船舶建造工艺力学 焊接结构疲劳.ppt

焊接结构疲劳断裂与寿命预测第一章绪论1.2焊接接头的基本类型
根据结构连接的需要，在焊接结构中可以采用不同形式的焊接接头，通常的焊接结构有板接头和管接头两大类。板接头中有对接接头，T形接头，角接头和搭接头四种基本形式。其结构示意图分别如图1.1~图1.4所示。管接头中有T型管节点，Y型管节点，X型管节点，其结构示意图分别如图1.5~图1.8所示。在许多工程结构中所采用的焊接头主要是板接头，而在海洋工程结构及高层建筑等焊接结构中常采用焊接管节点。常按破坏循环次数的高低将疲劳分为两类：
①高循环疲劳（高周疲劳）。作用于零件、构件的应力水平较低，破坏循环次数一般高于104～105的疲劳，弹簧、传动轴等的疲劳属此类。
②低循环疲劳（低周疲劳）。作用于零件、构件的应力水平较高，破坏循环次数一般低于104～105的疲劳，如压力容器、燃气轮机零件等的疲劳。
结构的疲劳破坏经历三个阶段：
第一阶段：裂纹的萌生阶段。疲劳裂纹的萌生是由局部塑性应变集中引起而产生的。在交变应力作用下，由于焊缝附近材料组织的不均匀性，疲劳裂纹在金属表面滑移带或缺陷区形成，而后疲劳裂纹立即开始向金属内部扩展，其扩展方向通常与主应力轴成45°。这一阶段的疲劳裂纹由最大剪应力控制。
第二阶段：裂纹的扩展阶段。疲劳裂纹按第一阶段扩展一定距离后，扩展方向发生变化，它沿与主应力垂直方向扩展，这时裂纹扩展主要受主应力控制。
第三阶段：裂纹失稳扩展阶段。它与前两个阶段不同，是在一瞬间突然发生的，主要是由超载所引起的。其本质是因疲劳损伤累计，达到损伤临界值的结果。1.4.2包辛格效应
金属加工硬化具有方向性，在拉伸变形后，继续拉伸变形比较困难，但此时压缩变形反而变得容易了。反之，先压缩变形然后再进行拉伸变形，屈服极限将有所降低。这种现象称为包辛格效应。
1.4.3循环硬化和软化
应力（应变）随循环数的增加而增大，然后达到稳定的状态称为循环硬化。

当外加循环应力应变位材料进入塑性后，由于反复产生塑性变形，金属的塑性流动特性改变，材料抵抗变形的能力增加或减小，这种现象称为循环硬化或循环软化。循环加载有两种控制方式：应力控制和应变控制。在应力控制下，对循环硬化材料，其应变不断减小；对循环软化材料，其应变则不断增加。在应变控制下：对循环硬化材料，其应力不断增加：对循环软化材料，其应力则不断减小。
<0.7—循环硬化材料，
>0.8—循环软化材料，
在0．7一0．8之间的材料就有可能是循环硬化材料，也可能是循环软化材料。）1.5S-N曲线如何得到S-N曲线：标准试样的疲劳试验，一般是在控制载荷或应力的试验条件些，用旋转弯曲疲劳试验机来做的。试验中记录试样在某一循环应力作用下到达破坏时的循环数或寿命N，这里的破坏是指断裂。对一组试样施加不同应力幅的循环载荷，就得到一组破坏循环数。以循环应力中的最大应力σ为纵坐标，破坏循环数N为横坐标，根据试验数据，用最小二乘法可绘出曲线，即S-N曲线。如图。
P-S-N曲线：对于给定的构件，在不同应力水平下，各进行一组疲劳试验，从而可得各应力水平下，疲劳寿命的概率分布曲线。一般认为，疲劳寿命在次以内，疲劳寿命服从对数正态分布和威布尔分布。这样，即可求得给定存活率P时的对数疲劳寿命，将不同应力水平下具有相同存活率的各点相连所得曲线，就是构件的P-S-N曲线。如图所示。
下图表示的是等幅应力-时间历程。图中标出了疲劳强度设计中所用的一些符号，以说明最大应力、最小应力、应力幅、平均应力和应力幅度的定义。这些参数之间的关系为
1.6预测构件疲劳寿命的基本方法
由于影响构件疲劳性能的因素很多，因为使得预测疲劳寿命变得十分复杂，目前，预测构件的疲劳寿命主要有以下几种方法：
（1）名义应力法其基本思想是以名义应力为控制参数。通过疲劳试验获得S—N曲线，通过载荷谱分析及损伤法则，即可计算构件的疲劳寿命。优点是具有较高的可靠度，得到广泛应用；缺点是费时费力，很不经济。
（2）局部应力应变法它是基于决定构件疲劳强度和寿命的主导因素是应力应变集中区德局部应力和应变这种思想，并假定只要局部应力应变相同，其疲劳寿命就完全一致。因而只要知道构件的局部应力应变就可以通过光滑材料试件的S—N曲线来预测构件的疲劳寿命。值得注意的是，该法计算的寿命是裂纹形成寿命而非总寿命。
（3）断裂力学方法对于焊接结构，由于焊缝内常常有气孔，裂纹，夹渣等缺陷，人们用断裂力学理论建立焊接结构的损伤容限设计方法，预测焊接结构的疲劳裂纹扩展寿命。由于焊缝内裂纹的复杂性，材质的不均匀性，裂纹扩展的特殊规律等诸多问题的存在，使得该法预测变得十分复杂。随着断裂力学理论研究的进一步深入，断裂力学方法必将得到更大地发展。
（4）损伤力学方法构件的疲劳破坏其本质是构件的累计损伤发展到临界损伤值得结果。有关损伤力学的研究，目前大