国产日韩欧美一区二区三区三州_亚洲少妇熟女av_久久久久亚洲av国产精品_波多野结衣网站一区二区_亚洲欧美色片在线91_国产亚洲精品精品国产优播av_日本一区二区三区波多野结衣 _久久国产av不卡

?

基于盲孔法的水下承壓結(jié)構(gòu)殘余應(yīng)力測試研究

2021-05-17 07:18黃如旭謝曉忠張平平祁江濤李艷青黃進(jìn)浩
艦船科學(xué)技術(shù) 2021年4期
關(guān)鍵詞:塑性測點(diǎn)標(biāo)定

黃如旭,謝曉忠,張平平,祁江濤,李艷青,黃進(jìn)浩

(中國船舶科學(xué)研究中心 深海載人裝備國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 無錫 214082)

0 引 言

水下承壓結(jié)構(gòu)作為大型焊接結(jié)構(gòu),殘余應(yīng)力不可忽略[1]。研究表明,殘余應(yīng)力對水下承壓結(jié)構(gòu)的承載性能及疲勞性能均會產(chǎn)生不利影響[2-3]。因此,準(zhǔn)確掌握水下承壓結(jié)構(gòu)殘余應(yīng)力規(guī)律可為結(jié)構(gòu)服役安全性評估及結(jié)構(gòu)殘余應(yīng)力消除提供支撐和依據(jù)[4]。

在眾多殘余應(yīng)力測試方法中,盲孔法因其適用性強(qiáng)、操作簡便、檢測精度高等優(yōu)點(diǎn)而得到了廣泛應(yīng)用[5]。一般采用三軸直角應(yīng)變花進(jìn)行殘余應(yīng)力測試[5-9],基于三軸等角應(yīng)變花的殘余應(yīng)力測試鮮有報(bào)道。文中采用等軸三角應(yīng)變花針對高強(qiáng)度鋼錐柱結(jié)合結(jié)構(gòu)試驗(yàn)?zāi)P瓦M(jìn)行殘余應(yīng)力測試。首先,對等軸三角應(yīng)變花的應(yīng)變釋放系數(shù)完成了有限元標(biāo)定和塑性修正,得到了塑性修正后的應(yīng)變釋放系數(shù);然后,根據(jù)測試得到的各殘余應(yīng)力測點(diǎn)的釋放應(yīng)變值,結(jié)合塑性修正后的應(yīng)變釋放系數(shù)計(jì)算得到了錐柱結(jié)合結(jié)構(gòu)典型測點(diǎn)的殘余應(yīng)力值。

文中的研究工作可為基于三軸等角應(yīng)變花的殘余應(yīng)力測試提供參考;同時(shí),測試得到的錐柱結(jié)合結(jié)構(gòu)典型測點(diǎn)的殘余應(yīng)力分布規(guī)律可為水下承壓結(jié)構(gòu)安全性評估和殘余應(yīng)力消除提供支撐,具有一定工程意義。

1 盲孔法測量殘余應(yīng)力基本原理

文獻(xiàn)[5-9]描述了盲孔法測量殘余應(yīng)力的基本原理:在結(jié)構(gòu)或構(gòu)件殘余應(yīng)力場內(nèi)任意一點(diǎn)處鉆一盲孔,此時(shí)盲孔附近將產(chǎn)生微弱釋放應(yīng)變,其數(shù)值大小與被釋放處的殘余應(yīng)力相對應(yīng),采用應(yīng)變花測出這種釋放應(yīng)變后,即可利用相應(yīng)殘余應(yīng)力計(jì)算式確定測點(diǎn)處的殘余應(yīng)力情況。

本次試驗(yàn)用三軸等角應(yīng)變花示意如圖1所示。應(yīng)變花中3個(gè)應(yīng)變計(jì)夾角均成120°,分別記為0°,120°,240°應(yīng)變計(jì)(逆時(shí)針)。

圖1 三軸等角應(yīng)變花Fig.1 Triaxial equiangular strain gauge

文獻(xiàn)[10]中給出的三軸等角應(yīng)變花主應(yīng)力、主應(yīng)變和夾角計(jì)算式,給出基于三軸等角應(yīng)變花的殘余應(yīng)力計(jì)算相關(guān)式如下:

式 中 : ε0, ε120, ε240為3個(gè) 方 向 的 釋 放 應(yīng) 變 ; σ1,σ2為最大,最小主應(yīng)力,MPa; ε1, ε2為最大,最小主應(yīng)變; θ為 σ1與0°應(yīng)變計(jì)參考軸的夾角,(°);A,B為應(yīng)變釋放系數(shù),與鉆孔的孔徑、應(yīng)變花尺寸及被測材料的彈性模量E有關(guān),通過拉伸試驗(yàn)或有限元標(biāo)定得出。

2 三軸等角應(yīng)變花應(yīng)變釋放系數(shù)標(biāo)定與塑性修正

2.1 標(biāo)定原理

盲孔法測量結(jié)構(gòu)殘余應(yīng)力的關(guān)鍵點(diǎn)在于準(zhǔn)確獲取應(yīng)變釋放系數(shù),而應(yīng)變釋放系數(shù)與鉆孔孔徑、應(yīng)變花尺寸及被測材料的彈性模量有關(guān),一般可通過理論計(jì)算、拉伸試驗(yàn)標(biāo)定或拉伸試驗(yàn)數(shù)值仿真標(biāo)定得到[5-6]。標(biāo)定原理如下:

對拉伸試樣施加單向應(yīng)力場( σ1=σ, σ2=0),使0°應(yīng)變計(jì)平行于 σ1方向,120°應(yīng)變計(jì)和240°應(yīng)變計(jì)分別對稱于 σ1方向兩側(cè),此時(shí)120°應(yīng)變計(jì)和240°應(yīng)變計(jì)的應(yīng)變數(shù)值相等,根據(jù)式(3)可知 θ =0°。根據(jù)式(1)有:

由式(4)可得:

將0°和240°方向應(yīng)變計(jì)測得的釋放應(yīng)變 ε0和 ε240代入式(5)即可求出應(yīng)變釋放系數(shù)A和B。

2.2 有限元模型

采用有限元法標(biāo)定殘余應(yīng)力應(yīng)變釋放系數(shù)。拉伸試樣尺寸為120 mm×60 mm×12 mm,盲孔及應(yīng)變花尺寸取為實(shí)際尺寸,如表1所示。表中參數(shù)r1和r2示意如圖1所示。

表1 有限元模型尺寸Tab.1 Finite element mode dimension

采用Ansys中的SOLID45體單元建立拉伸試樣有限元模型??紤]對稱性,建立1/2模型進(jìn)行計(jì)算,對稱面施加對稱約束,模型長度方向一端剛性固定,另一端施加均布拉伸載荷。鉆孔前、后盲孔附近有限元模型如圖2所示。

圖2 有限元模型Fig.2 Finite element model

2.3 計(jì)算結(jié)果

對鉆孔前、后有限元模型分別施加1 MPa,10 MPa,100 MPa,200 MPa,300 MPa,400 MPa,500 MPa 和600 MPa單軸拉伸載荷P進(jìn)行有限元計(jì)算分析。提取鉆孔前、后各級載荷0°方向、90°方向、120°方向應(yīng)變計(jì)絲柵長度內(nèi)節(jié)點(diǎn)相應(yīng)徑向應(yīng)變并取均值,以此獲得鉆孔前、后各方向應(yīng)變平均值,相減后可得各方向釋放應(yīng)變值 ε0, ε90, ε120,表達(dá)式如下:

結(jié)合式(5)、式(6)、式(8)可求得不同拉伸載荷P下應(yīng)變釋放系數(shù)A,B,如表2所示。

應(yīng)變釋放系數(shù)隨應(yīng)力變化曲線如圖3所示。

由圖3可知,均布拉伸載荷P<400 MPa時(shí),應(yīng)變釋放系數(shù)為定值;隨均勻拉伸載荷P值增大,應(yīng)變釋放系數(shù)A,B發(fā)生變化。

2.4 塑性修正

研究表明,盲孔法測量時(shí)不能忽略孔邊塑性應(yīng)變引起的附加應(yīng)變影響[5]。本文同樣采用基于形狀改變能參量S的塑性修正方法對應(yīng)變釋放系數(shù)進(jìn)行修正。

平面應(yīng)力條件下S的表達(dá)式為[5-7]:

式中: υ 為材料泊松比; ε1,ε2為主應(yīng)變,對應(yīng)2.2節(jié)中 的 ε0, ε90。 將 表2中 的 ε0和 ε90代 入 式 (9),可求得S值(列于表2中),其與標(biāo)定應(yīng)力的關(guān)系如圖5所示。

由圖5可知,S隨標(biāo)定拉伸載荷的增大而增大,二者近似成指數(shù)關(guān)系。

建立S與A,B間的關(guān)系曲線,如圖6所示??梢钥闯?,當(dāng)S較小時(shí),A,B隨參量 S變化不明顯,說明此時(shí)應(yīng)力水平未達(dá)到屈服極限,不足以引起孔邊屈服;當(dāng)S大于一定值時(shí),A,B開始變化明顯,即孔邊發(fā)生塑性變形。

對圖6中關(guān)系曲線進(jìn)行線性擬合,可得修正后的應(yīng)變釋放系數(shù)A,B與S間的函數(shù)關(guān)系如下式:

表2 釋放應(yīng)變及應(yīng)變釋放系數(shù)計(jì)算結(jié)果Tab.2 Release strain and strain release coefficients calculation results

圖3 應(yīng)變釋放系數(shù)-應(yīng)力曲線Fig.3 Curves of strain release coefficients varying with calibration stress

圖4 孔邊出現(xiàn)應(yīng)力集中Fig.4 Hole-edge stress concentration

圖5 孔邊形狀改變能參量與標(biāo)定應(yīng)力關(guān)系曲線Fig.5 Curve of shape deformation energy parameter varying with calibration stress

圖6 形狀改變能參量與應(yīng)變釋放系數(shù)關(guān)系曲線Fig.6 Curves of strain release coefficients varying with shape deformation energy parameter

3 水下承壓結(jié)構(gòu)殘余應(yīng)力測試

完成應(yīng)變釋放系數(shù)的有限元標(biāo)定工作后進(jìn)行水下承壓結(jié)構(gòu)殘余應(yīng)力測試。

3.1 測試設(shè)備

殘余應(yīng)力測試儀器包括UCAM-60B數(shù)字測量系統(tǒng)、RS200高速透平銑孔裝置、H2.31.016 #38高速銑孔鉆頭以及三軸等角應(yīng)變花(型號LC-BE350-3CD-K,電阻值 350.3±0.3 Ω,靈敏系數(shù) 2.07±1%)。

殘余應(yīng)力測試系統(tǒng)示意如圖7所示。

圖7 殘余應(yīng)力測量系統(tǒng)示意圖Fig.7 Schematic of residual stress measurement system

錐柱結(jié)合結(jié)構(gòu)試驗(yàn)?zāi)P筒牧蠟?00 MPa級高強(qiáng)度鋼。在模型內(nèi)表面凸錐-大圓柱殼環(huán)焊縫附近布置3處殘余應(yīng)力測點(diǎn),受測試設(shè)備及結(jié)構(gòu)形式限制,第1個(gè)測點(diǎn)距離焊縫根部20 mm,其余各測點(diǎn)相隔20 mm。

3.2 測試結(jié)果

以0.2 mm為步長,采集0~2.0 mm鉆孔深度下的釋放應(yīng)變值。圖8給出了最靠近焊縫的殘余應(yīng)力測點(diǎn)釋放應(yīng)變與鉆孔深度曲線。

測試測得釋放應(yīng)變值后,便可計(jì)算得到各測點(diǎn)殘余應(yīng)力情況。

1)將2.0 mm鉆孔深度處的3個(gè)方向釋放應(yīng)變值代入式(2)中計(jì)算各測點(diǎn)釋放主應(yīng)變值;2)將各測點(diǎn)釋放主應(yīng)變值代入式(9)中計(jì)算形狀改變能參量S;3)根據(jù)式(10)和式(11)計(jì)算應(yīng)變釋放系數(shù);4)代入式(1)和式(3)中計(jì)算殘余主應(yīng)力及其方向,根據(jù)莫爾圓理論將其轉(zhuǎn)換得到垂直焊縫和沿焊縫方向的殘余應(yīng)力。錐柱結(jié)合結(jié)構(gòu)內(nèi)表面凸錐環(huán)縫3個(gè)測點(diǎn)殘余應(yīng)力結(jié)果如圖9所示。

圖9 水下承壓結(jié)構(gòu)殘余應(yīng)力實(shí)測值Fig.9 Residual stress test results

由圖9可知:測點(diǎn)距離焊趾越遠(yuǎn),垂直焊縫方向和沿焊縫方向殘余應(yīng)力值越低,符合預(yù)期;環(huán)焊縫內(nèi)表面測點(diǎn)縱向殘余應(yīng)力極值為425 MPa(距離焊縫20 mm處,約0.5 σs),周向殘余應(yīng)力極值為351 MPa(距離焊縫20 mm處,約0.4σs)。

4 結(jié) 語

本文對等軸三角應(yīng)變花的應(yīng)變釋放系數(shù)完成有限元標(biāo)定和塑性修正并得到塑性修正后的應(yīng)變釋放系數(shù),為基于三軸等角應(yīng)變花的殘余應(yīng)力測試提供了參考;采用塑性修正后的應(yīng)變釋放系數(shù)計(jì)算得到了水下承壓結(jié)構(gòu)環(huán)焊縫內(nèi)表面測點(diǎn)殘余應(yīng)力情況,測試結(jié)果表明,距離焊縫20 mm處縱向殘余應(yīng)力約0.5σs,周向殘余應(yīng)力約為0.4σs。

猜你喜歡
塑性測點(diǎn)標(biāo)定
徐州市云龍公園小氣候?qū)崪y與分析
雙軸非比例低周疲勞載荷下船體裂紋板累積塑性數(shù)值分析
淺談“塑性力學(xué)”教學(xué)中的Lode應(yīng)力參數(shù)拓展
輕卡前視攝像頭的售后標(biāo)定
一種輕卡前視單目攝像頭下線標(biāo)定方法
基于CATIA的汽車測點(diǎn)批量開發(fā)的研究與應(yīng)用
一種全景泊車控制器標(biāo)定系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究
天然橡膠塑性初值測量及不確定度的評定
CT系統(tǒng)參數(shù)標(biāo)定及成像—2
CT系統(tǒng)參數(shù)標(biāo)定及成像—2