鑄鋼節(jié)點環(huán)形對接焊縫的疲勞性能試驗研究及數(shù)值分析.pdf

1、鑄鋼節(jié)點設計自由，造型美觀，可鑄造成多個支管從任意方向匯交的復雜形狀，避免了桿件交匯處因焊縫密集而產(chǎn)生的較大的殘余應力，并且在桿件相交部位設置的倒角能夠有效的減小應力集中，適用于工程中復雜應力狀態(tài)下的節(jié)點與支座處，尤其在鋼管結(jié)構中能夠表現(xiàn)出良好的力學性能。鑄鋼節(jié)點目前已被廣泛的運用于海洋平臺結(jié)構、橋梁結(jié)構、高聳結(jié)構和大跨度空間結(jié)構中，在往復荷載作用下，這些結(jié)構可能會產(chǎn)生疲勞問題。鑄鋼鋼管與熱軋鋼管連接的環(huán)形對接焊縫為鑄鋼節(jié)點疲勞的薄弱部

2、位。目前，關于鑄鋼節(jié)點環(huán)形對接焊縫的研究較少。因此本文以鑄鋼節(jié)點環(huán)形對接焊縫為研究對象，通過試驗對其疲勞性能和失效機理展開研究，通過數(shù)值模擬結(jié)合試驗數(shù)據(jù)對其疲勞強度分析方法進行對比，在此基礎上對影響疲勞壽命的構造因素進行參數(shù)化分析。
　?。?）為了研究鑄鋼節(jié)點的疲勞性能，開展了鑄鋼材料的疲勞試驗。通過對常用鑄鋼材料G20Mn5QT標準試件進行應變比為-1的疲勞試驗，得到其應變-壽命（S-N）曲線。與其它建筑用鋼比較，發(fā)現(xiàn)鑄鋼材料的

3、疲勞性能較差，通過疲勞斷面電鏡觀察后，發(fā)現(xiàn)這是由于鑄造過程中產(chǎn)生的氣孔類缺陷導致的，并在此基礎上揭示了鑄鋼材料疲勞失效的機理。
　?。?）通過鑄鋼材料G20Mn5QT標準試件在應變比為0.1下的疲勞試驗，得到其S-N曲線，并將其合理的轉(zhuǎn)化為應力-壽命（S-N）曲線。對比DNV規(guī)范中母材的折減系數(shù)法和 Basquin公式關于平均應力對S-N曲線的修正，以及Goodman、Geber和Solonberg考慮了不同平均應力的疲勞極限計算

4、，發(fā)現(xiàn)Basquin公式和Solonberg公式能夠較準確的根據(jù)平均應力對鑄鋼G20Mn5QT進行S-N曲線的修正和疲勞極限計算。
　　（3）為了研究鑄鋼節(jié)點對接焊縫疲勞失效的機理，開展了鑄鋼-熱軋鋼焊接標準試件和鑄鋼-熱軋鋼環(huán)形對接焊縫試件的疲勞試驗。通過鑄鋼G20MnQT與熱軋鋼Q345B焊接標準試件的疲勞試驗得到其S-N曲線，發(fā)現(xiàn)其疲勞性能與鑄鋼G20Mn5QT相比略有降低，且遠差于Q345鋼。焊接標準試件基本都疲勞失效于鑄

5、鋼側(cè)的熱影響區(qū)，并非焊縫處，其疲勞源主要為與鑄鋼類似的鑄造缺陷，所以其疲勞性能與鑄鋼接近，但焊接熱影響區(qū)內(nèi)晶粒大小的不均勻使其疲勞性能比鑄鋼略有降低。
　　（4）提出了一種新的鑄鋼-熱軋鋼管環(huán)形對接焊縫的接頭形式，通過對其進行疲勞試驗，得到該類焊接接頭試件的S-N曲線。通過和已有疲勞數(shù)據(jù)的兩種焊接接頭試件綜合比較，發(fā)現(xiàn)它們疲勞失效的方式均為在焊根處萌生裂紋并沿厚度方向擴展。通過對比發(fā)現(xiàn)本文提出的焊接接頭雖具有較好的抗疲勞性能，但仍

6、遠差于焊接標準試件。這是因為鑄鋼-熱軋鋼管為壁厚不等，焊接時為了保證焊接質(zhì)量，焊接接頭在構造上不可避免的引入了“先天”的缺口，這種缺口引起了較大的應力集中，使裂紋直接在缺口應力較大的焊根處萌生，從而大大縮短了疲勞的整個進程。
　?。?）不同的焊接接頭形式和構造尺寸會對疲勞性能產(chǎn)生較大的影響，而疲勞試驗會消耗大量的時間和經(jīng)濟成本。因此用數(shù)值模擬對鑄鋼節(jié)點環(huán)形對接焊縫進行疲勞性能分析，通過數(shù)值模擬提出了疲勞裂紋萌生于焊根處的三類焊接接

7、頭的熱點應力S-N曲線。此外，通過對比分析發(fā)現(xiàn)，用有效缺口應力法得出的疲勞壽命均偏危險，而修正的有效缺口應力法雖可得到偏安全的計算壽命，但仍存在較大的誤差?；谀覆牡木植繎兎ㄓ嬎氵^程相對復雜，精確度略差，計算結(jié)果偏危險，而基于焊接材料的局部應變法分析結(jié)果精確度較高，能較好的預測鑄鋼節(jié)點環(huán)形對接焊縫的疲勞性能，并且計算過程相對簡單，具有良好的適用性和操作性。
　?。?）利用數(shù)值模擬結(jié)合基于焊接材料的局部應變法，對疲勞性能的控制因素