周疲劳试验
• 4.1.1 疲劳试件及试验条件
• 4.1.2 试验结果
• max =420 MPa 焊接对接接头双周疲劳试验'>4.2 固定最大应力σ_max =420 MPa 焊接对接接头双周疲劳试验
• 4.2.1 疲劳试件及试验条件
• 4.2.2 试验结果
• 4.3 试验结果分析
• 4.3.1 R=0.5 焊接对接接头结果分析
• 4.3.2 σmax=420MPa 焊接对接接头结果分析
• 4.3.3 R=0.5 与σmax=420MPa焊接对接接头对比分析
• 4.4 本章小结
• 第五章 结论
• 参考文献
• 致谢