钢箱梁横隔板焊缝疲劳性能的锤击效果研究

针对钢箱梁横隔板与U肋连接焊缝疲劳细节,选取了三个局部试件作为研究对象,采用锤击装置对试件弧形缺口处焊缝的焊趾部位进行锤击处理,并采用疲劳试验机对处理后试件进行疲劳加载,对比分析试件的疲劳裂纹扩展情况、疲劳应力幅和疲劳强度的变化情况。同时,建立了局部锤击有限元模型,分析锤击部位的残余应力、塑性变形等,并结合疲劳试验结果,从疲劳裂纹萌生寿命、疲劳强度、锤击残余应力分布等角度,对锤击效果进行了评价。研究结果表明,锤击处理可有效提高横隔板与U肋连接焊缝的疲劳裂纹萌生寿命及疲劳强度;锤击处理可产生明显的塑性变形及残余应力,且两者均以焊趾为中心近似呈圆弧状分布;锤击深度为0.2mm时,锤击残余压应力沿板厚、垂直焊缝方向的分布范围均为3mm左右,从而改善构件的疲劳性能。     

海洋导管架平台焊接节点低周疲劳性能

为了研究海洋平台中焊接节点的低周疲劳性能,设计了海洋用钢DH36钢的标准拉伸试件和角焊缝试件,进行材料性能和节点静力拉伸实验;其次进行铜加速乙酸盐雾实验,并将其当量折算为海洋环境谱作用,完成非腐蚀和腐蚀节点试件的对照低周疲劳实验,得到节点试件疲劳性能;通过ABAQUS与FRANC3D的交互,针对角焊缝试件的3种初始裂纹进行裂纹扩展模拟,提出疲劳寿命评估方法.研究结果表明:焊接缺陷比短期腐蚀作用对试件疲劳寿命的影响更大;采用焊根双边贯穿裂纹计算角焊缝试件低周疲劳寿命,具有较高的可靠性.     

钢桥面板顶板与U肋焊缝裂纹类型及扩展特征

为研究顶板与U肋焊缝各类型疲劳裂纹萌生及扩展特征,利用ABAQUS有限元软件建立钢桥面板节段模型,根据最大主应力及其方向分布,分析了不同轮载下的裂纹萌生位置和开裂趋势.结合顶板、U肋的受力与变形特征,利用FRANC2D二维断裂分析软件建立该疲劳细节开裂模型,通过分析扩展路径和应力强度因子,明确顶板与U肋各类型裂纹的受力成因与扩展特征.研究结果表明:当轮载横向位置偏离U肋正上方时,裂纹易萌生于焊根处;而轮载作用于U肋正上方时,裂纹易萌生于焊趾处;水平裂纹易在焊根处萌生并沿焊喉方向扩展,且焊根裂纹扩展的可能性和速率远大于焊趾处,尤其当U肋变形较大时.顶板、U肋面外变形分别易导致张开型的竖向和水平向扩展裂纹.     

不同温度下有机玻璃厚板的平面应变断裂韧性试验

为研究有机玻璃平面应变断裂韧性(KIC)与温度的关系,设计了母材和带拼接缝试件,在-40~40℃范围内进行三点弯试验.采用疲劳试验机预制疲劳裂纹,利用酒精和液氮对试件降温,用纯水进行升温,观察试件宏观断口形貌,结合有限元和断裂力学进行算例分析.结果表明:在低温下,试件达到极限荷载后迅速断裂,失稳扩展的裂纹临界长度较小,裂纹扩展速率快;高温下,临界长度较大,裂纹扩展速率慢.母材试件在20℃时KIC最小,-20℃时最大,而带拼接缝试件在40℃时KIC最小,-40℃时最大.断面上沿裂纹扩展方向的弧状条纹数增多会导致KIC降低,当出现垂直于疲劳裂纹边缘线的放射状条纹时,KIC进一步降低.对于所提算例,裂纹尖端各点的应力强度因子随裂纹深度的增加而增加.     

钢桥面板疲劳裂纹钻孔止裂分析及实验验证

对紧凑拉伸试样进行有限元分析,考察止裂孔边缘的应力分布情况,对比不同状况下裂纹尖端的力学特性,研究了孔径及附加孔对止裂效果的影响.结合钢桥面板局部模型实验,对开裂试件打孔止裂后进行疲劳实验,通过比较不同试件的疲劳寿命,对有限元分析结果进行了验证.分析和实验结果表明,经过止裂孔钻孔处理后,应力集中点位于试样预制裂纹直线延伸方向与止裂孔孔边缘相交处,相对于未打孔,裂纹尖端应力显著下降.裂纹尖端打孔止裂,能够提高构件疲劳寿命,且孔径越大,止裂效果越明显,孔径8mm以后,增大孔径所产生的止裂效果逐渐降低.不同孔径钻孔处理的疲劳试件,各阶段裂纹再次扩展速率相当,属于裂纹中速率扩展区,附加孔并没有影响裂纹扩展速率,但使疲劳寿命显著地提高.     

焊接残余应力对裂纹闭合与疲劳裂纹扩展速率的影响

本文试验研究了ＷＸ６０管线钢及其焊接接头中的疲劳裂纹扩展速率、裂纹闭合行 为及焊接残余应力的分布与变化特点。得到了两种试件中的ｄａ／ｄＮ～　Ｋ及ｄａ／ｄＮ～ 　Ｋｅｆｆ关系．发现两种试件中裂纹闭合的程度和原因是不同的。在焊接试件中有显著的 裂纹闭合现象，其原因是焊接残余应力的作用。而在管线钢基材中裂纹闭合现象较小， 闭合原因是裂纹尖端尾部的残余塑性变形。本文论证了用ｄａ／ｄＮ～　Ｋｅｆｆ来估算焊件 疲劳寿命的合理性。     

钛合金激光/氩弧斜焊缝疲劳性能对比研究

针对TC4钛合金激光、氩弧斜角度焊接疲劳性能展幵对比试验研究。对两种斜焊缝试样的疲劳寿命和疲劳断口进行了対比计算与分析。结果表明:氩弧斜焊试件的疲劳寿命相比激光斜焊的分散性小,激光斜焊试件的中值疲劳寿命是氩弧斜焊的1.96倍;激光焊缝比氩弧焊总体面积小,激光斜焊疲劳裂纹起始于热影响区表面,氩弧斜焊疲劳源位于试件内部气孔缺陷处。裂纹扩展初期两种焊缝均有脆性解理特征矿展后期和瞬断区激光斜焊比氩弧斜焊表现出更好的韧性。     

十八胺对接触疲劳的影响

在本实验条件下,发现随着润滑油中十八胺含量的增加,润滑油的抗接触疲劳能力提高。对试件表面化学元素进行了微成分分析,认为试件表面的N元素是FeN形式。十八胺能提高接触疲劳寿命的原因,是它能减少摩擦面间的摩擦系数,其胺基呈碱性。可中和润滑油中的部分酸性或减弱极性物质对金属的腐蚀作用。在扫描电镜上对试件表面疲劳裂纹的扩展进行了观察,认为疲劳点蚀的裂纹源来自试件表面,裂纹沿最大剪应力方向扩展,扩展中“油封”起重要作用。     

TIG熔修法改善含咬边缺陷焊接接头疲劳性能

接头焊趾区表面常常会存在一些焊接缺陷如咬边等，这些缺陷对接头承受动载荷的能力影响很大，疲劳裂纹往往从该部位更早地萌生．结合国产16Mn低合金中强钢，用TIG熔修法提高含咬边缺陷焊接接头疲劳强度，并延长其疲劳寿命．试验结果表明，咬边等焊接缺陷降低原始焊接接头疲劳强度10％～20％；与含缺陷焊态试件相比，TIG熔修处理后十字接头的疲劳强度提高70％，疲劳寿命提高5～8倍，与不舍焊接缺陷的焊态试件相比，疲劳强度提高34％，疲劳寿命延长3～4倍：原始咬边缺陷对TIG熔修处理后焊接接头的疲劳性能基本没有影响．     

桥梁焊接构件疲劳损伤测试与分析

对桥梁结构中典型的焊接构件的缩尺试样进行实验研究,探讨了焊接构件在高频动载下的高周疲劳损伤破坏过程及其特征．通过动态捕捉焊接试样在焊趾附近的应变变化情况,直观描述了疲劳损伤演化过程中的3个典型阶段;通过研究疲劳实验过程中试件固有频率的变化情况,定量给出了试样的疲劳损伤演化曲线,为研究结构的疲劳损伤情况提供了一种新的方法．结果表明：在焊接试样的总疲劳寿命中,对应于疲劳裂纹萌生期和扩展期的寿命占主要部分,达到总疲劳寿命的90％左右,而产生宏观可见的疲劳裂纹到试件断裂的寿命周期很短,只占到总疲劳寿命的10％左右．疲劳裂纹源和裂纹扩展区部分的图像呈放射状的人字形条纹,人字纹指向裂源,其反向为裂纹的扩展方向．     

16MnR钢中微裂纹的疲劳扩展

对含有不同微孔缺陷尺寸的16MnR试棒,在低周疲劳下研究了裂纹扩展的规律。试件初始缺陷尺寸对疲劳寿命的影响,可用垂直于载荷方向缺陷截面积的四次方根来表达。探讨了微裂纹扩展速率和描述低周疲劳的Manson-Coffin公式之间的相互关系。     

钢桥面板U肋对接焊缝疲劳裂纹扩展寿命分析

为研究正交异性钢桥面板U肋对接焊缝疲劳裂纹扩展寿命规律,建立正交异性钢桥面板U肋对接焊缝开裂模型,针对U肋对接焊缝开裂后沿表面、沿板厚两种情况分别进行裂纹扩展分析。通过计算裂纹尖端Ⅰ、Ⅱ型应力强度因子,分别获得裂纹尖端应力、扩展角度的变化规律,然后结合Paris定律,基于断裂力学理论对两种情况下的裂纹扩展疲劳寿命进行评估。研究结果表明:表面疲劳裂纹两种裂纹尖端的扩展角度大致相同,呈对称扩展;当裂纹长度小于2.75mm时,板厚疲劳裂纹处于稳定扩展阶段,疲劳裂纹修复应尽量选择该稳定扩展阶段;通过对比可知,表面疲劳裂纹的扩展寿命是板厚疲劳裂纹扩展寿命的16.7倍,应对板厚疲劳裂纹扩展予以重点关注。     

钢桥面板盖板-U肋焊缝平面内双裂纹扩展研究

对大跨度桥梁正交异性钢桥面板盖板-U肋焊接部位平面内双裂纹扩展规律进行研究,基于单裂纹扩展理论,采用相互作用积分法计算裂纹尖端应力强度因子和最大能量释放率(MERR)准则确定扩展方向,根据等效裂纹前缘原则研究双裂纹扩展到一定阶段后的融合及失效的全过程,并以安庆长江大桥正交异性钢桥面板盖板-U肋焊趾部位为研究背景,探寻其平面内双裂纹的扩展发展规律,获取双裂纹扩展下的疲劳寿命.结果显示:焊趾处平面内双裂纹是由I型主导的I-Ⅱ-Ⅲ复合型裂纹扩展融合过程;两个初始裂纹在各自区域内呈单裂纹扩展达到融合,融合后裂纹长轴方向扩展速度较快,最终形成新的单裂纹直至构件损坏.     

钢桥面板顶板与竖向加劲肋连接角焊缝疲劳试验

为研究钢桥面板顶板与竖向加劲肋连接角焊缝的疲劳性能,采用机械型振动疲劳试验机对制作的9个试件进行等幅疲劳加载,并通过名义应力和热点应力2种方法对试件焊缝疲劳性能进行评价。试验结果表明：疲劳荷载作用下,试件疲劳裂纹开展路径均从焊趾处萌生、沿焊趾开展、最终垂直于焊趾沿板横向往两侧对称扩展。采用名义应力法时,试验结果均位于JSSC-G疲劳强度为50 MPa的S-N曲线上方;采用热点应力法时,试验结果均位于Eurocode 3规范疲劳强度为100 MPa的S-N曲线上方。建议本试验构件疲劳细节的角焊缝疲劳强度取名义应力50 MPa、热点应力100 MPa。     

齿根裂纹的闭合效应对齿轮疲劳寿命的影响

考虑裂纹闭合效应对裂纹扩展的影响,将裂纹闭合力转化为裂纹表面之间的恒定牵引力引入齿根裂纹,利用有限元方法对齿根裂纹的扩展过程进行模拟.与不考虑裂纹闭合效应时齿根裂纹扩展过程进行了对比分析,结果表明:考虑裂纹闭合效应时,裂纹扩展过程中的KⅠ的值比不考虑裂纹闭合效应时低;裂纹闭合效应对齿根裂纹扩展路径没有显著影响,但能阻碍裂纹的扩展,有效延长了齿轮的疲劳寿命.     

GH4169合金高温疲劳裂纹扩展的微观损伤机制

空气环境对高温合金在高温下的损伤行为有显著影响.为了研究标准热处理态GH4169合金在高温疲劳裂纹扩展过程中的微观损伤机制,在空气环境中进行650℃、初始应力强度因子幅ΔK=30MPa·m1/2和应力比R=0.05的低周疲劳裂纹扩展试验.使用扫描电镜(SEM)及能谱(EDS)对试样的断口、外表面和剖面进行观察和分析.实验结果表明:疲劳主裂纹以沿晶方式萌生并扩展,随后沿晶二次裂纹出现,并且其数量和长度沿主裂纹方向逐渐增加,进入快速扩展阶段后,断口呈现韧窝组织形貌;在裂纹扩展过程中,δ相与基体的界面发生氧化,使得沿晶二次裂纹沿界面扩展并产生偏折,从而起到阻碍二次裂纹扩展的作用;试样外表面的主裂纹周围出现晶界氧化损伤区,其尺寸和晶界开裂程度沿主裂纹扩展方向逐渐增大.     

基于断裂力学的钢-UHPC组合结构中栓钉的疲劳寿命评估

为研究钢-超高性能混凝土(UHPC)组合桥面板中焊接栓钉疲劳寿命的高效评估方法,采用Schwartz-Neuman交替法建立钢-UHPC组合结构中栓钉焊缝表面裂纹的三维断裂力学模型,进行裂纹扩展模拟和栓钉的疲劳寿命预测。首先使用2种常用有限元软件ANSYS和ABAQUS中的断裂力学模型验证Schwartz-Neuman交替法的计算精度和效率;然后采用Schwartz-Neuman交替法求解不同栓钉焊缝初始裂纹的应力强度因子并对其进行参数分析;最后基于栓钉焊缝裂纹的三维扩展预测焊接栓钉的疲劳寿命,与钢-UHPC组合结构的推出疲劳试验结果进行比对,并通过ANSYS和ABAQUS中的断裂力学分析模型以及Schwartz-Neuman交替法给出的圆柱体内深埋倾斜圆形裂纹应力强度因子计算结果的比对,验证了Schwartz-Neuman交替法的优越计算能力和准确性。结果表明:在钢-UHPC组合结构的层间剪力作用下,钢-UHPC组合结构的栓钉焊缝裂纹属于Ⅰ型、Ⅱ型和Ⅲ型复合的混合型裂纹,且裂纹呈非平面扩展;栓钉的疲劳破坏位置主要取决于栓钉焊缝2个焊趾处初始裂纹相对于裂纹驱动力的方位和裂纹尺寸之比;基于栓钉焊缝表面裂纹三维扩展得到的栓钉疲劳寿命预测值与推出试件疲劳试验给出的栓钉疲劳寿命实测结果吻合良好,证明基于Schwartz-Neuman交替法的表面裂纹三维扩展可高效和可靠地用于钢-UHPC组合桥面板中栓钉的疲劳寿命评估。     

喷丸对渗碳件接触疲劳及裂纹萌生扩展的影响

通过一系列试验表明,渗碳后喷丸可使接触疲劳强度提高,在低接触应力下接触疲劳寿命明显增加。对接触疲劳裂纹萌生。扩展至失效全过程所进行的连续追踪观测发现,裂纹萌生于渗碳过渡区;渗碳喷丸后比未喷丸的裂纹萌生寿命增加,扩展速率减小;由钢丸坑连接而成的浅小裂纹为非扩展裂纹;在喷丸影响区,裂纹扩展不同于未喷丸试件,即主裂纹平行于表面扩展;分叉裂纹发生再次分叉向下扩展,从而使裂纹扩展后期速率减小。     

平面复合型疲劳裂纹扩展问题

本文要解决的是平面复合型疲劳裂纹扩展方向以及疲劳寿命的预测问题。主要内容如下: 1.提出“等双剪应力线上δθmax平面复合型裂纹开裂判据”。与其它判据相比较;本判据所预测的裂纹开裂方向更接近于疲劳裂纹扩展试验的结果。2.文中指出:是Z形裂纹的分支方向,而不是其主裂纹方向,在Z形裂纹的KⅠ,KⅡ值中起着支配性的作用。接着提出二个计算Z形裂纹应力强度因子的近似方法。3.为预测复合型疲劳裂纹扩展的寿命,文中提出了一个新的裂纹扩展速率表达式,即折合张应力强度因子指数公式。此式所预测的寿命较接近于实验值。最后,还讨论了应用主应力强度因子K*,应变能释放率G,应变能密度因子S,预测复合型疲劳裂纹扩展的寿命问题。     

45#钢中Ⅰ +Ⅲ复合型疲劳裂纹的转型扩展及断口分析

以带有不同角度侧斜裂纹的紧凑拉伸试件研究了Ⅰ+Ⅲ复合型裂纹在单向拉伸疲劳载荷作用下的转型情况,着重研究转型过程中应力强度因子(ΔK)和断口形态的变化.有限元计算表明,Ⅰ+Ⅲ复合型裂纹是向Ⅰ型裂纹转化,侧斜角越大,Ⅲ型应力强度因子变化幅(ΔKⅢ)越大,裂纹转型越快;断口分析表明试件疲劳断口的疲劳源呈多源性,裂纹萌生于紧凑拉伸试件线切割缺口处的微裂纹;在转型过程中,带侧斜角试件断裂面较为粗糙,断面上存在较为粗大的撕裂棱和二次裂纹;疲劳辉纹更加不连续,不均匀;完全转型后断裂面较为平坦,撕裂棱和二次裂纹尺寸减小.即转型是通过在疲劳源形成与原裂纹面成一定角度的台阶,在裂纹的随后扩展中通过不同台阶与台阶的连接而转向,最后转到Ⅰ型扩展方向.