考虑短裂纹的焊接结构裂纹行为仿真研究

论文摘要

焊接结构连接性能优良,制造工艺简便,在工程领域中得到广泛应用。长期服役在循环载荷作用下,焊接结构的焊缝部分,尤其是焊趾和焊根局部,常常由于应力集中而导致疲劳失效。针对当前重大装备钢结构的焊接质量普遍提高的现状,焊缝焊趾处的初始缺陷不再被视为宏观长裂纹,因此目前的研究重点主要集中在焊趾短裂纹的早期行为方面。本文以十字焊接接头为研究对象,考虑短裂纹早期行为,基于扩展有限单元法(XFEM),开展了焊接结构短裂纹萌生和扩展的仿真研究。主要工作如下:(1)以十字焊接接头为研究对象,基于XFEM技术,研究了焊接结构裂纹萌生位置及其影响因素,针对焊缝几何以及材料属性,建立了三种焊缝形态和四种焊趾倒角的有限元模型,并分别设置了两种材料属性,分析了上述参量对焊接结构裂纹萌生位置的影响规律。(2)基于XFEM技术,计算了不同初始短裂纹长度下裂纹附近区域应变分布和裂纹尖端应力强度因子;结合不同的初始短裂纹插入方向,研究了初始短裂纹长度和角度对裂纹扩展路径的影响规律;采用一种考虑短裂纹行为的疲劳寿命模型,分析了短裂纹阶段对焊接结构整体疲劳寿命的占比。(3)考虑材料的微观结构特征,基于泰森多边形方法建立了晶粒的几何模型,采用黏聚力模型(Cohesive单元)模拟晶界和滑移带的力学特性,实现了晶粒尺度下短裂纹的扩展仿真。

论文目录

摘要

Abstract

第一章绪论

1.1 研究背景

1.2 国内外研究现状

1.2.1 焊接结构寿命评定的研究现状

1.2.2 裂纹仿真的研究现状

1.2.3 焊接结构短裂纹研究现状

1.3 本文研究内容

第二章焊接结构裂纹萌生仿真研究

2.1 焊接结构的裂纹萌生机理

2.2 扩展有限元基本理论

2.2.1 基于单位分解的有限单元法

2.2.2 基于水平集法的扩展有限单元法

2.3 仿真实例

2.3.1 仿真对象描述

2.3.2 参数设置

2.3.3 仿真结果

2.4 关键因素的影响分析

2.4.1 仿真实验方案

2.4.2 焊趾半径的影响

2.4.3 焊缝倾角的影响

2.4.4 弹塑性材料属性的影响

2.5 本章小结

第三章焊趾短裂纹的扩展行为研究

3.1 短裂纹概述

3.2 断裂力学基本理论

3.2.1 裂纹模型

3.2.2 二维断裂力学理论

3.2.3 格里菲斯理论

3.2.4 应力强度因子理论

3.2.5 COD理论

3.2.6 J积分理论

3.3 仿真方案描述

3.4 试验现象描述

3.5 仿真结果分析

3.5.1 应力强度因子分析

3.5.2 裂纹长度对应变分布的影响

3.5.3 裂纹长度对扩展路径的影响

3.5.4 裂纹角度对扩展路径的影响

3.6 短裂纹对扩展寿命影响

3.6.1 考虑短裂纹的寿命预测方法

3.6.2 验证问题的描述

3.6.3 寿命预测

3.6.4 结果分析

3.7 本章小结

第四章考虑晶粒微观结构的裂纹萌生仿真

4.1 材料微观结构概述

4.2 微观结构的模拟技术

4.2.1 Voronoi diagram构建方法

4.2.2 黏聚力模型描述

4.3 仿真对象描述

4.3.1 Q345 材料的金相分析

4.3.2 晶粒结构模型建立

4.4 仿真结果分析

4.4.1 裂纹形成过程

4.4.2 应力场分布的演变过程

4.5 本章小结

第五章总结与展望

5.1 总结

5.2 展望

致谢

参考文献

附录1 攻读硕士学位期间发表的论文

附录2 攻读硕士学位期间参加的科研项目

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 周东亮

导师: 魏国前

关键词: 十字焊接接头,短裂纹,裂纹萌生,裂纹扩展

来源: 武汉科技大学

年度: 2019

分类: 工程科技Ⅰ辑

专业: 金属学及金属工艺

单位: 武汉科技大学

分类号: TG40

总页数: 73

文件大小: 6451K

下载量: 130

考虑短裂纹的焊接结构裂纹行为仿真研究

论文摘要

论文目录

文章来源

相关论文文献

猜你喜欢