T型接頭角焊縫幾何特征對疲勞性能的影響

孔 風 于 闖 高明亮 薛世海 晏中華 高 珊

(1.中車長春軌道客車股份有限公司檢修研發(fā)部， 130062， 長春; 2.沈陽鐵路局集團有限公司長春工務(wù)段,130062,長春//第一作者，教授級高級工程師)

疲勞破壞是材料在承受低于材料強度極限的交變載荷作用下，使得材料或結(jié)構(gòu)產(chǎn)生裂紋并伴隨裂紋的不斷擴展，最終導致失效破壞的發(fā)生[1]。疲勞破壞是最常見的一種失效形式，據(jù)統(tǒng)計顯示，機械零件的損傷有60%～90%屬于疲勞破壞。

焊接接頭的疲勞強度大大低于基體金屬，其重要的原因是焊接接頭的焊趾處存在應(yīng)力集中，而焊縫的大小、形狀對應(yīng)力集中程度有直接影響。焊趾處應(yīng)力集中的原因是因為存在焊縫余高、焊接缺陷及復雜殘余拉應(yīng)力，而應(yīng)力集中導致焊趾處的疲勞性能最差。

文獻[2]表明，對于金屬材料，焊縫的幾何特征可有效影響焊接接頭的疲勞強度。李敬勇[3]在焊縫存在余高的情況下，通過焊趾處的應(yīng)力集中系數(shù)和仿真研究，證明了焊接接頭的疲勞性能與焊縫余高相關(guān)，且為負相關(guān)。王德俊[4]通過開展鋁合金不同幾何尺寸和焊縫形式的焊接接頭疲勞試驗，證明了疲勞強度的降低因子與疲勞壽命有直接關(guān)系。邵輝成[5]對含有焊縫余高的焊接結(jié)構(gòu)連接件通過名義應(yīng)力法進行了仿真分析和強度預測；王潤[6]深入分析了去掉焊縫余高、保留焊縫余高的鋁合金焊接接頭，對其疲勞性能進行了深入研究，結(jié)果表明在中值疲勞極限方面兩種焊接接頭的性能基本相同。

盡管人們對焊趾處的應(yīng)力集中以及焊縫余高等對焊接接頭疲勞性能的影響給予關(guān)注，但對T型接頭研究資料欠足。本文以S355鋼為例，建立了3種幾何特征的T型角焊縫有限元模型。根據(jù)國際鐵路聯(lián)盟標準(UIC)的加載標準，計算得出不同幾何特征的T型角焊縫模型在各工況下沿外載荷方向的最大應(yīng)力值，然后根據(jù)國際焊接協(xié)會(IIW)關(guān)于熱點應(yīng)力法的相關(guān)標準,計算3種幾何特征的T型角焊縫疲勞壽命和損傷比。通過Miner準則進行疲勞積累損傷比的計算并進行比較，得出相同加載狀態(tài)下不同幾何特征的角焊縫接頭抗疲勞能力的強弱，從而為相關(guān)研究提供理論依據(jù)。

1 焊縫模型建立

1.1 幾何模型

為了分析焊縫幾何特征對T型接頭角焊縫疲勞性能的影響規(guī)律，建立了3種不同幾何特征的焊縫，分別為平面形角焊縫、凸圓弧形角焊縫、凹圓弧形角焊縫。模型的幾何尺寸如表1所示，幾何模型如圖1所示，其中，3種幾何特征角焊縫的焊腳長度均為10 mm。

表1 T型接頭角焊縫幾何模型尺寸 m

a) 平面形角焊縫幾何模型

b) 凸圓弧形角焊縫幾何模型

c) 凹圓弧形角焊縫幾何模型

1.2 有限元模型

采用有限元前處理軟件HyperMesh進行網(wǎng)格劃分時，綜合考慮仿真計算時間和構(gòu)建方式，根據(jù)應(yīng)力場的強度和分布情況，采用稀疏網(wǎng)格進行粗化和細化:在重點區(qū)域采用細的網(wǎng)格進行剖分，以提高焊縫有限元模型精度;在焊縫遠離區(qū)域采用粗網(wǎng)格剖分，以減少計算時間，提高模型運算速度[7]。采用以上方式得到的凸圓弧形角焊縫的有限元模型如圖2所示。

圖2 凸圓弧形角焊縫有限元模型

1.3 載荷方案

以T型接頭平面形角焊縫為例，參照UIC給出的加載標準，對該模型進行加載。加載分為3個階段進行，載荷的大小分別為30、36、42 MPa，對應(yīng)的加載次數(shù)分別為600萬次、200萬次、200萬次，其約束條件如圖3所示。

2 計算與分析

2.1 應(yīng)力計算結(jié)果

以凹圓弧形角焊縫為例，沿外載荷方向的最大

圖3 平面形角焊縫加載約束條件

應(yīng)力計算結(jié)果如圖4所示。通過應(yīng)力云圖可以發(fā)現(xiàn)，該焊接構(gòu)件的焊趾處產(chǎn)生較大的應(yīng)力集中。參照IIW標準，焊接接頭名義應(yīng)力的計算是忽略了焊接接頭局部應(yīng)力的增長效應(yīng)，計算所研究截面的應(yīng)力。但焊趾處由于存在結(jié)構(gòu)變化，本身就存在著應(yīng)力集中，這導致名義應(yīng)力無法準確的表征焊趾處的應(yīng)力狀態(tài)。而熱點應(yīng)力考慮了所有由于結(jié)構(gòu)變化引起的應(yīng)力集中，對于焊接接頭推薦使用熱點應(yīng)力法。

利用熱點應(yīng)力法對3種幾何特征的T型接頭非承載角焊縫進行研究，以考察不同焊縫幾何特征對其疲勞性能的影響規(guī)律。用外推法計算得到的熱點應(yīng)力，熱點應(yīng)力曲線呈現(xiàn)形分布。提取的應(yīng)力為主板上表面距離焊趾0.4和1.0倍板厚處沿外載荷方向的最大主應(yīng)力值，再根據(jù)熱點應(yīng)力外推公式計算出焊趾處熱點應(yīng)力值，外推公式如式(1)所示，計算結(jié)果如表2所示。

σhs=1.67σ0.4t-0.67σ1.0t

(1)

式中：

σhs——焊趾處的熱點應(yīng)力；

σ0.4t——距焊趾0.4倍板厚處的應(yīng)力值；

σ1.0t——距離焊趾處1.0倍板厚處的應(yīng)力值。

a) 30 MPa載荷

b) 36 MPa載荷

c) 42 MPa載荷

表2 T型接頭角焊縫在距焊趾0.4和1.0倍板厚處沿外載荷方向的最大應(yīng)力值MPa

2.2 疲勞性能分析

IIW doc. XIII-1539標準對熱點應(yīng)力法S-N曲線的選取有明確的規(guī)范。對于T型接頭不同焊縫幾何特征的疲勞性能，根據(jù)模擬的材料和焊縫類型選取疲勞等級FAT為100的S-N曲線(若角焊縫焊趾打磨，則疲勞等級FAT為112)。在表2中已給出了不同焊縫幾何特征和不同加載階段下的熱點應(yīng)力范圍。根據(jù)表3給出的疲勞特性曲線參數(shù)及式(2)計算得到的線性疲勞累計損傷比，通過比較損傷比的大小即可得出3種焊縫幾何特征的S355鋼板縱向焊縫線性疲勞累積損傷比。計算結(jié)果如表4所示。

(2)

式中：

D——線性疲勞累計損傷比；

Δσhs,i——熱點應(yīng)力范圍；

ni——載荷譜i中Δσhs,i作用下的循環(huán)次數(shù)；

Ni——Miner準則特征抗疲勞S-N曲線中，導致失效的Δσhs,i的循環(huán)次數(shù)；

m——S-N曲線的斜率；

Δσ1——截止疲勞極限；

Δσ2——常幅疲勞極限；

C1、C2——S-N曲線常數(shù)。

表3 Miner準則特征抗疲勞S-N曲線參數(shù)的修正值

計算結(jié)果表明：T型接頭平面形角焊縫的累積損傷比為0.121 8，凸圓弧形角焊縫的累積損傷比為0.124 5，凹圓弧形角焊縫的累積損傷比為0.119 5；凸圓弧形角焊縫積累損傷比超出平面形角焊縫積累損傷比2.22%，超出凹圓弧形角焊縫積累損傷比4.18%，產(chǎn)生了較嚴重的應(yīng)力集中效應(yīng)；對于3種幾個特征的T型接頭角焊縫，凸圓弧形角焊縫累積損傷比最大，抗疲勞能力最差，凹圓弧形角焊縫累積損傷比最小，具有較好的抗疲勞能力。

3 結(jié)語

本文基于有限元數(shù)值分析研究焊縫幾何特征對S355鋼T型接頭角焊縫疲勞性能的影響規(guī)律。

表4 T型接頭角焊縫線性疲勞累積損傷比

運用Abaqus軟件，建立了3種焊縫幾何特征的T型接頭有限元模型。根據(jù)UIC標準的加載標準，計算得到主板上表面距離焊趾0.4倍和1.0倍板厚處沿外載荷方向的最大應(yīng)力值，并基于熱點應(yīng)力法外推焊趾處的應(yīng)力值。通過Miner準則進行疲勞積累損傷比的計算并進行比較，得出相同加載狀態(tài)下的不同幾何特征的T型焊縫抗疲勞能力的強弱。主要結(jié)論如下：平面形角焊縫的累積損傷比為0.121 8；凸圓弧形角焊縫的累積損傷比為0.124 5；凹圓弧形角焊縫的累積損傷比為0.119 5。對于3種幾何特征的T型接頭角焊縫，凸圓弧形角焊縫累積損傷比最大，抗疲勞能力最差；凹圓弧形角焊縫累積損傷比最小，具有較好的抗疲勞能力。

本文的研究結(jié)論可為提高焊縫控制精度、優(yōu)化焊接結(jié)構(gòu)、編制焊接工藝提供研究和理論依據(jù)。