复杂焊接接头多轴疲劳强度评估的等效热点应力法

论文摘要

在船舶与海洋工程实际中,焊接结构几何外形一般比较复杂,且常常承受多轴疲劳交变载荷的作用,因此大多焊接结构处于多轴疲劳损伤状态,然而人们至今仍然过于集中研究单轴疲劳问题,导致疲劳强度计算结果误差难以控制、分散性仍然很大。热点应力法已在船舶与海洋工程结构设计上得到成功的应用。然而,普遍采用的热点应力外插法用于复杂焊接接头的疲劳强度评估中仍存在不足。目前传统热点应力计算方法评估结构的疲劳寿命时,疲劳参考应力取为结构表面应力,没有考虑厚度方向上应力梯度对疲劳寿命的影响；对于复杂焊接结构的多轴疲劳强度评估,需要分析焊趾附近的复杂应力状态,很难通过焊趾前两个参考点的信息进行有效的描述。本文从热点应力的定义出发,在板厚方向上非线性应力大小为零的位置(零点位置)定义等效热点应力,提出一种能够用于复杂焊接接头多轴疲劳应力评价方法。首先,分析了非线性应力零点位置的影响因素和分布变化规律,建立了零点位置拟合方程。然后,通过和公开发表的焊接试件试验数据以及原有的热点应力法有限元计算结果进行对比,验证了本文提出的等效热点应力法和疲劳试验数据具有很好的一致性,而且在一定程度上考虑了厚度效应对疲劳强度的影响,具有更高的精度。该方法的关键之处是获取零点位置,本文提出了零点位置拟合方程,虽然焊接接头零点位置受到焊趾本身几何尺寸以及载荷形式的影响,但是从工程应用出发,可以完全忽略焊趾尺寸的影响,引起的等效热点应力计算误差绝大部分不超过10%,建立的零点位置拟合方程只和载荷形式相关。本文提出的新方法能够获得零点位置处的复杂应力状态,将该方法与基于双参数临界面法的MWCM法相结合,能够有效评估复杂焊接结构的多轴疲劳寿命。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 研究背景和理论意义
• 1.2 国内外研究概况及发展趋势
• 1.3 本文主要研究内容
• 2 焊接接头的疲劳分析
• 2.1 疲劳的概述
• 2.2 疲劳的分类
• 2.3 影响疲劳强度的因素
• 2.3.1 应力集中的影响
• 2.3.2 载荷的影响
• 2.4 疲劳强度评估方法
• 2.4.1 名义应力法
• 2.4.2 热点应力法
• 2.4.3 断裂力学法
• 2.5 S-N曲线以及Miner理论
• 2.6 热点应力法原理简介
• 2.6.1 热点应力定义
• 2.6.2 热点应力传统计算方法
• 3 等效热点应力法的提出与研究
• 3.1 等效热点应力法简介
• 3.2 零点位置计算
• 3.2.1 零点位置计算模型
• 3.2.2 零点位置计算原理
• 3.2.3 趾端有无倒角对零点位置的影响
• 3.3 零点位置分布初步研究
• 3.3.1 焊脚高度对零点位置的影响
• 3.3.2 焊趾角度对零点位置的影响
• 3.3.3 趾端半径对零点位置的影响
• 3.3.4 载荷工况对零点位置的影响
• 3.3.5 零点位置分布初步研究小结
• 3.4 零点位置分布离散程度研究
• 3.4.1 零点位置随焊脚高度变化的离散程度
• 3.4.2 零点位置随焊趾角度变化的离散程度
• 3.4.3 零点位置随趾端半径变化的离散程度
• 3.4.4 零点位置分布离散程度研究小结
• 3.5 零点位置方程
• 3.5.1 零点位置方程拟合方式一
• 3.5.2 零点位置方程拟合方式二
• 3.5.3 零点位置方程精度验证
• 3.6 小结
• 4 等效热点应力法精度验证
• 4.1 模型简介
• 4.1.1 热点应力外插法有限元模型
• 4.1.2 等效热点应力法有限元模型
• 4.2 等效热点应力法精度验证
• 4.3 小结
• 5 焊接接头的多轴疲劳寿命评估
• 5.1 多轴疲劳强度评估的临界面法
• 5.2 基于临界面准则的多轴疲劳寿命评估MWCM法
• 5.2.1 疲劳损伤参量及控制方程
• 5.2.2 疲劳寿命评估过程
• 5.3 基于MWCM法的焊接结构多轴疲劳寿命评估
• 5.3.1 有限元模型
• 5.3.2 计算结果汇总
• 6 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 参考文献
• 附录 零点位置计算结果汇总
• 基金项目信息
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢