用样条函数对焊接轮廓建模来预测对接接头缺口应力集中因子的新参数方程相关研究外文翻译资料

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用样条函数对焊接轮廓建模来预测对接接头缺口应力集中因子的新参数方程相关研究

关键词：焊接接头、对接接头、应力集中、缺口、有限元

摘要：对于疲劳寿命预测以及通过局部应力方法对焊接结构的疲劳测试分析，焊缝处的应力集中因子（SCF）必须是已知的。全焊透对接接头在钢结构中应用广泛。虽然前人的文献中提供了一些估计应力集中因子SCF的经验公式，但是公式应用范围并不明确，且研究范围较窄。本课题通过采取二维平面应变线弹性有限元分析方法，研究了对接接头在单向拉伸载荷作用下的缺口应力集中因子SCF。焊接轮廓用样条函数建模，给出了详细的几何定义。通过研究焊板厚度、焊缝加强高、焊趾倾角、焊趾半径、焊缝长度、线性失准等因素对焊接接头应力集中系数的影响，得出了预测对接接头应力集中系数的新的参数化方程。

1. 前言

在周期或可变载荷下作用下，焊接结构尤其容易疲劳。基于应力的多种方法可用于疲劳评估。其中，最简单的方法是标称应力法，标称应力法采用结构构造的S-N曲线对疲劳寿命进行判定^【1-4】。 最近，采用局部概念评估疲劳寿命的方法已经被提出来了^【5】。

结构热点应力方法与标称应力方法相反，影响因素包括结构构造等，即由结构应力集中引起的应力增加^【6】。这种方法在标称应力不能被明确定义时可以完成对焊接件的处理，并且还减少了FAT的数量，该曲线称为热点S-N曲线^【7】。 在这种方法中，S-N曲线与焊接类型有关^[8]。 结构热点应力是在排除由焊缝形状（例如焊趾等）引起的非线性峰值基础上薄膜应力和弯曲应力的组合。

或者，有效缺口应力概念^【9】考虑由焊缝的存在（例如，在焊趾或焊根处）引起的非线性峰值，增加了一定的精度。它降低了高周疲劳寿命的疲劳强度。局部应力的增加及其对疲劳强度的影响可以用疲劳缺口因子Kf表示，Kf可以由不同方法的弹性缺口应力集中因子Kt确定。例如，采用形式为假想的凹口圆角应力平均法。缺口圆角法基于Neuber在缺口处的微支持效应的概念，其包括通过引入放大的有效半径qf来平均小材料体积中的最大缺口应力

qf=q sqlowast; （1）其中q是实际缺口半径，s是应力多轴性和强度标准的因子，q *是微支撑件长度。

Radaj ^[12]提出，对于钢结构焊接接头，sasymp;2.5（在缺口处的平面应变条件与延性材料的von Mises多轴强度标准相结合），q * = 0.4mm（焊接结构钢），q = 0mm（最坏情况），产生所谓的参考半径qf = r_ref = 1mm ^[9,11]。这导致最大可能的疲劳缺口因子Kf，max Kt（rref = 1mm）[10]。 相关的弹性缺口应力是疲劳有效应力，即所谓的有效缺口应力方法。在这种方法中，就有效缺口应力范围而言，疲劳强度与材料的单个S-N曲线有关。

这些局部概念的理论和应用可以在许多出版物中找到^[13-25]。 国际焊接研究所（IIW）最近更新的文章涵盖了所有当前的评估方法^[8,26]。在钢结构中，横向加载的全焊透对接焊接接头经常使用。虽然文献中公开了一些用于估计对接接头焊缝处的SCF的参数方程，但是一些重要的参数例如焊接加强件高度研究涉及不深。此外，科学家和设计者不能轻易地找到所研究几何形状的应用范围和详细定义。通过线弹性有限元分析（FEA），本课题提出了一种新的研究方法。在文献综述之后，对接接头焊缝处的焊接接头应力集中因子SCF可用公式被计算和评估，提出有限元（FE）模型，并定义几何的假设。对影响SCF的几何参数进行参数化研究，提出了用于估计钢结构对接焊接接头处的SCF的新的参数方程，并校正方程是否失准。

2.文献综述

2.1 SCF的定义

由于存在失准等因素，结构热点应力sigma;_hs与K_m和sigma;_nom有关，公式如下：

sigma;_hs=K_m sigma;_nom （2）

几种类型的失准的组合可以近似为：

（3）

其中i表示错位类型，Kw为缺口应力sigma;_n和结构热点应力sigma;_hs的比。

sigma;_n=sigma;_hsk_n （4）

考虑到放大源的线性失准，SCF Kt与标称应力sigma;_nom和陷波应力sigma;_n 有关，关系如下:

sigma;_n=sigma;_nom K_t (5)

其中 K_{t =} K_w（不考虑线性失准）

普通切口中SCF K_t，m与结构SCF和焊缝SCF关系如下^{【10，27】}：

sigma;_n = K_tmsigma;_nom = KmK_wsigma;_nom （6）

2.2 线性失准下的SCF

线性失准结构的SCF可以从经典板理论^【30】中得到。若接头不受约束，

Km可以计算为（参见，焊接板^{【3,6,8,26,31-36】}）：

（7）

其中ts是板厚度，e是线性失准（偏心率）。

2.3焊缝形状引起的缺口SCFs

文献^[37]提出了含双V形焊接接头的缺口因子的经验公式：

Kt = 1 A(ts/q)^0.5 （8）

其中q为焊趾半径（见图4）。 A是焊趾倾角beta;和坡口角度alpha;的常数（见图4）。

文献^[38]中提出了类似的方法用于单V对接焊接：

Kt = 1 A(ts/q)a （9）

其中a取决于beta;和ts / q。

文献^[39,40]中提出了另一种具有类似方法的表达式：

Kt = 1 0.27 tan (b)0.25(ts/q)0.5 （10）

其中前一系数A是beta;的连续函数。这个表达式在文献^【10】中被涉及。

文献^[41]中提出了更加明确的表达式，见下：

Kt = B(beta;) .1 A(ts/q)a. （11）

（12）

（13）

其中A，a，Bi和gamma;_i是常数参数，公式在文献^[29,42,43]中使用。若限定特定应用范围，表达式简化为^[41]：

Kt = 1 A sin (b)a1 (ts/q)a2 （14）

其中A和ai是常数参数。

文献^[27,44]中提出了一种用于激光焊接接头切口因子的公式，其中焊道假设为梯形凸起：

（15）

其中d是焊缝增强高，lw是焊缝长度。

继Lehrke之后，文献^[32]中亦提出了双V对接焊接接头经验公式：

(16)

文献^[45]提出了经验公式：

（17）

最后，在^[46]中还研究了对接焊接接头处的SCF，其中提出了单个厚度和单个焊接趾部半径的参数方程。

图一

2.4 已知公式比较

采用第3节给出的FE模型进行FEA评估上述公式。根据公式的性质，将所选的公式分成两组。组1包含公式式 （8），（9）和（10），而组2包括公式 （11） （13），（14），（15）和（16）。

在设计三个板厚度（即板厚分别为12、30和60mm）并假设恒定焊趾半径rho;= r_ref = 1mm情况下，比较所述公式。选定翼板角度在5度到45度之间。本课题所用到FE模型的相关参数参考第三节。然而，由于有限元模型还包括可变的焊缝加强高delta;（见图4），它相应地随b变化，如表1所示。坡口角度alpha;设定为60°。选择相同的焊缝加强高来比较Eq ^【15】，alpha;（参见图4）。

图2

图3：静态模型

将利用所提出的FE模型（参见第3节）执行的FEA与通过图1中的组1的等式获得的估计进行比较。1、相同的FE结果，由组2等式提供的估计结果进行绘图。2、根据所选择的公式，可以在估计中观察到很大的分散。考虑到本文对接焊接结构几何形状的建议假设，第1组的方程式似乎更适合于估计具有较大的角度的焊接接头应力集中因子，即SCF大于25-30°。相反，当估计具有较低角度的焊接接头应力集中因子SCF时，组2的方程式表现出良好的一致性。 此外，与提出的有限元分析相比，所有报告的公式通常高估了SCF。 随着厚度ts的增加，这种趋势变得更加显着。

可以注意到FE结果呈现在图1和2中。图1和图2的线图变化取决于每个给焊趾倾角beta;的焊缝加强高delta;的变化。 然而，1和2的结果表明，公布的公式是不精确的，因为d的影响没有明确考虑，除了等式 （15）。 焊接长度的影响在标准对接焊缝的大多数缺口焊接接头应力集中因子SCF公式中也没有考虑。 该参数的影响将在第4节中进行研究。可以注意到，在标准中，当使用标称或结构热点应力接近时，lw的影响与板厚减小因子[26]有关。

表1

1. 有限元分析

本研究选择商业有限元法（F

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