第30卷,第4期 中国铁道科学Vo l 30No 4
2009年7月 CH INA RAILWAY SCIEN CE
July,2009
文章编号:1001-4632(2009)04-0069-07
钢结构焊缝疲劳强度分析技术的最新进展
周张义,李 芾,安 琪,黄运华,卜继玲
(西南交通大学机车车辆工程系,四川成都 610031)
摘 要:在平板焊接钢结构焊缝疲劳强度分析中,近年来国外主要发展起了等效结构应力法和表面外推热点应力法2种新方法。等效结构应力法考虑焊趾部位的结构应力集中效应,应用改进线性化法或节点力法分析结构应力,确保计算结果对有限单元类型、网格形状及尺寸的不敏感,从而有效区分不同焊接接头类型的焊趾结构应力集中情形;以结构应力为控制参数计算应力强度因子,在主要考虑焊趾缺口、结构板厚、载荷模式等因素影响基础上,基于断裂力学分析确定与焊缝疲劳寿命直接相关的应力参数,导出等效结构应力转化方程;基于上述应力计算和转化方法对焊缝疲劳试验结果数据进行处理,建立焊缝疲劳强度设计单一主S N 曲线,实现对钢结构焊缝的疲劳强度评定和寿命预测。通过比较分析可知,表面外推热点应力法适用于钢结构焊缝设计阶段的方案比较及方案优化;等效结构应力法较适合对钢结构焊缝最终设计方案进行更为精确的焊缝疲劳强度评定和寿命预测以及不能用表面外推热点应力法进行钢结构焊缝疲劳强度分析时。 关键词:等效结构应力;网格不敏感;有限元法;焊趾;疲劳分析;表面外推 中图分类号:T G457 11 文献标识码:A
收稿日期:2008-10-27;修订日期:2009-02-26 基金项目:国家自然科学基金资助项目(50821063)
作者简介:周张义(1982 ),男,山西霍州人,博士研究生。
对于平板焊接钢结构的疲劳设计,按照传统的焊接细节分类法需要严格确定特定接头几何形状和载荷模式下的名义应力及相应疲劳抗力数据[1-4],故很大程度上影响了焊接细节分类法在工程中的应用。为了完善或替代焊接细节分类法,针对广泛存在的结构焊趾疲劳,新发展的2种适合于有限元技术的表面外推热点应力法和等效结构应力法,通过将焊趾结构应力集中考虑在应力分析之中,一方面可适应有限元强大的应力分析技术,另一方面避免了对疲劳设计S N 曲线的选择。表面外推热点应力法在国内相关行业的应用研究已得到普遍关注
[5-7]
。而等效结构应力法虽然在2007版ASME
锅炉及压力容器标准[8]
、以及API/ASME 合于使用性评定标准[9]中均推荐将其应用于焊缝疲劳分析,但至今国内尚未有技术文献详细介绍。有鉴于此,本文在阐述、分析等效结构应力法的基础上将它与表面外推热点应力法进行对比,研究分析2种方法各自存在的优势和局限性,以及在实际工程的结构疲劳设计中的合理应用方式。
1 等效结构应力法剖析
等效结构应力法是1种新型焊接结构疲劳寿命预测技术
[10-13]
,可广泛应用于不同工业领域的各类
形式焊接承载部件的焊趾疲劳分析,如压力容器、
管道、海上平台、船舶、地面车辆等结构的管件及平板焊接接头[14-18]。该方法主要基于以下2项关键技术: 考虑焊趾部位的结构应力集中效应,应用改进线性化法或节点力法分析其结构应力(即热点应力),确保计算结果对有限单元类型、网格形状及尺寸均不敏感,从而有效区分不同接头类型的焊趾结构应力集中情形; 以结构应力为控制参数计算应力强度因子,在主要考虑焊趾缺口、结构板厚、载荷模式等因素影响的基础上,基于断裂力学分析确定与疲劳寿命直接相关的应力参数,导出等效结构应力转化方程。进而将其应用于处理疲劳试验结果数据,构建出单一通用的疲劳设计主S N 曲线,从而基于等效结构应力并结合该主S N 曲线进行焊接结构的疲劳强度评定及寿命预测。
1 1 网格不敏感结构应力计算
1 1 1 结构应力定义
在焊趾缺口附近沿板厚方向的应力分布通常是非线性的,焊趾部位垂直于竖向假设裂纹面的实际正应力分布如图1所示。按平衡等效条件,该实际缺口的正应力可分解为沿板厚t 分布的膜正应力 m 、弯曲正应力 b 和非线性正应力峰值 p ,结构应力即定义为焊趾表面膜正应力和弯曲正应力之和。若已知板厚t 方向的正应力分布函数 (x ),则结构应力 s 可通过常规的线性化法按下式确定:
m
=1
t
x=t
x =0
(x )d x b =6
t
x=t
x=0 (x )
t 2
-x
d x
s = m + b
(1)
图1 焊趾非线性正应力分布及分解量
1 1
2 改进线性化法结构应力计算
在实际中通常不能应用式(1)计算结构应力。因为:焊趾前沿为几何不连续区域,局部应力集中主要受控于自平衡的非线性应力分布,在理想有限元模型中该部位为应力奇异点,故应力分析结果对单元类型、网格形状及网格尺寸等因素极为敏感;对于焊接结构工程分析中应用最多的板壳有限元模型,几何不连续处单元的应力分析结果是符合板壳理论的收敛解,实际焊趾处的局部应力被强制服从板壳理论,应力在板厚方向呈线性化分布,但有别于按式(1)计算出的结构应力。
为消除或降低结构应力分析结果对网格的敏感性,等效结构应力法建议可采用改进线性化进行计算(主要针对三维实体模型),如图2所示。结构应力的平衡等效条件不但要在假设裂纹面A A 处满足,还需在其临近参考面B B 处满足。对于结构应力沿板厚方向呈单调分布的情形,当截面A A 和B B 间表面无外力作用且可忽略惯性力时,组成结构应力的膜正应力和弯曲正应力按式(2)和式(3)计算。其中式(2)表征2个截面在x 方向的力平衡关系,式(3)表征2个截面相对A A
截面在O 点(y =0)的力矩平衡关系。
m =1
t
y=t
y =0
x (y )d y (2)
m t 22+ b t 2
6
= y=t
y =0
x
(y )y d y +
y=t
y=0
xy
(y )d y
(3)
式中: x (y )和 xy (y )分别为B B 截面上的正应力和横向剪应力分布;t 为焊趾处结构板厚; 为A A 截面和B B 截面间的距离。
图2 改进线性化法结构应力计算
针对改进线性化法结构应力计算,文献
[19] 文献[21]进行的大量对比研究表明,在三维应力集中情况下结构应力对网格的敏感性并不能得到完全解决。文献[22]对这一问题的解释是:等效结构应力法的结构应力对网格不敏感性根本上应采用节点力法实现,改进线性化法仅在网格尺寸可足够准确描述分析部位几何特征的情形下作为1种可选方法。
1 1 3 节点力法结构应力计算
节点力法结构应力的计算原理:组成结构应力的膜正应力分量和弯曲正应力分量分别由作用在其板厚截面上的轴向线力f 和线力矩m 导致,如图3所示,进而可按式(4)材料力学的简单梁公式计算膜正应力和弯曲正应力。
m =f /t
b =6m /t
2(4)
图3 节点力法结构应力计算原理
在具体有限元分析中,计算结构应力所需的线力和线力矩由节点力和力矩分析结果依据单元形函
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