耐候钢焊接接头疲劳性能与焊接质量影响研究

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良好的船舶焊接质量是船舶能够长期安全运行的前提。在船舶建造中,船用钢焊接接头作为基础构件存在,在服役期间一直处于复杂的载荷条件下。在焊接构件焊缝区域通常会存在各种缺陷,由此产生应力集中,加速裂纹扩展,减小其使用寿命。因此,含缺陷的焊接结构能否安全运行,是需要关注的热点,也是涉及生命财产安全的潜在隐患,必须开展科学评估。本文采用试验与模拟相结合的方法,开展耐候钢对接接头与十字接头疲劳性能与焊接质量影响研究。采用结构应力法针对耐候钢对接接头与十字接头开展疲劳性能分析,结合疲劳试验数据绘制S-N曲线,并采用断口观察分析接头内部缺陷。结果表明:对于对接接头,角变形使接头疲劳强度降低;焊缝根部余高会造成局部应力集中,使其成为疲劳裂纹的萌生区域;对于十字接头,角变形与错边使承载焊缝疲劳寿命降低,当角变形与错边控制较好时,失效模式相同的承载十字接头与非承载十字接头的疲劳性能差异不大;现行工艺下,承载焊缝存在焊根未熔合缺陷并不影响接头的失效模式,当焊脚尺寸达到板厚时(t=12mm),建议根部未熔合尺寸控制在0.75t以内;焊缝部位越薄,应力集中越小,十字接头疲劳强度越高。基于本文疲劳试验数据,构建适用于本文中接头类型疲劳强度评估的S-N曲线,S-N曲线中值参数Cd′与h′分别为4 7 9 4.0 2、0.1 8 0 7,标准差为0.1568,与原S-N曲线相比降低了8%,完善了焊接接头抗疲劳设计准则。借助应变能密度法开展不同等级咬边缺陷影响研究,在有限元模拟中选择合适的网格尺寸,确保计算精度,并结合疲劳数据绘制W-N曲线以及应变能密度变化曲线。结果发现:当类咬边缺陷出现在焊趾处时,影响试样疲劳强度,试样应变能密度变化梯度随咬边深度增大而增大;针对对接接头,当类咬边缺陷出现在焊缝正面余高时,咬边深度低于0.1mm时几乎没有影响,而当类咬边缺陷出现在焊趾处时咬边缺陷处为接头失效位置。板厚为12mm时,0.2mm、0.5mm与1mm深度的咬边缺陷使接头疲劳寿命分别降低17%、60%和83%;板厚为1 0 m m时,0.2 m m、0.5 m m深度的咬边缺陷使疲劳寿命分别降低2 0%和6 1%;针对十字接头,板厚为1 2 m m,0.2 m m、0.5 m m与1 m m深度的咬边缺陷使其疲劳寿命分别降低18%、47%和71%。相同厚度下,当咬边深度为0.5/1mm时,相比十字接头,咬边缺陷对对接接头的疲劳强度影响更大。
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