接焊缝接触面的疲劳分析研究

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1、有限元分析班级材控B111班姓名侯晨彤学号201102034108基于ANSYS对接焊缝接触面的疲劳分析研究（华北科技学院机电工程学院材料成型及控制工程专业河北省三河市燕郊镇邮编：065201）摘要：EH36钢的疲劳性能对接焊缝接触面冲刷过程的超长寿命的校核，实验结果表明，108—010年期间仍然可能发生疲劳断裂，与常规方法使用不兼容的疲劳强度对应于1107年周期设计中，需要焊接结构能在超长寿命服役制度。扫描电子显微镜分析表明,疲劳裂纹主要发起于接焊缝的坡口接触面的内部缺陷。一种新的“鱼眼”缺陷在焊接接头中被发现。对接

2、焊缝接触面中的区域缺陷与其疲劳寿命的关系已经被证实。当缺陷尺寸足够大且数量较多时，将严重降低焊接接头的疲劳性能。夹杂对合金焊接接头疲劳性能也有严重的影响。关键词：焊接；缺陷；疲劳；裂纹。1.介绍近年来越来越多的的构件采用焊接而成，实际应用中发现此焊接结构的破坏多是从焊接接头处开始的，这主要是由于在焊接接头处存在气孔、未焊透以及裂纹等集合缺陷，导致局部区域应力集中，从而降低了整个结构的强度和使用寿命。因此研究焊接接头处的疲劳表现以及分析影响焊接接头性能的因素具有重要意义。如果完全采用工艺试验的方法进行这方面的研究，研究成

3、本会很高而且周期也长，不利于新产品的开发。随着计算机技术的发展，有限元分析软件在工程中得到了广泛地应用。本题采用ANSYS软件来模拟焊接缺陷，进行平疲劳方面的分析。将有限元计算结果和实验数据进行对比，表明有限元计算结果是合理的，因此可以采用ANSYS对焊接结构进行疲劳分析。2.1焊缝接触面夹杂缺陷有限元分析基本理论焊接热作用贯穿整个焊接结构的制造过程中，焊接热过程直接决定了接头的显微组织焊接应力与变形，而焊接接头的显微组织却影响着接头的疲劳强度寿命。随着计算机技术和有限元方法的快速发展，采用有限元法通过计算机对焊接区拘

4、束应力的瞬时分布进行了研究，同时结合裂纹和组织观察来进行全面分析，可以深入研究各种因素对焊接裂纹起裂和扩展的影响。本研究通过ＡＮＳＹＳ有限元分析软件，利用其热耦合、结构耦合及瞬态非线性分析功能，采用高斯热源模型，对高强钢ＣＯ：气体保护焊的三维焊接温度场和应力场进行了数值模拟。模型实现了对流、热源载荷的影响，应用单元划分，真实模拟了３６ｍｍ厚板１３层、２９道焊的工艺过程，在理论和仿真基础上对焊接热裂纹进行了分析。并对焊接热裂纹的消除和防止进行了仿真分析。接接头上截取的，焊缝位于试样中心．其中，焊接方法采用二氧化碳气体保护

5、焊，焊丝采用SQJ501．无余高焊接接头试样是从EH36钢平板对接焊，EH36钢的化学成分及力学性能见表1[7]和表2[7]．根据超声变幅杆原理[8]设计试件，试件的取样及尺寸如表1EH36钢的化学组成(质量分数)w(C)w(Si)w(Mn)w(P)w(S)w(Cr)w(Nb)w(Ti)w(Ni)0.180.10～0.500.90～1.600.040.040.020.015～0.0500.020.40表2EH36钢的力学性能抗拉强度Rm/MPa屈服强度Re/MPa冲击吸收功Ak/J(－40,℃)伸长率A/%490～62

6、035534212.2断裂位置及断口形貌在扫描电子显微镜下分析试样断口可以观察到断裂在接头处的断口凹凸不平，而断裂在母材的断口比较平整，如图所示．这是由于接头处的缺陷较多，含氢量较母材高(见图)，组织不均匀，而母材的组织比较均匀，断面比较齐平在高应力作用下的疲劳断裂纹3.1疲劳试验方法试验前将试样打磨光滑，试验在自制的TJU-HJ-I型超声疲劳试验装置上进行．施加载荷为轴向拉-压对称循环载荷，应力比R＝-1，频率约为20,kHz，在室温下进行，用循环水冷却的方式控制时间升温。3.2从编写了标本的对接焊缝地面flush与E

7、H36钢和焊接的伴侣-基本材料板对接接头rialSQJ501。EH36钢是含碳量低产量钢，它约400MPa的强度。为了避免应力集中造成的焊缝断裂，以确保不同位置的焊接接头是在相同的应激水平在疲劳测试时，疲劳指标-imens在设计一个长的常数部分和焊缝是位于中部的标本。保本已经被精细加工，所有的疲劳试验都是在恒幅载荷下进行的，疲劳试验采用了超生疲劳实验设备TJU-HJ-III风格，该标本是水冷处理。3.3实验结果这两个S-N曲线不断下降的疲劳寿命对接焊缝磨平短于材。真正的压裂纹仍然可以发生在基础材料和焊在1107运——疲

8、劳极限不存在概念描述。这是疲劳断裂仍可能发生在低应力水平只要周期长足够了。显然,这是危险的应用下的疲劳极限1107年周期的条件设计焊接结构超长寿命。,如表1所示。基材之后急剧下降的疲劳强度，疲劳裂纹源骨折标本的时间间隔图3所示。所有的来自微小的裂纹来源划痕在试样表面是否基材或焊接关节。虽然焊接接头更大的内部缺陷,他们仍然不能成为裂