1、 一 第 1 2 卷 19 9 7 拒 弓 I 第 3期 7月 航空动力学报 J o u r n a l o f Ae r o s p a c e P o we r Vo I 1 2 NO 3 J u l y 1 9 9 7 用有限元法对影 响 的各种因索进行 了分析 ， 得出了计算 一 的经验 公式 。 通过疲劳试验 ， 得到两 种 材料 ( GH1 5 0和 1 C r l S Ni 9 Ti ) 缝 焊接 头的 , K-N 曲线 ， 运用 一 曲线 可以更准确地估算 各 种复杂形式的缝焊接头的疲劳寿命 。 主 囊 词； 燕 擤 壅 苎 璺 垦 堡 塑 丝 巨 型 芏 1 分类号 ： O
2、3 4 6 l 1 搭接缝焊接头的疲劳试验和 K因子的计算 本文将结城 良治运用线弹性断裂力学研究搭接点焊接头疲劳强度的方法推广到搭接缝 焊接头上 ， 并对影响搭接缝焊接头等效应力强度 因子 的各种因素进行了分析 图 1 搭接缝焊试件 为裂纹出现位置) I g 图 2 搭接冀焊接 头疲劳试验结果 采用 的搭 接缝焊 接头 试件如 图 1所示 ， 材 料分别为 国 产 G H1 5 0高温 合金钢和 1 C r l 8 N i O T i 不锈钢。 试件均取 自2 m i ll 厚的板材， 受载方向为轧制方向。 两种材料的静态机械 性能和焊接规范见表 1 。试样焊好后 进行两次热处理 先经退火处
3、理 ， 再进行最终固溶热处 理 ， 以消除焊接引起的残余应变和残应应力 。 试验设备采用 I n s t r o n 1 3 4 1型疲劳试验机 。 试验 条件： 控制最大名义应力并轴向疲劳加载， 应力比R =0 1 ， 三角波形 ， 加载频率 ， 一5 2 0 H z 室温 空气介质下。 试验得到应力与寿命的关系如图 2 所示。 从图 2 可以看出， 尽管G H1 5 O 材 1 9 9 6 年 9 月收稿| 1 9 9 7 年 1 月收到修改稿。*南京航空航天大学 2 0 2 教研室2 1 0 0 1 6 维普资讯 http:/ 航空动力学报 第1 2 卷 料的屈服强度和强度极 限均 比
4、1 C r 1 8 Ni 9 Ti 材料的高 ， 但两种材料搭接 缝焊接头 的应力一寿 命曲线基本重合 ， 这结果与文献 2 中所述的点焊接头的疲劳强度与其母材强度性能无关的结 论相一致。 衰 1 两种材料的机械性能和焊接规范 采用有限元法对搭接缝焊接头进行线弹性分析。由于试件的宽度 相对于厚度要大很 甍绞尖j | 田 3 孽 焊 接 头 的 有 限 元 网 格 多 ， 因此该结构可看作平面应变问题 ， 采用二维 四节点 平 面应变单 元进行有限元离散后如 图 3所 示。文献 E 3 3 认 为， 取裂纹 内表 面上节 点( = ) 的位 移值 ( U， V) ， 由如下 公式计算 出各节 点
5、处 的表 观应力强 度园 子 ： = 2 G V 2C r r ( k+ 1 ) 日 矗 R 剖 图 4 外推 去 求解 因子 和 ：一 2 G U V -7 ； ( k+ 1 ) 式中： r为节点至裂纹尖端 的距离 ， 一3 一 ， 为泊松 比。 对于裂纹尖端附近区域 ， 裂纹内表 面各点的表观应力强度园子与 r近似地有线性关系( 如 图 4所示) ， 则图 4中直线与纵坐标交点的纵 向坐标值即为所求裂纹尖端应力强度因子 和 。的取值 。 2 经验公式的提出 对于如图 1 所示的搭接缝焊接头 可以作为单边裂纹来处理。 薄板搭板接缝焊接头主要受 剪切作用， 因此 一 是主要的应力强度园子分量
6、另外 ， 由于接合部有垂直于板面方 向的位移， 相应地就有 分量。因此， 搭接缝焊接头可以近似处理为 I 一 型复合裂纹问题 C h a n g和 Mu k i r 4 提出计算胶接点焊接头应力强度园子的经验公式， 类似于本文建立了搭 接缝焊接头 因子的计算公式 ： K 一 a t v 丽和 。 一 a t v 丽 ( 1 ) 式中 一F ( 吐) 为搭接缝焊接头处的名义应力 t 为板厚 h 为焊缝宽 为试件宽。 维普资讯 http:/ 第3 期 搭接缝焊接头盎劳强度的断裂力学分析 影响形状因子可能 的因素有 比值 =h t 和板厚 t 本文对不 同 和 的搭接缝焊接头 进行了有限元计算 ，
7、并代入 ( 1 ) 式分别得到缝 焊接头的 ， 和 ， 计算结果列于表 2 和表 3 。从 中可看 出， 当 一常数时 ， ， 几 乎与 无关 f 而 当 增加时 ， 也单调地增 加 ， ， 与 的拟合公式如下 ： 一 0 3 7 0 6+ 0 0 5 0 5 a+ 0 0 0 2 2 a ( 2 ) 2 0 4 2 3 7+ 0 2 2 8 0 a一 0 0 1 1 4 。 ( 3 ) 将( 2 ) ， ( 3 ) 式代入( 1 ) 式即得到计算缝焊接头 衰 2 不同板厚 f 下搭接缝焊接头 的形 状园子 注 ： 名义应力 =1 0 MP 日 ， =2 0 ， 板厚 单位 ； mm 应力强度
8、因子 和 K。 的经验表达式。 应力强度因子单位： MP n 公式 ( 2 ) ， ( 3 ) 是对材料 1 Cr l 8 Ni 9 Ti 模型推导出来的 。对于 GH1 5 0材料本文计算了其搭 接缝焊接头 在不同的 比 值 时 的应 力强 度 因子 和 ， 计算 结果 列 于 表 3 。从表 3可以看 出， 对 于 GHl 5 0材 料的 搭接缝焊接头， 只要其所 受 载 荷 和 几 何 尺 寸 与 1 C r l 8 Ni 9 Ti 材 料 相 同， 它们 的应力强度 因子也 相 同 因此， 公式 ( 2 ) 和 ( 3 ) 对于 GH1 5 0材 料的 衰 3 不 同比值 。 时搭接缝
9、焊接 头的 园子和形 状园子 材料 ： 1 C r l 8 Ni 9 Ti 材料 I GHI 5 0 K I K I K I K I 2 0 0 3 8 4 0 4 8 4 0 6 61 0 8 3 3 0 3 8 5 O 6 6 3 2 5 0 3 5 8 0 5 0 5 0 6 5 4 0 9 2 2 0 3 5 8 0 8 49 3 0 0 3 5 6 0 5 5 0 0 6 5 l 1 0 0 6 0 3 5 7 0 6 5 0 3 5 0 3 3 5 0 5 5 9 0 6 4 9 I 0 8 3 0 3 3 5 0 6 4 7 4 0 0 3 5 2 0 6 2 7 0 6 4 7
10、 1 I 5 4 0 3 5 3 0 6 45 4 5 0 3 3 2 n 6 2 S 0 6 4 2 1 5 D 33 3 0 6 4 2 5 0 0 3 4 6 0 6 9 0 0 6 4 0 1 2 77 0 3 4 6 0 6 3 9 6 0 0 3 4 4 0 7 5 2 0 63 2 1 3 81 0 3 4 3 0 63 I 搭接缝焊接头也是适用的 。 3 断裂力学分析和K一 曲线 对于 I I复合型裂纹 ， 根据最大周向应力理论口 ， 裂纹扩展方向由下式确定 ： K 】 s i nO+ K I ( 3 c o s 0 1 )一 0 ( 4 ) 由( 1 ) 式有 K K， 一
11、， 则 由( 4 ) 式即可解出 ， 在 ( 4 ) 式确定的方 向上 ， 周 向应力达到 最大值 口 b ： 一 r c O S ( 0 2 )一 1 5 K s i n c o s ( O 2 ) ( 5 ) 如果记 口 一 、 j ， 则有 K 一 【 C 0 $ ( 0 2 ) 一1 5 K s i n 0 e o s ( 0 2 ) ， 写成增量形式： K 一 K r C O S ( 0 2 )一 1 5 K 。 s i n 0 c o s ( 0 2 ) ( 6 ) 的意义是 ： 在( 4 ) 式确定的裂纹扩展方向上 ， 与 I 型变形对应的应力强度因子 。由于搭接缝 焊接头的疲劳
12、寿命取决于焊缝 内表面疲劳裂纹 的生成和扩展 ， 所 以 是控制搭接缝焊接头 疲劳寿命的重要参数 。用 一 曲线来整理实验结果 时， 载荷一寿命关系将随试件厚度 、 焊缝 宽等参数的改变而发生变化。而 综合了载荷、 试件厚度和焊缝宽等因素的作用， 只要材料 和焊接条件相同， 则各种形状搭接缝焊接头的疲劳强度可以通过 一关系进行统一评价。 对本文两种试件有 口 一2 0 ， Kt K， =A I a 2 一O 5 7 6 0 ， 则由( 4 ) 式可求出 一6 0 0 2 。 ， 代 维普资讯 http:/ 航空动力学报 第1 2 卷 入( 6 ) 式得； K 一 0 6 4 9 K 4 -1
13、1 2 5 K ( 7 ) 按( 7 ) 式整理本文的试验结果 ， 用最小二乘法拟合分别得到 1 C r l 8 Ni 9 T i 和 GH1 5 0两种材 料的K一 关系 ： K 一 5 5 8 3 6 9 1 7 1 I g N ( 8 ) K 一 5 4 8 7 3 8 9 3 8l gN ( 9 ) 至此， 对于 G H1 5 0 和 1 C r l 8 N i 9 T i 两种材料只要求出其搭接缝焊接头相应的K， 即可由 ( 8 ) 和( 9 ) 式来预测其疲劳寿命 。 4 结论 ( 1 ) 本文所研究的两种材料虽然它们的极限强度相差很大 ， 但它们的搭接缝焊接头的疲劳 强度却非常接
14、近。 这可解释为搭接缝焊接头的结构形式所引起的应力或应变集中非常严重， 以 致于掩盖了材料缺陷等其它因紊对其疲劳强度的影响 ( 2 ) 搭接缝焊接头可以看作 I I 型复合裂纹来处理， 其应力强度因子可由( 2 ) 式计算得 出。形状因子只与比值 a =h , t 有关， 并且均满足式( 3 ) 、 ( 4 ) 关系， 而与材料性能无关。 ( 3 ) 应力强度因子 综合 了载荷 、 几何尺寸等 因紊的影响 ， 因此 ， K一 曲线 比 一 曲线更能统一地求解搭接缝焊接头的疲劳强度。本文得到了国产 G H1 5 0 和 1 C r l 8 N i 9 T i 两种 材料的K一曲线， 只要焊接条件
15、相同， 即可用来评价复杂形式缝焊结构的疲劳强度。 参考文献 1 结娥最 台 t 大平寿昭 申务哺当， e t 丑 1 一 瞽接蛙手 疲劳强度 破坏力学的解析评价 日本机械学舍论文枭 A， 1 9 8 5 ， 5 】 “ ) 1 7 7 21 7 7 8 2 P - a d a l D著， 郑朝云， 张式程译 焊接鳍拇疲劳强度 北京t 机掖工业出版社， 1 9 9 4 ： 1 5 8 1 6 0 3 高庆主编 工程断裂 力学 重庆大学 出版杜 ， 1 9 8 6 4 6 4 8 ， 8 3 8 5 4 Ch a D J， M u k L R St r e s sDi s t r i b u t i O ni nLa p J o i n t s u n d e r Te n s i o n- S he s r I nt 】 l i a s St r 眦t u r e， 1 9 7 4， 1 0： 5 0 35 1 7 ( 责任编辑杨再荣) 维普资讯 http:/
