(重慶交通大學研究生部土木工程學院 重慶 400074）

淺析基于損傷力學的焊接結構性能分析

姚 茜

(重慶交通大學研究生部土木工程學院 重慶 400074）

由于焊接是一個局部快速加熱到高溫,并隨后快速冷卻的過程。焊接過程中產(chǎn)生的焊接應力和變形會影響焊接結構的剛度和穩(wěn)定性，焊接過程中的局部高溫會改變母材的材料組織，影響其疲勞強度、抗脆斷和耐腐蝕能力。從損傷力學理論出發(fā)，在考慮焊接損傷的作用下，總結分析焊接殘余應力對焊接結構性能的影響。

焊接；損傷，焊接殘余應力；結構性能

1 引言

焊接作為鋼結構中的主要連接形式。它造型美觀，施工方便，且具有不削弱構件截面,節(jié)省鋼材,連接的密封性好,剛度大,便于采用自動化生產(chǎn)等優(yōu)點。近年來,隨著焊接材料的發(fā)展,焊接技術和焊接工藝的日趨成熟,焊接結構的大型化發(fā)展，焊接結構己日益廣泛地應用于工業(yè),船舶,建筑,橋梁等各重大建設中。但是焊接是一個局部快速加熱到高溫,并隨后快速冷卻的過程。隨著熱源的移動,整個焊件的溫度隨時間和空間急劇變化,材料的物理性能參數(shù)也隨溫度劇烈變化,同時還存在熔化和相變時的潛熱現(xiàn)象。

既有研究表明，焊接過程中產(chǎn)生的焊接應力和變形會影響焊接結構的剛度和穩(wěn)定性，焊接過程中的局部高溫會改變母材的材料組織，影響其疲勞強度、抗脆斷和耐腐蝕能力。所以，焊接結構焊接損傷有時即成為結構坍塌的誘因。如牛萌在介紹國外統(tǒng)計的鋼結構工程坍塌事故時發(fā)現(xiàn)，19%~27%的事故是由于節(jié)點處連接破壞造成的（圖1-1）【1】。國內某焊接空心球網(wǎng)架塌落事故分析時也發(fā)現(xiàn)，結構破壞主要是因為桿件與焊接球連接焊縫處嚴重腐蝕(圖1-2)，導致節(jié)點失效而引起了結構整體坍塌【2】。所以焊接結構焊接時產(chǎn)生的損傷節(jié)結構性能的影響不容忽視。

圖1 -1

圖1 -2

2 損傷力學理論

損傷是指冶煉、冷熱工藝過程或荷載、溫度、環(huán)境等的作用下,使材料的微結構發(fā)生變化,引起微缺陷成胚、孕育、擴展和匯合,導致材料宏觀力學性能的劣化,最終形成宏觀開裂或材料破壞。對于焊接球結構,可能存在微宏觀的諸如微裂紋、咬邊、殘余應力等多種損傷。

為描述受損材料的力學效應,可根據(jù)材料內部存在的微細觀缺陷特征引入損傷變量，。但損傷變量的定義需要一定的尺度,在宏觀上,基于連續(xù)力學方法,研究固體材料中的一微小代表體元,該體元在宏觀上是物質點比工程構件尺寸小很多,但又不是微結構,同時構件的質量、應變、應力、溫度、損傷等參量實際上是非連續(xù)的,所取的代表體元需要足夠多的微結構以考察體元內各物理平均行為與響應Kachanov【3】和Rabotnov【4】最初提出了損傷變量的概念,并定義了損傷參數(shù)w表示為：

其中，y為連續(xù)因子，A為受損后的表觀面積；Aeff為有效面積。Aw為橫截面出現(xiàn)空隙的總面積。

Lemaitre提出了“損傷僅通過有效應力影響（改變）材料的變形”的應變等效原理，則損傷變量可以通過材料彈性模量的變化來測定，

對于彈塑性損傷，Chaboche【5】建議用單向拉伸的卸載彈性模量來定義有效彈性模量。則上式（1-2）可以表示為

對于焊接殘余應力損傷,雖然應力在焊件中分布的受許多的因素影響,但其損傷變量同樣可表述為只通過有效應力來影響材料的變形,其損傷變量可用（1-3）來表示。

3 焊接殘余應力對焊接結構的影響

焊接殘余應力及其對連接的影響一直是國內外學者的研究熱點。Osgood最早于上世紀二三十年代開始了對焊接殘余應力和殘余變形的研究【6】，我國也于上世紀六十年代開始參與焊接方面的研究。隨后，研究者致力于焊接殘余應力和殘余變形產(chǎn)生機理的研究，積極探索調整和控制焊接殘余應力與變形的有效措施。葛明蘭總結分析了殘余應力對焊接結構的剛度、受壓桿件穩(wěn)定性、靜載強度、疲勞強度、構件脆性、焊件加工精度和尺寸穩(wěn)定性等方面產(chǎn)生的影響，并總結和展望了國內外關于焊接殘余應力的研究【7】。林燕系統(tǒng)總結了在焊接過程中產(chǎn)生的動態(tài)應力應變及隨后形成的殘余應力,是影響致焊接裂紋和接頭性能重要因素。在焊接殘余應力的研究方法方面，由于分析時未能考慮節(jié)點內的焊接殘余應力以及由于焊接對節(jié)點產(chǎn)生的材料損傷，所以出現(xiàn)不同程度的分析結果與試驗結果不相符。所以討論焊接不均勻溫度場引起的損傷對節(jié)點各項性能的影響十分必要。

4 基于損傷力學的力學分析

袁志軍在考慮焊接損傷的作用下，分析了焊接殘余應力對焊接結構性能的影響。即將焊接模擬所產(chǎn)生的殘余應力作為初始應力加入到模型中,考察有無初始應力條件下的焊接件的靜力受力性能和節(jié)點位移變形。得到有無焊接殘余應力對焊接球節(jié)點的承載能力沒有影響，而有焊縫殘余應力的球節(jié)點最大位移以及相同部分球相應位移均比無殘余應力情況大,即說明焊接殘余應力使試件剛度減小。白凡借助有限元軟件ABAQUS的UMAT二次開發(fā)平臺,研究了厚鋼板的殘余應力與累積損傷對構件及結構的靜力性能和動力學性能的影響。結果表明,焊接殘余應力雖然可使得構件提前進入塑性,但由于塑性重分布的作用,焊接殘余應力對結構的承載能力的影響很小。而材料累積損傷會嚴重影響構件及結構的剛度，一定程度上引起剛度的退化。在殘余應力與損傷的共同作用下會對結構的動力性能產(chǎn)生影響。揭志羽基于損傷力學研究了焊接損傷對焊接結構疲勞壽命的影響，引入了損傷變量—裂紋尺寸，從初始損傷的角度提出了疲勞壽命折減系數(shù)的概念。

綜上，從損傷力學的角度出發(fā)，焊接損傷對焊接結構的性能影響是不容忽視的，特別是焊接殘余應力對焊接結構剛度的影響很大。損傷也會嚴重影響焊接結構的疲勞壽命。

[1]牛萌. 大跨度網(wǎng)架工程坍塌分析及處理研究[D]. 南京: 東南大學,2009.

[2] 葛孌. 某焊接空心球網(wǎng)架車間坍塌事故分析[D]. 太原: 太原理工大學, 2014.

[3]Kachanov L M. Rupture Time Under Creep Conditions[J]. International Journal of Fracture, 1999, 97(1):11-18.

[4] Rabotnov Y N. Creep rupture[J]. 1969:342-349.

[5] Chaboche J L. Continuum Damage Mechanics: Part I—General Concepts[J]. Journal of Applied Mechanics, 1988, 55(1):59-64.

[6] OSGOOD W F. Mechanics[M]. Crawford: Crawford Press, 2007.

[7]葛明蘭,魯家晟. 焊接殘余應力對焊接結構的影響[J]. 福建建筑,2010(7): 50-52.

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