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部， 130062， 長春; 2.沈陽鐵路局集團有限公司長春工務段,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，使得材料或結構產生裂紋并伴隨裂紋的不斷擴展，最終導致失效破壞的發生[1]。疲勞破壞是最常見的一種失效形式，據統計顯示，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力集中，而焊縫的大小、形狀對應力集中程度有直接影響。焊趾處應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力，而應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，通過焊趾處的應力集中系數和仿真研究，證明了焊接接頭的疲勞性能與焊縫余高相關，且為負相關。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系。邵輝成[5]對含有焊縫余高的焊接結構連接件通過名義應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。根據國際鐵路聯盟標準(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力值，然后根據國際焊接協會(IIW)關于熱點應力法的相關標準,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，從而為相關研究提供理論依據。

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進行網格劃分時，綜合考慮仿真計算時間和構建方式，根據應力場的強度和分布情況，采用稀疏網格進行粗化和細化:在重點區域采用細的網格進行剖分，以提高焊縫有限元模型精度;在焊縫遠離區域采用粗網格剖分，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，對應的加載次數分別為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 應力計算結果

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

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

利用熱點應力法對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律。用外推法計算得到的熱點應力，熱點應力曲線呈現形分布。提取的應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力值，再根據熱點應力外推公式計算出焊趾處熱點應力值，外推公式如式(1)所示，計算結果如表2所示。

σhs=1.67σ0.4t-0.67σ1.0t

(1)

式中：

σhs——焊趾處的熱點應力；

σ0.4t——距焊趾0.4倍板厚處的應力值；

σ1.0t——距離焊趾處1.0倍板厚處的應力值。

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力值MPa

2.2 疲勞性能分析

IIW doc. XIII-1539標準對熱點應力法S-N曲線的選取有明確的規范。對于T型接頭不同焊縫幾何特征的疲勞性能，根據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力范圍。根據表3給出的疲勞特性曲線參數及式(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。計算結果如表4所示。

(2)

式中：

D——線性疲勞累計損傷比；

Δσhs,i——熱點應力范圍；

ni——載荷譜i中Δσhs,i作用下的循環次數；

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

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。

表3 Miner準則特征抗疲勞S-N曲線參數的修正值

計算結果表明：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%，產生了較嚴重的應力集中效應；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 結語

本文基于有限元數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力值，并基于熱點應力法外推焊趾處的應力值。通過Miner準則進行疲勞積累損傷比的計算并進行比較，得出相同加載狀態下的不同幾何特征的T型焊縫抗疲勞能力的強弱。主要結論如下：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。

本文的研究結論可為提高焊縫控制精度、優化焊接結構、編制焊接工藝提供研究和理論依據。