中国船舶科学研究中心---典型结构焊接接头疲劳性能研究

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1、2003年MSC.Software中国用户论文集典型结构焊接接头疲劳性能研究112张健吴剑国冷建兴船舶工业学院船舶与海洋工程学院中国船舶科学研究中心-1-2003年MSC.Software中国用户论文集典型结构焊接接头疲劳性能研究112张健吴剑国冷建兴1．船舶工业学院船舶与海洋工程学院2．中国船舶科学研究中心摘要：本文利用大型有限元分析软件MSC.Patran、MSC.Nastran建立四种焊接接头型式的几何模型，模拟试验环境，确立有限元力学模型，分别计算结构应力，找出热点并比较各型式的应力，确定应力集中系数，继而用名义应力有限寿命方法进行疲劳寿命估算；再用有限元分析软件疲劳模块MSC.

2、Fatigue对以上结构施加循环载荷，计算疲劳寿命，加以验证。通过比较，可以了解不同焊接接头型式对疲劳寿命的影响。关键词:疲劳寿命焊接接头名义应力有限元0.引言在海洋中，波浪翻腾起伏，船舶在海上航行，各种类型的海洋工程结构在海上作业，都不同程度的受到风浪的作用，不断变化的波浪载荷使结构内部产生了不断变化的应力。若一艘船舶或一座海洋平台的服务期是20年到25年，那么，结构内因波浪作用引起的交变应力的循环次数可达107次之多，这将造成结构的疲劳损伤。自钢制海船诞生至今，因结构中疲劳裂纹的生成、扩展，最后导致破坏的事例屡有报道。美国海岸警卫队船舶结构委员会（ShipStructurecommi

3、ttee,U.S.CoastGuard）曾组织力量对六种不同类型的77艘民用船舶及9艘军舰中六十多万个结构细部进行了调查研究和统计分析，结果表明.有约九分之一的破坏与疲劳有关，而其中绝大部分又发生在焊接接头处。统计资料表明，疲劳破坏是焊接结构破坏的重要形式，约有80%的破坏是由疲劳引起的，由于在焊接接头处具有应力集中，焊接缺陷和焊接残余应力，使其疲劳强度比母体金属降低，因此焊接结构的疲劳失效多在焊接接头处产生，所以开展焊接接头的疲劳性能研究具有重要意义。1．典型焊接节点系列模型的有限元应力计算在船舶与海洋工程中，存在大量T型或近似T型的焊接节点，因此选用T型节点作为研究对象具有较强的代表

4、性。利用MSC.Patran软件建立四种不同焊缝形式的T型焊接接头模型，对其进行应力计算。材料参数（材料选用潜艇用980钢）如下：11弹性模量E=2.0×10pa泊松比µ=0.38材料的屈服极限σs=9.60×10pa7计算载荷P=1.38889×10Pa-2-2003年MSC.Software中国用户论文集1.1焊接接头型式一：该型式为深度剖口焊，节点处焊角被打磨去除（如放大图所示）。网格划分情况:边界处划分了11等份，由于焊缝连接处可能会有应力集中，所以也划分了11等份，并在其厚度方向上分了2等份。共划分了1408个单元，有限元网格如图1所示。1．约束方式（1）左右对称，约束在上图中

5、黑线所示节点处。（2）θ=θ=0,µ=µ=µ=0xzxyz2．加载情况及计算结果7（1）加压应力情况:加在z方向的面单元上（既最外面的面上）的正压均布载荷为：P=1.388×10pa，由Nastran计算可得其应力云图如图2，从图中可知其最大应力点即危险点1的应力为：σ1压=-44.5Mpa（压）。7（2）对同一结构加拉应力，z方向面单元上（如图3所示）的正拉载荷为：P=1.388×10Pa，由Nastran计算可得其应力云图如图3，从图中可知其最大应力点即危险点1的应力为：σ1拉=240.1mpa（拉）。图1图2图3图4图5图61.2焊接接头型式二：该接头焊脚为焊接后未加处理的凸圆弧，

6、圆弧过度处共撒了5个种子，使其有限元划分更加细化，共划分了11484个单元，约束方式及加载情况同型式一，其有限元划分如图4。（1）压载下的MSC.Nastran计算应力云图如图5所示，从图中可知，其最大拉应力σ=-35.9MPa发生在焊缝边缘处的母材上而非焊缝上。max-3-2003年MSC.Software中国用户论文集（2）拉载下的MSC.Nastran计算应力云图如图6所示，从图中可知，其最大拉应力σ=243.0MPa，亦发生在焊缝边缘处的母材而非焊缝上。max1.3焊接接头型式三：该接头焊脚为焊接后施加处理的凹圆弧焊缝，在其焊缝处也用了密集的有限元单元划分，共划分了11483个单

7、元。其有限元划分如图7所示，该接头约束及加载方式同型式一。（1）压载下的MSC.Nastran计算应力云图如图8所示，从图中可知其最大压应力7σ=−3.0×10Pa发生在焊脚处。min（2）拉载下的MSC.Nastran计算应力云图如图9所示，从图中可知其最大拉应力8σ=3.5×10Pa亦发生在焊脚处。max图7图8图9图10图11图121.4焊接接头型式四型式四为直线焊缝的T型焊接接头，共划分了11308个单元，在其直角形焊缝处单