第期周艳春等钢对接接头低周疲劳性能试验研究低等优点被广泛应用于高层高耸建筑中但焊缝中存在的裂纹气孔及未焊透等焊接缺陷严重影响结构的安全性容易导致结构危险部位疲劳裂纹萌生及扩展并最终导致疲劳破坏事故发生这类事故并不罕见在年美国加州地震年美国!!$' % 地震及年日本阪神地震

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黍爱步
5 years ago
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1 第卷第期年月东南大学学报自然科学版!"#$%&#% '$$ & " " $(& = (* 钢对接接头低周疲劳性能试验研究周艳春李爱群方钊李万润东南大学土木工程学院南京北京建筑大学北京未来城市设计高精尖创新中心北京兰州理工大学土木工程学院兰州摘要采用等幅轴向低周疲劳试验通过疲劳寿命循环应力应变响应特征及应力应变滞回曲线等指标研究了钢对接接头的疲劳性能观察了疲劳断口宏观特征并在试验研究和有限元分析的基础上建立了该焊缝材料的疲劳寿命预测公式结果表明焊缝材料初始阶段表现为明显循环硬化现象后期为轻微循环软化总体上提高了材料的强度及疲劳性能随着轴向位移的增加应力幅增大循环硬化率线性减小滞回曲线光滑饱满材料耗能能力稳定疲劳断口可明显划分为裂纹源区裂纹扩展区和裂纹瞬断区为典型疲劳破坏断口得到的疲劳寿命预测公式对实际工程中钢结构的疲劳分析和寿命预测具有重要意义关键词对接接头焊缝低周疲劳寿命有限元分析中图分类号文献标志码文章编号 0 0 3!& ' &!"! = (* $>! 1 &# & $$: & & 1 $ &!& # " ),$3$" & $&%%!$& %(&$3%!($ & $&, $& 7%$ $& '3&#%' && 3$ &,%&%!)!!%! & %($ & 7%$ $& &$3%!($ ),$3$" & $&%%!$& &'!# $%#!% 7%$ $&, $& # " ),$3$" & $&%%!$& &6 &$3%!($ ) %# & " &6, $& #$ 7 # &(&*4"$'%+$""# #"%)$ %%(( %)$ %4%!)!*&#% ) %"' $&(*'% ) (('$%' $& %!*( ))$ %"$)% # #"$#(!%(0(!$&!%(4 &(%#!#%!$($#( &' (!%(0(!$& (%!%($("4( &' %*#! 0#!#%!$($#( ) %)!#!%(%#$ & %!%%+*$&%' 7(%' & %)$ %%('&' )$&$%%"%*%&&" ($( %)$ %"$)%4!%'$#$ & %: $ & ) % %"' *%!$" ('%!$3%' %!%("(( %$&$$"( % ) % %"' *%!$"$(#!#%!$6%' 3$ (# #"$#!'%&$& 4 %& *%& & &' %"%!( %$(("$# #"$#( )%&$&( "% %*%!$"(!%& &' )$ %4! 4%!$%(!%$*4! 3%'$ %$&#!%(% ) %+$"'$(4"#%*%& %(!%(*4"$'%$&#!%(%(&' %# #"$#!'%&$&!%"$&%!" '%#!%(%( %(%!%($("4 $( (* &' )" &' %%&%! '$($4$ & #4#$ ) %*%!$"$(( "% %)$ %)!#!%(%#0 $ & $('$3$'%' $& #!#5 (!#%6 &% #!#5 4! 4 $ & 6 &%&' #!#5!&($%&)!#!%6 &% &' ($$( 4$#")$ %)!#!%(%#$ & %$&%' )$ %"$)%4!%'$#$ & %: $ & #& 4! 3$'% $*4!&!%)%!%&#%)! %)$ %&" ($(&' "$)%%3"$ & )(%%"(!#!%(*'% ) %& ' $& %"' (%* "# #"%)$ %"$)% )$&$%%"%*%&&" ($( 地震具有突发性强破坏性大防御难度大等特点对生命财产安全造成极大威胁因此必须尽可能降低地震直接灾害和次生灾害产生的损失焊接钢结构凭借其强度高韧性好易于施工价格收稿日期 00 作者简介周艳春女硕士生李爱群联系人男博士教授博士生导师 $: &"$ (% %' #& 基金项目国家自然科学基金重点资助项目国家自然科学基金资助项目中国博士后科学基金资助项目 2 引用本文周艳春李爱群方钊等钢对接接头低周疲劳性能试验研究东南大学学报自然科学版 $(&

2 第期周艳春等钢对接接头低周疲劳性能试验研究低等优点被广泛应用于高层高耸建筑中但焊缝中存在的裂纹气孔及未焊透等焊接缺陷严重影响结构的安全性容易导致结构危险部位疲劳裂纹萌生及扩展并最终导致疲劳破坏事故发生这类事故并不罕见在年美国加州地震年美国!!$' % 地震及年日本阪神地震等多数地震中都发生了钢结构疲劳破坏的事例疲劳破坏是焊接钢结构的一种主要失效方式多表现为在循环荷载作用下焊缝部位应力集中处萌生疲劳裂纹随着损伤累积和裂纹的不断扩展最终结构瞬间断裂并且没有任何明显征兆钢作为高层高耸钢结构建筑中的常用钢材具有良好的可焊接性低温性可切削性等综合性能但是在实际工程应用中该材料在地震循环作用下容易产生塑性变形发生低周疲劳破坏为更好地保证结构的安全性适用性及耐久性等指标本文对钢进行了低周疲劳性能研究与寿命预测近年来已有较多学者对钢的低周疲劳性能开展了相关研究如 / 等对 7 和 7 钢的综合抗震性能指标进行分析测试并计算了材料循环能量吸收率罗云蓉等通过对和钢的低周疲劳性能试验得到了材料循环硬软化的临界值并结合低周疲劳性能评价发现种材料抗震性能都不够理想崔仕明等对钢的循环硬化软化效应及疲劳寿命进行了分析测试指出疲劳寿命与加载应变幅存在幂函数关系可靠预测结构寿命可极大降低危险概率减少损失关于钢低周疲劳寿命的预测本文在权衡名义应力法局部应力应变法损伤力学法断裂力学法等多种方法的优缺点及适用范围后选择了适用于高应变低周疲劳寿命预测的稳态局部应力应变法进行研究本文针对钢对接接头进行等幅轴向低周疲劳试验研究系统研究了该材料的循环响应特征及滞回曲线等低周疲劳性能根据断口特征对疲劳破坏机理进行了分析研究结合试验研究和 0 有限元分析建立了疲劳寿命预测公式为该材料的疲劳寿命预测提供依据试验方案试件制备为避免材料差异及加工畸变等因素影响保证焊缝初始状态的一致性首先将 ** 厚的热轧钢板对接焊接再将其粗加工切割成条状最后精加工打磨抛光成型焊接采用, 气体保护的 8 坡口对接焊焊缝质量一级未出现裂纹咬边未焊透等缺陷试件尺寸综合参照 $ 金属材料轴向等幅低循环疲劳试验方法 %97 和 $2%"$#*%0!$"()$ %%($& +$"0(!$&0# &! "%' *%'% 选定如图所示加工完成的一组试件照片共组如图所示图低周疲劳试件尺寸示意图单位图低周疲劳试验试件试验设备及加载方法本试验在常温大气环境下进行试验仪器为 2 疲劳试验机和 ** 轴向引伸计施加轴向位移即疲劳试验机作动头相对位移取值为 ** 共组循环波型为三角波应变比 3 保持加载频率为 6 以试件最终断裂次数作为该试件的疲劳寿命且同种试验条件下取根试件进行试验试验结果与分析试验过程中由计算机自动采集试验数据每个循环周期采集组数据包括试件循环圈数疲劳试验机作动力作动头相对位移以及轴向引伸计相对位移等循环应力应变响应特征金属材料在交变荷载作用下会出现循环软化或循环硬化现象在等幅对称循环荷载作用下随着循环圈数的增加应力幅不断增加的现象称为循环硬化反之则为循环软化循环硬化可以提高材料强度和动态承载力防止材料因强度过低而导致

东南大学学报自然科学版第卷过早失效破坏通过分析钢对接接头焊缝的循环软化或硬化现象有助于进一步研究该焊缝材料的疲劳性能结合作动力最大加载载荷下降比例和最终断裂循环次数确定疲劳寿命 ) 结果见表表低周疲劳试验所得各试件疲劳寿命试件编号疲劳寿命各试件在不同轴向加载位移下的循环响应特征曲线如图所示应力幅取拉应力和压应力峰值的平均值各试件应力取值采用名义应力

3 东南大学学报自然科学版第卷过早失效破坏通过分析钢对接接头焊缝的循环软化或硬化现象有助于进一步研究该焊缝材料的疲劳性能结合作动力最大加载载荷下降比例和最终断裂循环次数确定疲劳寿命 ) 结果见表表低周疲劳试验所得各试件疲劳寿命试件编号疲劳寿命各试件在不同轴向加载位移下的循环响应特征曲线如图所示应力幅取拉应力和压应力峰值的平均值各试件应力取值采用名义应力即轴向力与截面面积之比图 ( 各试件循环硬化率及拟合曲线内应力应变关系及其变化过程同时能够体现材料在整个过程中吸收释放能量的过程图给出了轴向加载位移为 ** 时试件的滞回曲线规定试件受拉为正受压为负图应力幅循环响应特征曲线由图可看出钢在初始阶段表现为循环硬化应力幅迅速达到峰值之后随着循环次数的增加表现为轻微的循环软化但循环软化过程相对稳定应力幅值变化幅度较小最后随着试件的断裂应力幅值急剧减小虽然试件在整个疲劳破坏过程中经历了循环软化过程但该软化较轻微截至破坏前试件应力幅均高于初始阶段应力幅总体上提高了材料动态承载能力焊缝材料得到硬化应力幅增加提高了焊缝材料强度使得试件疲劳性能得到强化疲劳寿命增加为比较不同轴向位移加载下各试件的初始循环硬化程度可采用循环硬化率表示 ( 其中 ( 分别为半寿命 ) 和循环第圈时的应力幅值轴向加载位移与循环硬化率之间的关系如图所示结合图和图可看出随着轴向位移的增加应力幅峰值逐渐增大但稳定状态历时逐渐减小疲劳寿命逐渐降低而循环硬化率呈线性减小表明焊缝材料应力幅相对增加幅度逐渐减小应力应变滞回曲线滞回曲线能够反映材料在整个疲劳寿命周期图 * 应力应变滞回曲线由图可看出初始状态下滞回曲线包络面积小耗能能力差随着循环圈数的增加滞回曲线变得连续对称封闭光滑饱满塑性应变在总应变中占比增大材料耗能能力显著增加且很快趋于稳定试件与疲劳试验机夹持端 ** 引伸计夹持端在循环加载过程中产生的相对滑移造成了图中出现的滞回曲线滑移现象该滑移造成作动力降低试件应力应变相应减小断口宏观特征试验所得疲劳断口如图所示该断口可清晰图, 疲劳破坏断口

第期周艳春等钢对接接头低周疲劳性能试验研究地划分为裂纹源区裂纹扩展区和裂纹瞬断区是典型的疲劳破坏断口裂纹源区作为疲劳破坏的初始点断面平整光滑呈扇形疲劳裂纹易于萌生在构件表面应力最高的部位通常不止一个并向四周缓慢辐射扩展裂纹扩展区占据了断口大部分区域断面较为平整光滑呈现外凸波纹线根据波纹线间距

后处理得到模型的应力云图和应变云图如图图所示红色区域为最大值点由红色到蓝色数值逐渐减小有限元模型建立与分析本文选用对标准试件进行建模分析采用八节点单元材料采用双线性等强化模型泊松比为该试件由钢母材和焊缝材料组成种材料的弹性模量和强度均按实测值选取试验试件经 8 射线检测不存在咬边裂纹等质量缺陷

原模型图 + 应力云图图应变云图由图可知应力云图呈对称性焊缝接触面附近应力最大之后向两端逐渐减小试件中间段截面相同此区域内应力应为固定值但因为焊缝区域相对位移较大接触面附近区域为约束焊缝区域变形产生了额外的拉压应力叠加成为应力最大的区域过渡段随着试件截面的增加应力逐渐降低符合实际受力情况试件最大应力为 2/

4 第期周艳春等钢对接接头低周疲劳性能试验研究地划分为裂纹源区裂纹扩展区和裂纹瞬断区是典型的疲劳破坏断口裂纹源区作为疲劳破坏的初始点断面平整光滑呈扇形疲劳裂纹易于萌生在构件表面应力最高的部位通常不止一个并向四周缓慢辐射扩展裂纹扩展区占据了断口大部分区域断面较为平整光滑呈现外凸波纹线根据波纹线间距明显看出靠近裂纹源附近裂纹扩展速度快于远离裂纹源的区域裂纹瞬断区在整个断面中占据面积最小断面粗糙呈现放射状随着裂纹扩展构件有效截面被削弱当某处应力达到极限强度时瞬时断裂为脆性破坏对优化后的试件有限元模型进行分析与低周疲劳试验荷载加载相一致采取一端固定一端施加轴向位移的形式轴向位移取值分别为 ** 对应模型分别为 " 经后处理得到模型的应力云图和应变云图如图图所示红色区域为最大值点由红色到蓝色数值逐渐减小有限元模型建立与分析本文选用对标准试件进行建模分析采用八节点单元材料采用双线性等强化模型泊松比为该试件由钢母材和焊缝材料组成种材料的弹性模量和强度均按实测值选取试验试件经 8 射线检测不存在咬边裂纹等质量缺陷故有限元分析中不考虑该对接接头缺陷因素按照焊缝的形状尺寸精确建模为保证计算精度且减少计算工作量网格划分选择在焊缝区域密集远离焊缝区域稀疏的方式最小单元尺寸为 ** 建立的标准试件有限元分析模型如图所示为与疲劳试验控制条件保持一致对模型进行优化去除标准试件夹持端部分仅考虑疲劳试验机夹持端之间的试件部分优化后模型如图所示原模型图 + 应力云图图应变云图由图可知应力云图呈对称性焊缝接触面附近应力最大之后向两端逐渐减小试件中间段截面相同此区域内应力应为固定值但因为焊缝区域相对位移较大接触面附近区域为约束焊缝区域变形产生了额外的拉压应力叠加成为应力最大的区域过渡段随着试件截面的增加应力逐渐降低符合实际受力情况试件最大应力为 2/ 焊缝处应力为 2/ 超过材料的屈服强度值进入塑性变形阶段由图可知应变最大值出现在焊缝区域远离焊缝区域应变值逐渐降低在荷载循环加载过程中疲劳损伤不断累积裂纹扩展达到临界状态时试件脆性断裂通过有限元分析可得到各试件最大应变结果如表所示表有限元分析得到的各试件最大应变优化后模型图试件有限元模型模型编号最大应变. 模型编号最大应变.

5 东南大学学报自然科学版第卷 ( 疲劳寿命预测利用稳态局部应力应变法进行材料的疲劳寿命预测应变寿命曲线采用 7(: $& 和 2&( &0, )$& 公式表达式如下 % 4 ; ). ) ; ) ) & 式中为总应变幅 % 为弹性应变幅 4 为塑性应变幅 ; ) 为疲劳强度系数. 为材料弹性模量为疲劳强度指数亦称 7(: $& 指数 ; ) 为疲劳塑性系数 & 为疲劳塑性指数该疲劳寿命预测方法通过将测量应变幅代入式即可估算试件疲劳寿命相较于应力方法更易于实现且准确性更高采用低周疲劳试验所得疲劳寿命见表和有限元分析所得最大应变见表拟合得到钢焊缝材料的疲劳寿命预测公式 ) ) 拟合得到的应变寿命曲线如图所示由图可知试验数据点均匀分布在拟合曲线两侧吻合良好表明钢对接接头的低周疲劳寿命可根据式进行预测 * 结论图 - 应变寿命曲线焊缝材料初始阶段呈现出明显循环硬化之后表现为轻微循环软化现象整体上提高了材料动态承载能力和疲劳性能滞回曲线饱满连续耗能能力较好夹持端的相对滑移导致了滞回曲线的相对滑移及试件应力应变值的降低疲劳断口清晰地展现了疲劳断裂的全过程对疲劳破坏机理的深入研究具有重要意义结合有限元分析可知试件应力应变符合实际受力情况应力接近甚至超过材料屈服强度试件发生低周塑性疲劳破坏建立了钢对接接头的低周疲劳寿命预测公式为其疲劳分析和寿命预测提供了理论基础参考文献李杰地震循环载荷下钢结构梁柱焊接节点耗能与损伤行为的研究天津天津大学材料科学与工程学院 / 4 3 / &, & /%($ & )(%%"2 # &&%#$ &( %)!%&' )%!!!$' %%! : 5%. %% ( )&() % - (00 2$"%! - %( &("%!&%' )! * %!!$' %%! 0 : 5%. %% ( )&() % - (00+ 雷宏刚付强刘晓娟中国钢结构疲劳研究领域的年进展建筑结构学报 %$&& $& $ 8$& %(%!# 4! 0!%( )(%%"(!#!%)$ %$& 4( %!($&, $&!$)'$#) ' ( )&() % $&, $&%(% / 2 &, % 3%!"&$0(%$(*$# 4! 4%!$%( )7&' 70 %*( *) %( ') - ( 罗云蓉王清远刘永杰等钢结构材料的低周疲劳性能四川大学学报工程科学版 &! & & $& & $&$% %" # #"%)$ %4! 4%!$%( )(%%"(!#!%*%!$"( &'!$)'$&*) +,%(-. %% & % &% (( $&, $&%(% 崔仕明王睿东游翔等低周疲劳性能与疲劳寿命预测分析实验力学 0 00, $ $*$& & $' & 8$& %" & %"# #"%)$ % % 3$!&' )$ %"$)%4!%'$#$ & ) (%%"!$)'$.%% ('%&*& 0 00 $&, $&%(% 周立威王海光级钢结构的疲劳寿命评价方法研究宽厚板 $(& 0 1 $ %$ & $ &$ %"$)%%3"$ & *%' ) (%%"(!#!% : % %,- '(% $(& $&, $&%(% 姚卫星结构疲劳寿命分析 2 北京国防工业出版社 *$ - 44%! ( & / (!%(0(!$& )&#$ & )! %)$ % )*%"( (!%(0(!$& )&#$ & )!*%")$ %$&#"'$& *%& (!%(%)%#!$)'$(%' *, )$& (' ) %%)%#( )# #"$# %!*" (!%(%( & ' #$"%*%" 3-A&*

中国公路学报年

中国公路学报年第卷第期年月中国公路学报孟瑾朱平胡志刚根据耐久性试验中常用的整车台架试验方法通过多体动力学模型仿真模拟整车在四轮路面激励下的运动状态提取车身与底盘连接位置的载荷历程采用有限元法分析动载荷作用下的车身结构响应基于传统的应力寿命方法方法寻找车身薄弱环节辨识危险零件应力双轴性并选择多轴疲劳损伤参量预测车身疲劳寿命分析结果表明结合多体动力学与多轴疲劳的寿命