力学性能失配焊接接头的强度及变形行为

摘要

焊接接头的焊缝及热影响区的力学性能与母材总存在一定的差异，这种力学性能失配对接头的强度及断裂韧性有着重要的影响。出于各种结构缺陷评定规范的需要，很多研究主要针对裂纹试样，研究力学性能失配对极限屈服载荷和裂纹驱动力的影响。在进行焊接接头的强度设计时，需要力学性能失配接头的强度评定方法，同时需要焊缝、热影响区的力学性能失配系数及几何尺寸与接头屈服强度和抗拉强度的定量关系。本文通过有限元法和接头的拉伸性能试验，从四个方面对这一问题进行了系统研究。 第一部分对力学性能失配焊接接头的拉伸试样进行有限元分析，结果表明，软化的热影响区的屈服应力和长度对接头强度损失有较大的影响，且超过某一临界值时会更加明显，高匹配焊缝可以使接头的强度损失得以补偿。试样的长度对失配接头屈服强度有直接的依赖性。接头的强度随试样宽度的增加而增加，当试样宽度达到一定值时趋于恒定。同时，通过低匹配焊接接头的拉伸试验，验证了有限元法计算接头强度的精确度。进而给出了一套有限元法评定实际接头强度的方法。 第二部分利用有限元计算的结果，研究了力学性能失配焊接接头拉伸试样上Mises等效应力分布特征：在软化的热影响区减小，在与之相邻的焊缝区和母材区相应升高，分布规律符合指数函数规律，在热影响区与焊缝及母材的交界面上发生突变，突变的幅度与交界面两侧材料的屈服应力差值及外加载荷有一定相关性；在焊缝及母材区Mises等效应力增加量的积分等于热影响区减少量的积分。在此基础上用方程描述出，外载荷应力、热影响区及焊缝的强度失配参数、热影响区及焊缝的相对长度、试样长度和宽度几何参量，与接头试样上的Mises等效应力分布的关系。另外，从接头上应力分布的角度，分析接头失配对接头强度的影响机制。 第三部分基于力学性能不均匀焊接接头拉伸试样的应力分布规律，提出计算力学性能失配焊接接头强度解析求解计算方法：根据焊接接头的失配参数和试样的几何尺寸确定出接头上等效应力分布，利用等效应力和应变的关系，积分求解整个试样在给定外载荷下的总的变形量，得到名义应力应变曲线，从而确定出失配接头强度。这种解析法计算的强度与本文和文献中的有限元分析结果有很好的一致性。而且，用管线钢的等强匹配和高匹配焊接接头的拉伸试验，对解析法评定力学性能不均匀的焊接接头强度的准确性进行了验证。 第四部分利用评定失配接头强度的解析计算方法，计算归纳出了接头强度与试样宽度的指数函数关系，并用12种焊接接头，在5种不同试样宽度下的抗拉强度和屈服强度试验结果，对其精确性进行了验证。利用这种关系，可以通过测定某一试样宽度的拉伸试样强度值，同时测得热影响区最低的相对失配系数和焊缝的失配系数，无需测量不容易确定的热影响区和焊缝的长度，就可计算出无限板宽乃至任意宽度试样的强度。这样，为工程上客观地试验评定失配焊接接头的强度提供了切实可行的途径。

目录

文摘

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第1章绪论

第2章失配焊接接头强度的有限元计算

第3章有限元分析失配接头强度的试验验证

第4章力学性能失配焊接接头应力分布

第5章力学性能失配焊接接头的强度解析法计算

第6章解析法焊接接头的强度评定的试验验证

第7章力学性能失配接头拉伸性能评定方法

结论

参考文献

致谢

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