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原文传递典型焊接接头疲劳裂纹扩展中焊接残余应力及其重分布研究

论文题名：	典型焊接接头疲劳裂纹扩展中焊接残余应力及其重分布研究
关键词：	海洋结构物;高强度钢;焊接残余应力;疲劳裂纹;重分布;数值模拟
摘要：	一些大型海洋结构物包括船舶等结构多数由高强度钢焊接而成，在焊接的过程中，焊接接头的局部产生了不均匀热塑性相变以及变形，因此形成了具有自平衡特性的焊接残余应力。焊接残余应力的存在会影响结构的热点应力，从而影响结构疲劳强度的评估效果。另外，研究发现，许多大型海洋钢结构物在焊趾处较易萌生表面裂纹，裂纹的产生会使焊接残余应力发生重分布。并且，在循环载荷作用下，裂纹发生扩展，扩展过程中焊接残余应力的重分布又进一步对裂纹扩展产生影响。目前，国内外对于含初始裂纹结构的焊接残余应力的研究相对较少，且对于高强度钢裂纹扩展过程中焊接残余应力重分布的研究也鲜有文献发表。因此，对高强度钢焊接接头裂纹扩展中焊接残余应力重分布的研究，对于准确的预报高强度钢焊接结构的疲劳强度具有重要的参考意义。　　本文基于热-弹塑性相关理论以及疲劳裂纹扩展相关理论，对平板焊接接头和拉伸焊接接头两种高强度钢典型焊接接头的焊接残余应力以及疲劳裂纹扩展中残余应力的重分布规律进行了数值模拟研究。主要的研究工作及结论如下：　　（1）对两种焊接接头完整结构的初始焊接残余应力进行数值模拟分析，得到两种焊接接头的初始焊接残余应力的分布规律。并分别对两种接头施加不同大小的轴向拉伸外载荷，研究不同外载荷作用下轴向焊接残余应力的变化。结果表明：两种高强度钢焊接接头完整结构的轴向焊接残余应力均在焊缝中心以及焊趾处较大。在施加不同轴向拉伸载荷后，其焊缝附近的残余拉应力得到释放，且载荷越大，残余拉应力释放得也越多。　　（2）在两种完整焊接接头的焊趾处引入半椭圆形表面裂纹，通过数值模拟的方法计算含初始裂纹的焊接接头的残余应力重分布规律。结果表明：在焊趾处引入表面裂纹后，两种焊接接头的残余拉应力最大值均由焊缝附近过渡到裂纹前缘处，由裂纹前缘向模型表面残余应力逐渐由残余拉应力转变为残余压应力。平板焊接接头在裂纹前缘深度最深处出现残余拉应力最大值。拉伸焊接接头在裂纹前缘与焊接接头表面相交的两个裂尖处出现残余拉应力最大值。　　（3）对含初始表面裂纹的拉伸焊接接头施加轴向拉伸外载荷，外载荷与残余应力叠加形成合应力使裂纹发生扩展。计算得到在裂纹扩展过程中焊接残余应力的重分布规律以及考虑残余应力的应力强度因子的变化规律。结果表明：含初始表面裂纹的拉伸焊接接头在1t轴向外载荷作用下，裂纹发生扩展，残余应力发生重分布。残余应力的分布规律与含初始裂纹时相同，但大小发生变化。随着裂纹的不断扩展，残余拉应力最大值逐渐增加，且裂纹扩展速率也越来越快。　　（4）对拉伸焊接接头的初始焊接残余应力及裂纹扩展中残余应力的重分布研究设计了试验方案。以方便后期进行试验与数值模拟结果的对比。
作者：	张沛心
专业：	船舶与海洋工程
导师：	李良碧
授予学位：	硕士
授予学位单位：	江苏科技大学
学位年度：	2016
正文语种：	中文