焊接结构件疲劳性能及其疲劳寿命估算方法的研究

摘要

疲劳性能是焊接结构件的重要性能指标，焊接结构件的疲劳寿命是评价该结构件焊接工艺和结构设计是否合理的决定性因素。疲劳实验是得到焊接结构件疲劳性能和疲劳寿命的最佳方法，但是其耗时、高成本的特点决定了该方法无法被频繁的应用于结构件疲劳设计的过程中。各种各样的疲劳寿命预测方法避免了实验法耗时、高成本的缺点，虽然所有的疲劳寿命预测方法在精度上与实验法比较都有或多或少的损失，但是疲劳寿命预测方法在工程设计中依然举足轻重。本文建立了焊接接头晶粒集合体的微观模型，并基于该微观模型通过场强法和能量法研究焊接接头的疲劳性能和疲劳寿命估算方法。取得如下创新性结果： 1、借助电子显微照片（EBSD），图像处理技术和三维建模软件（UG）建立了包含焊接接头母材区（BM），焊缝区（WM），热影响区（HAZ）的晶粒集合体三维有限元模型，而且考虑了晶界的几何模型及晶界的力学本构模型。与实际焊接接头的晶粒分布比较发现，本文建立的晶粒集合体三维模型能很好的表达焊接接头的晶粒尺寸及晶粒分布。 2、基于本文建立的晶粒集合体三维模型，对焊接接头进行瞬态弹塑性变形分析。发现，应力和应变较大值出现在热影响区、焊缝区、母材区与热影响区的交界处。造成母材区边缘、热影响区、焊缝区的晶粒内出现应力集中的主要原因有：晶粒粗大，粗大晶粒内部较其他晶粒承受更大的载荷，所以更容易出现应力集中；晶粒畸变，不规则的晶粒形状会直接导致晶粒内的几何应力集中。造成母材区、热影响区、焊缝区的晶界内出现应力集中的主要原因有：晶界形状不规则，与晶粒形状不规则容易形成应力集中一样，晶界形状不规则同样会使晶界在几何上产生微观应力集中；多个晶界交汇，当多个晶界交汇于一个点，导致晶界承受更多的载荷。Q345B低合金高强度钢二氧化碳气体保护焊焊接接头的裂纹萌生于母材与热影响区交汇的晶粒粗大处，且沿着与载荷平行的方向起裂。 3、本文认为场强法中的疲劳破坏区域是材料的塑性变形区，并基于晶粒集合体微观模型应用场强法估算了焊接接头的疲劳寿命，与能量法和实验数据对比发现，本文的假设既不失计算精度又有利于计算的便捷性，也从侧面印证了疲劳裂纹萌生、扩展与塑性变形的直接相关性。应用四点关联法对Q345B的材料参数进行计算，并应用到能量法的计算过程中，与场强法和实验结果对比发现，能量法计算精度高而且计算成本较低。 4、低幅值的载荷下，能量法的计算结果与实验法结果更接近，高幅值载荷下，场强法的结果更接近于实验法的结果。综合来看，能量法的计算结果更保守，且能量法的计算过程更便捷。