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1、450MPa级船体钢焊缝疲劳试验研究宗培讲师海军工程大学船舶与海洋工程系[430033]王志国副教授海军工程大学船舶与海洋工程系[430033]摘要通过对450MPa级船体用钢母材试件、焊缝试件在波浪随机载荷和均方根等效载荷下的疲劳裂纹扩展规律的试验和模拟计算,结果表明用均方根等效载荷替代波浪随机载荷下的疲劳裂纹扩展规律是一种安全有效的方法,并且焊缝金属在抵御疲劳裂纹扩展方面优于母材金属。关键词焊接疲劳疲劳裂纹波浪随机载荷中图分类号TG113.25的尺寸如表1所列。0前言结构的疲劳破坏是一种具有重要实际意义的破[1-8]
2、坏方式,所以历来对它的研究很多。断裂力学的出现使对疲劳问题的研究从S-N曲线以及Miner线性累积损伤理论转向描述疲劳裂纹扩展的da/dN~$K曲线,即Paris-Erdogan公式:dam图1焊缝中心裂纹试件图=C($K)(1)dN表1疲劳裂纹扩展试件尺寸表式中:$K=Kmax-Kmin)为应力场强度因子振幅;长度宽度厚度C,m)材料常数;种类编号Lbt(mm)(mm)(mm)a)裂纹半长;130097.304.30N)交变应力的循环数。230093.833.92母目前,对不同材料式(1)中的常数C,m的研究材3300
3、95.404.10测试已作了大量工作。但是,大多数是研究在均方试430094.883.66件根载荷条件下的疲劳裂纹扩展规律。而船舶结构是530095.704.10在海洋环境下承受波浪随机载荷,为了准确计算船630095.804.201130092.803.80舶结构在波浪随机载荷作用下的疲劳寿命,必须研1230091.963.80究在此条件下船体用钢及焊缝的疲劳裂纹扩展规焊缝1330092.803.64律,即通过实验确定(1)式中的材料常数C,m。笔试1430093.003.94件者就450MPa级船体钢及焊缝在波浪随机
4、载荷作用1530092.103.96下疲劳裂纹扩展规律问题进行了试验研究。通过实1630094.003.60验和模拟计算,比较焊缝和母材在随机载荷和常幅1.2试验条件与方法等效载荷(均方根载荷)作用下的疲劳裂纹扩展规先在试件中央钻一小孔,然后在线切割机上用律,为船舶结构的可靠性计算提供依据。«0.1mm钼丝沿试件中央横向切割一段长度为1疲劳试验20mm的细缝。根据国家标准GB6398-86/金属材料疲劳裂纹扩展速率试验方法0,以较小的疲劳载荷1.1试验模型在线切割细缝两端各预制疲劳裂纹2~3mm。然后试验材料为450MP
5、a级船体钢,Rs=456MPa,在MTS电液伺服材料试验机上进行试验,并记录试件设计尺寸为L@b@t=300@90@4,采用中心裂纹扩展长度和相应的应力循环次数,得出裂纹扩裂纹试验。焊缝的试验模型采用裂纹沿焊缝扩展的展长度随应力循环次数变化的关系曲线即2a~N方式,如图1所示。一共制作12个试件,每个试件曲线。试验载荷分别为波浪随机载荷和均方根载船舶工程2002年第5期#65#荷。6),并将试验所得的母材试件、焊缝试件、疲劳寿命1.3实船试验数据整理列于表2。对于不同的焊接结构(如船舶、桥梁、铁轨等)有从图3~图6的2a
6、-N曲线和表2的试验结果不同特性的疲劳载荷谱,并且不同的载荷谱对疲劳可以看出:裂纹的扩展规律及结构的疲劳寿命有很大的影(1)母材试件,随机载荷加载的疲劳裂纹扩展寿[1,2]响。以往,虽然人们对海洋波浪特性以及船体命和均方根加载的疲劳裂纹扩展寿命几乎相等;而梁在波浪载荷的作用下,其主甲板对波浪随机载荷焊缝试件不论是随机载荷,还是均方根载荷,疲劳裂[9-14]作用的动态应力响应进行了大量的研究,但是纹扩展寿命都比母材的疲劳裂纹扩展寿命长,从表由于影响主甲板对波浪随机载荷作用的动态应力响2不难看出焊缝试件在随机载荷下的疲劳裂纹
7、扩展应因素太复杂,一方面是波浪的随机性和不可再现性,另一方面是船舶航行状态的复杂性,因此,还未见有关船体钢疲劳焊缝实船试验研究资料,所以本研究除进行450MPa级船体钢试件的试验室试验[13]外,还对某船航行试验实测主甲板应力谱记录(见图2),作为随机载荷疲劳试验进行分析研究。因为结构的应力谱与载荷谱存在着线性换算关系。图3母材(1、4、5号试件)、焊缝(14、15、16号试件)在随机载荷下的2a~N曲线图2波浪随机载荷下船主甲板应力谱根据波浪随机载荷谱按下列公式可计算出均方根载荷:n26(Pi峰)i=1Prms峰=(2
8、)nn26(Pi谷)图4母材(2、3号试件)、焊缝(11、12、13i=1Prms谷=n(3)号试件)在均方根载荷下的2a~N曲线式中:Pi峰、Pi谷分别代表波浪随机载荷谱的峰、谷应力值,Prms峰、Prms谷分别为等效均方根载荷的应力的最大值和最小值,n为一个子样中的峰值(或谷值)的个数。在Prms峰、Prms谷的
