1、含缺陷焊接接頭完整性評定工程方法為了研究焊接力學不均勻性對焊接結(jié)構完整性評定工程方法的影響規(guī)律,本文從有限元數(shù)值解出發(fā),基于焊接接頭應力場數(shù)值解的結(jié)果,在詳細地研究了焊接接頭力學性能不均勻性對其應力場影響規(guī)律的基礎上,分析了不同應力狀態(tài)情況下,HRR場以及單參數(shù)J積分參量在表征焊接接頭應力場過程中的不完全性,指出了目前斷裂力學的基本理論在分析焊接接頭力學性能不均勻體時所存在的問題。對單參數(shù)J積分參量在平面應變狀態(tài)下,不能完全反映焊接接頭裂端場實質(zhì)的情況,考慮到應力三軸性對焊接接頭裂端應力應變場的影響,結(jié)合以往建立的焊接接頭弄Q雙參數(shù)準則,首次提出了弄Q雙參數(shù)焊接接頭失效評定曲線的方法,并利用有

2、限元計算分析了焊接接頭材料組配以及裂紋兒何發(fā)生變化時,介Q雙參數(shù)焊接接頭失效評定曲線的變化規(guī)律。進一步結(jié)合工程實際,對雙參數(shù)焊接接頭失效評定曲線中各參量的_程估算方法及其臨界值測試和計算的途徑作了系統(tǒng)的研究和歸納,得到了一個比較完整并便于工程實際應用的焊接結(jié)構完整性評定途徑。在焊接缺陷結(jié)構的完整性評定過程中,接頭的斷裂韌性及其測試是其完整性評價的另一個中心環(huán)竹。結(jié)合有限元數(shù)值解的結(jié)果,本文討論了平面應變狀態(tài)下,不同裂紋J七何及材料組配焊接接頭的載荷與位移曲線。在此基礎上,應用柔度變化率法分析了各種組配接頭的斷裂性能,提出了適于工程應用的焊接接頭斷裂韌性的工程估算方法。西安理工大學碩士學位論文最

3、后,結(jié)合專家系統(tǒng)知識,通過VC十+.60可視化程序設計軟件,開發(fā)出能應用于焊接結(jié)構缺陷評定的輔助系統(tǒng)軟件包。關鍵詞焊接接頭介Q雙參數(shù)準則失效評定曲線斷裂韌性有限元方法本目錄1緒論. 2均勻材料裂紋尖端應力應變場的研究現(xiàn)狀.3目前缺陷評定方法的現(xiàn)狀及其新發(fā)展.1應力強度因子準則.2TCOD設計曲線法.1.3.3ERI的J積分估算方法.3.4失效評定圖(FAD)法.,.64焊接結(jié)構的缺陷評定.81.4.1焊接接頭裂端場的研究現(xiàn)狀.92焊接接頭缺陷評定方法的研究現(xiàn)狀.105專家系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀.,.,.125.1國內(nèi)外焊接專家系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀,.1352國內(nèi)缺陷評定專家系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀.136本文研究的主

4、要內(nèi)容及技術路線.142焊接接頭裂端場及JQ雙參數(shù)斷裂準則的建立.161前言隨著航天航空、海洋工程、石油化工等工業(yè)的迅速發(fā)展,焊接結(jié)構的應用越來越廣泛。然而,由于焊接過程本身受到焊接技術發(fā)展水平、焊接工藝以及焊接所使用材料等實際因素的影響和制約,很容易在結(jié)構的焊接部位形成各種各樣的焊接缺陷,這些缺陷的存在必然對焊接產(chǎn)品的使用功能帶來很大影響。考慮到焊接連接的固有特點和材料組成的不同一性,加之焊接本身是一個復雜的熱物理化學冶金過程,這些因素的作用造成了焊接接頭部位材料和力學性能上的不均勻性,并給焊接結(jié)構缺陷評定工作帶來不少困難。關于焊接接頭不均勻裂紋體的斷裂分析和完整性評價一直是困擾力學界和焊接

5、界的一個主要問題,也是目前缺陷評定方法研究的焦點和難點。因此,結(jié)合斷裂力學基本理論,對焊接缺陷和焊接接頭進行系統(tǒng)地分析和研究,同時尋求一個適合于工程應用的焊接結(jié)構完整性評價方法,具有重要理論意義和實際應用價值。從六十年代到今天,一方面斷裂力學從早期對脆性斷裂的探索發(fā)展到目前對彈塑性斷裂力學的研究,都是和金屬結(jié)構件的完整性評定息息相關的,這些理論的成熟為結(jié)構缺陷的斷裂分析和完整性評定提供了有力的工具,也是進行焊接接頭力學性能不均勻性缺陷完整性評定的基礎;另一方面,計算機技術已經(jīng)滲透到了人類社會的方方面面,個人計算機(PC)也已經(jīng)獲得了大量應用。將計算機技術應用于結(jié)構缺陷的斷裂分析和完整性評價中,

6、把復雜的計算和繁瑣的評定過程借助于計算機來實現(xiàn),為工程中缺陷評定提供更加有力的工具,這無疑是十分有意義的。1.2均勻材料裂紋尖端應力應變場的研究現(xiàn)狀裂紋尖端應力應變場是建立裂紋起裂與擴展準則的理論依據(jù),長期以來一直是眾人所研究的焦點。斷裂力學發(fā)展到今天,其表征外載荷作用西安理工大學碩士學位論文下裂紋尖端應力應變場強度參量的方式主要有三種,即應力強度因子K、裂紋嘴張開位移占和圍繞裂紋尖端的閉路J積分。應力強度因子K是線彈性斷裂力學分析的方法,適用于裂紋尖端場塑性變形較小的線彈性試件。在裂紋結(jié)構塑性變形較大的情況下,斷裂力學則應采用裂紋尖端張開位移(CTOD)或圍繞裂紋尖端的閉路J積分作為斷裂參量

7、來表征應力場的強度。60年代末期,Hutchinson2、Riee和Rosengren3首先對冪硬化材料,基于小變形J。形變理論,通過對非線性彈性材料半無限平面裂紋體應力應變場的研究,得到了裂紋尖端的主漸近解,即HRR奇異場解,并以J積分作為斷裂參量來描述裂斷場。J是Rice的J積分斷裂參量,Rice建議的二維場J積分表達式為131:J·工(腸1一“夕·會,(1一1)上式中r為積分路徑,砰為應變能,沿外法線方向上的單位矢量。鑒于J積分既有明確的物理意義,又便于計算和測量,從而使其在彈塑性斷裂力學的理論和工程應用中得到了推廣,對斷裂力學的發(fā)展起到了很重要的作用。裂紋考慮圖1一

8、1所示的裂紋結(jié)凡為應力偏張量,n為回路r上圖1一1平面狀態(tài)裂紋結(jié)構構,在某一外載荷作用下,HRR場理論用下式來描述其應力場強度:五二口y式中,J為Rcie的J積分,關的函數(shù),a·J,、氣、l尸共丁而:夕、。,、)又既,CT,z。廠少(1一2)是一個與坐標位置無關僅與載荷及裂紋幾何有.nI月是裂端場材料常數(shù),子。(0,n)是一個與坐1緒論標0和材料應變硬化指數(shù)n有關的無量綱參數(shù)。自從J積分應用于斷裂分析以來,有關HRR場能否正確地描述各種實際試件應力應變場的理論和實驗研究一直是斷裂力學研究的一個主要內(nèi)容。幾十年來的理論和試驗研究以及有限元數(shù)值計算表明4,5:HRR奇異場在裂紋尖端一環(huán)形

9、區(qū)域內(nèi),在一定程度上能夠?qū)Σ煌鸭y幾何和不同受力方式的裂紋體,刻畫出其真實的應力應變特征,奇異場的強度系數(shù)J積分同樣在一定程度上可作為控制裂紋起裂的單參數(shù)準則。但是,HRR場奇異性理論建立之初,在確定裂端應力應變場的同時,亦相應地對裂端塑性約束強度一應力三軸性提出了嚴格的要求,而這一要求是為了滿足HRR場奇異性“無限大平板,半無限裂紋,服從純冪指數(shù)硬化規(guī)律的非線性彈塑體”41的這種假設,然而,其與實際工程中所應用的應變硬化彈塑性材料有著本質(zhì)上的不同,兩者的裂端塑性約束強度很可能存在著差別,這一差異可能對其應力應變場的分布特征產(chǎn)生影響。進一步的研究表明,實際試樣中平面應力條件下的裂端約束基本上可

10、以滿足HRR場奇異性的要求,J主導裂端場有效。在此前提條件下測得的J是一個材料常數(shù),可以作為彈塑性斷裂判據(jù)中的斷裂參量使用。不同試樣幾何及裂紋深度等情況下,處于平面應變狀態(tài)的裂紋體,其裂端有著不同的應力三軸性水平,相應地,其J積分單參數(shù)已失去其主導斷裂場的有效性,并直接導致所測得的斷裂韌性Jcj依賴于試驗條件或裂端應力三軸性水平,不是材料常數(shù),因此現(xiàn)行的有關Jcl試驗標準或規(guī)范的科學性和合理性存在問題5。為了解決在平面應變條件下,裂端約束不能滿足HRR場奇異性要求,J積分單參數(shù)不能作為彈塑性斷裂判據(jù)的問題,尋找能夠反映實際的應力應變場新的斷裂參量是其根本辦法。目前關于J積分對三軸應力的依賴和不

11、能完全反映實驗結(jié)果的修正,集中在提出一個考慮裂端拘束度的弄Q雙參數(shù)斷裂參量16一川,然后依據(jù)雙參數(shù)建立新的斷裂準則2一4。弄Q雙參數(shù)斷裂參量中J表示J積分,是衡量裂紋尖端附近高應力或高應變區(qū)的尺度,3西安理工大學碩士學位論文Q是裂端應力三軸性因子,表征裂紋尖端受拘束的程度。實際中,三軸應力水平在韌性斷裂失效中起著重要的作用,裂端應力應變場的建立必須同時滿足應力及應力三軸性水平,這樣建立的斷裂判據(jù)才能真正反映斷裂的實質(zhì),這也是HRR場所決定的J積分主導是否有效、J斷裂判據(jù)是否成立的關鍵。弄Q雙參數(shù)理論的提出解決了HRR場應力解不能真實反映平面應變條件下,材料應力應變場這一困難,為斷裂力學在工程實

12、際中的應用奠定了基礎。1.3目前缺陷評定方法的現(xiàn)狀及其新發(fā)展近年來的研究表明某些缺陷的存在對工程結(jié)構的正常服役并無影響,因而有必要在“合于使用”(FitnessofrPurpose)原則基礎上建立缺陷評定準則【。斷裂力學發(fā)展到今天,依據(jù)“合于使用”原則建立的結(jié)構完整性技術及其相應的工程安全評定規(guī)程(方法)越來越走向成熟,己在國際上形成了一個分支學科,在廣度和縱深兩方面均取得了重大發(fā)展。在廣度方面新增了高溫評定、各種腐蝕評定、塑性評定、材料退化評定、概率評定和風險評估等內(nèi)容;在縱深方面:彈塑性斷裂、疲勞、沖擊動載和止裂評定、極限載荷分析、微觀斷裂分析、無損檢測技術等均取得很大的進展,亦為工程實際

13、的分析提供了堅實的理論基礎。對于缺陷的評定方法世界各國都有研究,大多數(shù)都是以在役壓力容器的安全評定為主線,提出各自的評定方法或規(guī)范,并對這些規(guī)范進行不斷的修改和補充。從斷裂力學的基本理論看,現(xiàn)在缺陷評定的主要方法有應力強度因子準則、CTOD設計曲線法、美國加州電力研究所(EPRI)的J積分估計方法和以英國CEGB的R6方法為代表的失效評定圖法等。從有利于工程實際應用的角度來看,失效評定圖是一種簡便的方法,代表了含缺陷結(jié)構完整性評定發(fā)展的方向。1.3.1應力強度因子準則早期有關缺陷評定及結(jié)構完整性評價的標準或方法是建立在線彈性l緒論斷裂力學基礎上的。如美國的ASME“鍋爐與壓力容器規(guī)范”第m、I

14、篇附錄【“,7,其基本思想是應用了線彈性斷裂力學理論,以裂紋尖端應力場強度因子K作為參量進行評定,用下式作為含缺陷結(jié)構斷裂的準則:K三K,。一(1一3)式中KI:是構件在靜載作用下裂紋開始擴展的臨界應力強度因子值,也就是材料的斷裂韌性。上式表示結(jié)構在外載荷作用下,如果裂紋端部的應力強度因子達到或超過材料的斷裂韌性值時整個結(jié)構便會失效。1.3.2CTOD設計曲線法CTOD設計曲線法最初是用窄帶屈服模型為基礎建立的,它可用于韌性材料塑性變形較大時的工程評定中,認為臨界CTOD值代表著裂紋尖端附近最大允許應變的度量,該方法因其物理意義直觀并得到寬板試驗的驗證,在一些國家較早得到應用。該方法的設計曲線

15、的形式如下8l:占/(2朋。e:)=(e/e,)占/(2朋。e,)=e/e:一0.25e/e、0.5e/e,>0.5(1一4)式中,ea表示缺陷的等效裂紋尺寸,e,。:分別表示外載荷作用下缺陷的實際應變和屈服應變,應用上式計算裂紋體在外載荷作用下的斷裂參量占,斷裂準則仍用占三氏來表示。氏是用CTOD斷裂參量所表示的實際材料的斷裂韌性值。著名的焊接缺陷評定規(guī)范PD6493就是以CTOD設計曲線法為基礎所建立的缺陷評定方法【“。另外,我國壓力容器缺陷評定規(guī)范組所編制的“壓力容器缺陷評定規(guī)范evDA一984”【”,德國的Dvs24ol一z規(guī)范20,日本的WES28OS一1980標準,國際焊接學

16、會的標準nW-X一749一74均采用CTOD設計曲線的思想8。1.3.3EPRI的J積分估算方法從斷裂力學發(fā)展及其在工程中的應用來看,雖然線彈性應力強度因子法和CTOD設計曲線法一直在不斷完善和發(fā)展,但是隨著J積分斷裂分西安理工大學碩士學位論文析方法的出現(xiàn),建立在J積分作為斷裂參量基礎上的缺陷評定方法已經(jīng)成為當代缺陷結(jié)構斷裂評定的主流。從現(xiàn)有的研究成果來看,J積分能夠廣泛應用于實際工程中,應首先歸功于美國加州電力研究所(EPRI)的有關J積分工程化的一系列研究,并得到了一種基于材料裂紋擴展阻力曲線的彈塑性斷裂分析方法。該方法的理論基礎是從小范圍屈服到大范圍屈服的裂紋尖端存在HRR場奇異性和J主

17、導裂紋擴展理論,利用線彈性解和全塑性解的疊加,通過對四種典型斷裂試件及裂紋圓筒的全塑性有限元計算,進而對其裂紋擴展驅(qū)動力J積分進行工程估計,最后歸納出三種直接應用與工程評定的圖形一裂紋驅(qū)動力圖、穩(wěn)定評定圖及失效評定圖,以對缺陷結(jié)構做出是否安全的評價2,。EPRI方法的核心是J積分斷裂參量的工程估算法,從而使J積分斷裂參量可以用一些簡單的表格、圖形以及材料的性能條件進行估算,從而使實際工程中J積分參量的計算不必進行詳細的斷裂理論分析即可求得【“l(fā),這種方法解決了J積分計算上的困難,為J積分直接應用于工程實際奠定了基礎。1.3.4失效評定圖(FAD)法自從英國中央電力局(CEGB)在1976年提出

18、用失效評定圖來評定含缺陷結(jié)構安全性以來,失效評定圖方法取得了長足的進展,世界各國普遍采用失效評定圖技術,且標準趨向統(tǒng)一。目前國際上比較常用的失效評定圖方法主要有以下幾種:aR6失效評定圖方法R6失效評定圖技術的關鍵在于建立工程應用的失效評定曲線。1986年CEGB發(fā)表的R6第3版中,失效評定曲線的建立方法有三種選擇,對裂紋延性穩(wěn)態(tài)擴展的處理方法有重大改進,提出了缺陷評定的三種分析方法【8。應用第3版的R6方法不僅能夠判斷裂紋結(jié)構是否起裂,而且還可以分析裂紋穩(wěn)定擴展至失穩(wěn)擴展的全過程和裂紋等缺陷體各種因素對1緒論其安全裕度的敏感性。R6第3版出版后己陸續(xù)地增補了1個新附錄,由于近年來斷裂力學評定

19、技術的發(fā)展特別是SNIIAP、BS7910和美國API579的出現(xiàn),英國的BritihsEnergy(英國核電公司)、BNFL(英國核燃料公司)及AEA(英國原子能管理局)組成的結(jié)構完整性評定規(guī)程聯(lián)合體下的R6研究組,在吸收了世界各國研究進展后,于2001年頒布了第4次修訂版22。R6第4版代表了國際上水平最高的壓力容器評定標準,內(nèi)容應引起國人注意。bEPRI失效評定圖方法1981年,美國EPRI首次提出用于擴展裂紋失穩(wěn)分析的“穩(wěn)定性評定圖”23,其基本原理是以隨意性較強而預見性較差的數(shù)值作圖分析為基礎的,顯得過于繁瑣和不確切,而且難于獲得高置信度的失穩(wěn)預測。在此基礎上,EPRI通過研究CEG

20、B的R6失效評定圖和彈塑性斷裂理論,于1982年6月提出了“含缺陷核壓力容器及管道的完整性評定規(guī)程,81,使用J控制裂紋擴展的概念和J積分的工程估算方法,推導出以J積分理論為基礎的失效評定曲線(JAFC)。這是一部采用失效評定圖技術的工程規(guī)程,其評定方法與R6類似,即對于一個給定的載荷和裂紋尺寸,依據(jù)J積分參量計算評定點,如果評定點位于失效評定曲線內(nèi)側(cè),則結(jié)構是安全的;對于評定中的結(jié)構安全裕度可以從評定點與評定曲線之間的距離直接測得。EPRI的JAFc有兩個重要特點24:()l以材料符合或基本符合RoR本構關系為前提;(2)以手冊提供的J積分塑性分量辦計算方法,相應于不同的結(jié)構、材料和裂紋,分

21、別繪制所需的JAFC。因此,EPRI評定法的特點式不提供通用失效評定曲線。ePD6493失效評定圖法PD6493早期所使用的失效評定圖的概念主要是從CEGB的研究成果中得到的,它實際上是表示兩種截然不同的失效機制間的內(nèi)插曲線,即斷裂韌度凡。所控制的脆性斷裂和由極限載荷所控制的塑性失穩(wěn)。修訂的西安理工大學碩士學位論文PD6493失效評定圖(1919版),在R6第3版的基礎上,充分考慮了隨著裂紋擴展而增強的阻力,增加了預測失穩(wěn)擴展的高級評定部分,因而更接近實際情況23,“5】。由于斷裂力學的迅速發(fā)展,世界各國的評定規(guī)范都處于不斷的完善過程中,PD6493亦不例外。2000年,PD6493將1991

22、年所研究的評定方法與1994年發(fā)表的PD6539(高溫評定方法)進行合并,并根據(jù)近十年來研究成果發(fā)表了修正版,稱為英國標準BS791O,規(guī)范名稱改為“金屬結(jié)構中缺陷驗收評定方法導則”,新的規(guī)范仍然是三級評定,都采用失效評定圖方法126。d歐洲工業(yè)結(jié)構完整性評定方法(sINTAP)由歐洲委員會(EuroPeanCommission)發(fā)動組織9個國家的17個組織在“合于使用”原則評定標準的基礎上,編寫了歐洲工業(yè)結(jié)構完整性評定方法,簡稱SNIATP27。SNIATP采用了失效評定圖(FAD)和裂紋推動力(CDF)的兩類分析方法。AFD的關鍵是失效評定曲線(f吞.),只要評定點(Lr,凡)落在AFD圖

23、內(nèi)的安全區(qū),則缺陷就是安全的。CDF是直接按J叢Jcl的判據(jù)來進行評定的,但是規(guī)定裂紋驅(qū)動力J的計算應按失效評定曲線的表達式(fL:)求得,因此盡管CDF法和AFD法形式上有所不同,但實質(zhì)是一樣的。SNITAP對含缺陷結(jié)構進行完整性評定時,充分考慮了材料性能,根據(jù)所需要評定精確程度的要求分別確定不同的評定參數(shù),建立不同的失效評定曲線。在SNIATP7個評定級別中,隨著評定級別的增高,所需要材料的力學性能參數(shù)也需要越詳細,評定所達到的精確程度也就相應地越高28,29。1.4焊接結(jié)構的缺陷評定斷裂力學的發(fā)展為材料及結(jié)構缺陷評定提供了有力的手段,但是,以往研究的基本出發(fā)點是以均勻材料為基礎的缺陷評定

24、法,尤其是沒有考慮焊接接頭材料力學性能不均勻性帶來的影響。對于工程上常見的焊l緒論接接頭部位的缺陷,這些評定方法是否適用,以及如何建立有關焊接接頭缺陷評定的方法是人們十分關心的課題,也是目前缺陷結(jié)構斷裂評定研究的焦點之一。1焊接接頭裂端場的研究現(xiàn)狀焊接接頭中的不均勻性因素普遍存在,而且也十分復雜。從不均勻性對缺陷體性能的影響方面進行考慮,這些因素可分為力學不均勻性和幾何不均勻性兩大類。力學不均勻性因素包括母材和焊縫金屬屈服強度以及冪硬化指數(shù)的不匹配;幾何不均勻性因素包括焊縫寬度、裂紋長度及其在焊縫金屬中的相對位置等。這些焊接接頭性能的不均勻性因素對接頭斷裂評定方法的影響規(guī)律及其評定方法的研究,

25、成為焊接缺陷結(jié)構完整性評定中的難點。從目前斷裂力學的發(fā)展方向來看,J積分理論在彈塑性斷裂力學分析中已受到廣泛的重視,與均勻材料的裂紋尖端應力應變場研究一樣,J積分斷裂參量無疑也是表征焊接接頭裂端應力應變場強度的首選參量。作為J積分斷裂分析的基礎,J積分主導的有效性是應用于斷裂分析的先決條件,而J積分的路徑無關性(守恒性)這一典型特征是它能夠應用于斷裂分析的一個關鍵因素,但無論是均勻材料還是焊接接頭,J積分的守恒性并不能說明J主導斷裂場的有效性。國內(nèi)于80年代率先開展了不均勻性因素對J積分斷裂參量影響的研究30,3,在證明了焊接接頭中J積分具有守恒性的基礎上,略去熱影響區(qū)的存在,假設焊接接頭是由

26、母材和焊縫金屬兩部分組成,并認為焊縫金屬宏觀均勻,采用小變形有限元分析方法,考察了多種情況的力學和幾何不均勻性對J積分參量的影響,為J積分斷裂參量在焊接接頭裂端場中的分析應用奠定了理論基礎。文【32一34通過有限元數(shù)值計算,進一步證明J積分的守恒性在焊接裂紋體中仍然成立。實際焊接接頭的力學性能分布是不均勻的,有關焊接接頭HRR場主西安理工大學碩士學位論文導的有效性、J積分理論的適用性以及裂端拘束與力學不均勻性之間的關系等方面的研究一直是焊接接頭斷裂分析的主要內(nèi)容31一。文38j基于有限元和云紋干涉分析的混合結(jié)果,指出焊接接頭中的J主導是有條件存在的,并闡明J主導有效的條件與接頭組配和材料本構關

27、系有關,而與韌帶長度無關,同時還揭示了焊接接頭中以應力三軸度表征的裂紋尖端拘束度不能滿足HRR場的要求而呈現(xiàn)出復雜的演化規(guī)律,即在距離裂紋尖端的某一位置處裂紋尖端拘束存在一個最大值,該最大值隨著外加載荷水平的增加而降低。文【39采用有限元分析方法,較全面地研究了焊接接頭中不均勻性因素對焊接接頭裂端應力三軸性的影響,得到了焊接接頭中J主導裂端場在平面應變條件下失效,而在平面應力條件下仍然有效性的結(jié)論。文40通過對焊接接頭裂紋尖端應力應變場的有限元數(shù)值計算表明,處于平面應變狀態(tài)下的焊接接頭,單參數(shù)J積分參量不能完全反映實際應力場的強弱大小,在結(jié)合均勻材料裂紋體裂端場研究成果的基礎上,提出了將應力三

28、軸性Q因子用于表征焊接接頭裂端場強度的計算途徑。以上的研究結(jié)果從不同方面促進了斷裂力學在焊接結(jié)構缺陷評定中的應用,為進一步研究奠定了理論基礎。1.4.2焊接接頭缺陷評定方法的研究現(xiàn)狀隨著工程實際中韌性材料的廣泛應用以及彈塑性斷裂力學的迅速發(fā)展,有關焊接接頭力學和幾何不均勻性對焊接結(jié)構缺陷評定過程中的影響,已經(jīng)取得了不少的研究成果。文【41一45利用有限元計算結(jié)果,討論了焊縫長度、焊縫寬度以及強度組配等情況下對焊接接頭斷裂驅(qū)動力J積分參量的影響,進一步為J積分在焊接結(jié)構缺陷完整性評定中的應用奠定了基礎;文【46通過對焊接接頭裂紋尖端等效屈服強度和等效應變指數(shù)進行研究,獲得了分析力學性能不均勻裂紋

29、體斷裂參量的表達式,該方法和EPRI方法相兼容,同時適用于力學性能均勻材料和不均勻材料的斷裂評定;文471的研究則以EPRI的J積分估計方法為基礎,在一定的工程假設條件下,結(jié)合有限元1緒論數(shù)值計算的結(jié)果,得到了焊接接頭中裂紋驅(qū)動力J積分參量的工程估算方法,將EPRI方法向前推進了一步;文48的研究采用ETM方法的思想,得到了焊接接頭J積分的估算方法,其估算結(jié)果與有限元數(shù)值解取得了很好的一致性。在考慮了焊接接頭力學不均勻性的前提下,將失效評定圖技術應用于焊接結(jié)構完整性評定的研究亦取得了不少成果。文L49,50通過有限元計算表明,可以應用J積分斷裂參量來建立焊接接頭的失效評定曲線,并指出在工程實際

30、中采用母材材料性能代替焊接接頭建立失效評定曲線得到結(jié)果是偏安全的;文51,52利用有限元數(shù)值解的結(jié)果,進一步探討了利用J積分斷裂參量建立焊接接頭失效評定曲線的可行性,并得到了不同材料組配對焊接接頭失效評定曲線的影響規(guī)律;文【53一55針對一系列簡化后的焊接缺陷模型進行有限元計算后,得到了焊接缺陷結(jié)構在不同外載荷條件下,塑性失穩(wěn)極限載荷的工程估算公式,為焊接接頭失效評定曲線的工程化奠定了一定基礎。目前世界各國關于缺陷評定的規(guī)范中,都對焊接缺陷結(jié)構件的完整性評定做出了一定的探討22,6,特別是R6第4版22和sNIATP57這兩種評定方法中考慮了焊接接頭的特殊性,代表了當今世界焊接缺陷結(jié)構完整性評

31、定方法的發(fā)展趨勢。綜觀以往的研究成果,一方面J積分在含缺陷焊接結(jié)構體中的守恒性得到了有限元數(shù)值計算上的驗證,為J積分在非均質(zhì)材料中的應用奠定了基礎;另一方面也為焊接接頭的缺陷評定提供了很多的研究方法。但是焊接接頭畢竟是一個復雜的力學性能不均勻連續(xù)體,有關焊接結(jié)構的缺陷評定仍有很多問題有待于進一步的研究。首先,雖然J積分的守恒性在焊接裂紋體中仍然近似成立,但是這并不能說明J積分主導的有效性以及J積分參量能夠很好地描述焊接接頭的斷裂實質(zhì)。己有的研究表明39,40】,處于平面應變狀態(tài)下的焊接接頭,單參數(shù)J積分已不能完全反映實際應力場的強弱大小,需要尋求一種新的斷裂參量來衡量裂紋尖端應力應變場的強度。

32、西安理工大學碩士學位論文其次,目前的壓力容器評定標準中應用失效評定圖(FAD)法對焊接缺陷結(jié)構進行評定時,是以EPRI的J積分估計方法為基礎,用彈塑性J積分分析代替窄條屈服模型,來定義焊接接頭失效評定曲線(AFC)的。但在平面應變狀態(tài)下,J積分參量不能反映焊接接頭實際應力場的實質(zhì),相應地,采用彈塑性J積分理論建立的含缺陷焊接接頭失效評定曲線在斷裂評定中也必然存在一定缺陷。尋求能真實反映焊接接頭裂端實際應力應變場的斷裂參量,建立適于焊接結(jié)構的失效評定曲線并將其應用于工程實際中,這無疑是非常重要的。對于焊接接頭,失效評定圖技術的實質(zhì)仍在于建立失效評定曲線和計算某一特定接頭材料裂紋體的評定點的坐標。

33、建立焊接接頭失效評定曲線的理論和工程基礎是計算接頭的裂紋驅(qū)動力(線彈性計算和彈塑性計算),計算評定點坐標的關鍵在于確定裂紋體的斷裂韌性以及計算缺陷體的極限載荷。因此系統(tǒng)地尋找各力學不均勻性因子對失效評定曲線及斷裂韌性的影響規(guī)律,是將失效評定圖技術應用于焊接接頭缺陷完整性評定的關鍵。1.5專家系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀專家系統(tǒng)(E)s是在人工智能研究過程中產(chǎn)生的一門新興學科。目前,專家系統(tǒng)和自然語言理解、機器人學一起,并列為人工智能研究中最活躍的三大領域。專家系統(tǒng)是一種能夠在專家水平上工作的計算機程序,專家系統(tǒng)所具有的專業(yè)知識和經(jīng)驗以及解決專門問題的能力能夠達到甚至超過人類專家水平。因此這種系統(tǒng)能夠在特定的

34、領域和范圍內(nèi),為解決復雜問題進行“知識”服務,即利用領域?qū)＜业膶ｉT知識和推理能力,解決在通常情況下難以處理的問題。專家系統(tǒng)的研究工作開始于1%5年,在焊接領域開展專家系統(tǒng)的研究工作是從1985年才開始的。目前,許多國家在焊接領域的不同方面開展著計算機專家系統(tǒng)的研究工作,這己成為焊接工作者的研究熱點之一。1緒論1.5.1國內(nèi)外焊接專家系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀在國外,專家系統(tǒng)已經(jīng)進入焊接領域的各個方面,并開始向商品化邁進。IIW(Internationalxnstitutewelding)的統(tǒng)計資料表明:開展這方面研究工作的國家有英國、美國、日本、德國等國家。其中英國、美國、德國、日本是比較早在焊接領域開展

35、專家系統(tǒng)研究工作的國家58。我國大約在80年代末開始了焊接ES的探索,目前己經(jīng)開始在生產(chǎn)中獲得實際應用。表1一1、表1一2分別列出了國內(nèi)外開發(fā)的一些焊接專家系統(tǒng)59,60。表1一1國內(nèi)開發(fā)的焊接專家系統(tǒng)名稱類型所處階段開發(fā)者焊接方法選擇ES方法選擇研究原型南昌航空工業(yè)學院焊接冷裂紋計算機輔助評定系統(tǒng)裂紋預測演示原型上海交通大學焊接材料選擇ES焊材選擇研究原型清華大學WDR焊縫缺陷識別系統(tǒng)缺陷診斷研究原型上海交通大學鋁合金焊接工藝制定ES工藝選擇研究原型哈爾濱工業(yè)大學超聲波焊接ES焊接結(jié)構CAD研究原型上海交通大學焊接工程的數(shù)據(jù)庫及ES工藝設計研究原型哈爾濱工業(yè)大學焊接金相組織自動定量識別ES金

36、相識別研究原型天津大學弧焊工藝制定與咨詢ES(ESW)工藝制定實用原型清華、燕山石化焊接數(shù)據(jù)庫及弧焊工藝評定系統(tǒng)工藝評定研究原型合肥工業(yè)大學1.5.2國內(nèi)缺陷評定專家系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀我國Es研發(fā)始于1988年,經(jīng)歷了十幾年的發(fā)展,我國的計算機水平在焊接方面的研究也已逐步趨向成熟,部分系統(tǒng)已經(jīng)商品化。在缺陷評定和結(jié)構安全方面的專家系統(tǒng),主要有清華大學用人工智能語言TurboProlog,以“合于使用”原則為依據(jù)開發(fā)的“壓力容器缺陷評定規(guī)范l3西安理工大學碩士學位論文vDcA一84咨詢系統(tǒng)”環(huán)山東大學利用Delihs.結(jié)合數(shù)據(jù)庫和專家系統(tǒng)知識,以GB150一1998、SAPV一1995等標準和規(guī)范為

37、依據(jù)開發(fā)的“壓力容器管理與安全評定輔助專家系統(tǒng)”62等。以上的成果標志著我國缺陷評定專家系統(tǒng)的研究有了很大的進展,但針對焊接缺陷結(jié)構完整性評定專家系統(tǒng)的研究幾乎為空白。伴隨著計算機技術的飛速發(fā)展,將計算機技術應用于含缺陷焊接結(jié)構的斷裂分析和完整性評定中,把復雜的計算和繁瑣的評定過程借助于計算機來實現(xiàn),為工程實際中缺陷評定提供更加有力的工具,這無疑是十分有意義的。1.6本文研究的主要內(nèi)容及技術路線為了建立一個焊接缺陷結(jié)構完整性評定方法,并在此基礎上,開發(fā)出一套能應用于工程實際的含缺陷焊接結(jié)構輔助評定系統(tǒng)的軟件包,本文擬從以下幾方面進行研究:(1)從有限元數(shù)值計算出發(fā),討論焊接接頭裂紋體材料組配發(fā)

38、生變化時,其裂紋尖端應力應變場的變化規(guī)律,從而對斷裂力學的基本理論在焊接接頭中的適用性有所認識。(2)基于J積分斷裂參量在平面應變狀態(tài)下,不能完全反映焊接接頭裂端應力應變場實質(zhì)的問題,考慮到應力三軸性對焊接接頭裂端場的影響,本文從尋求反映焊接接頭裂端實際應力應變場的斷裂參量出發(fā),討論符合焊接接頭裂端應力場實質(zhì)的失效評定曲線的建立途徑。(3)在利用有限元數(shù)值解研究焊接接頭J積分斷裂參量和應力三軸性Q因子分布規(guī)律的基礎上,結(jié)合工程實際,對新建立的焊接接頭失效評定曲線中各斷裂參量進行工程化。(4)從分析平面應變狀態(tài)下,不同材料組配、裂紋幾何中心裂紋焊接接頭的載荷與位移曲線入手,進一步應用柔度變化率方

39、法探討焊接接頭斷裂韌性的工程估算方法。(5)通過以上的研究,結(jié)合專家系統(tǒng)知識,利用VC+6,O可視化程序設計軟件,設計和編寫適于含缺陷焊接結(jié)構輔助評定系統(tǒng)的軟件包。1緒論本課題研究工作的技術路線為含缺陷焊接接頭完整性評定工程方法及其輔助評定系統(tǒng)設計輔助評定系統(tǒng)設計平面應變狀態(tài)下,焊接接頭的載荷與位移曲線的研究焊接接頭裂端應力應變場的研究.1前言由于焊接接頭存在冶金及力學性能的不均勻性,從力學分析的角度來看,不均勻性主要表現(xiàn)在接頭的材料和幾何不均勻性方面。這種不均勻性在焊接結(jié)構的制造及使用過程中,必然會給其應力及應變場的分布帶來很大的影響。因此,有必要從焊接接頭的材料組配對其裂端場的應力分布狀況

40、的影響出發(fā),探索焊接接頭應力場與均勻材料的差別。在目前的彈塑性斷裂力學研究中,以Hutchinson,2、幾ce和R。SengrenI3提出著名的HRR場理論為標志,J積分在彈塑性斷裂力學研究中的作用受到廣泛重視,其理由在于:(1)J積分理論根據(jù)嚴密,定義明確,在理論上可以解釋為變形功的差率,這樣J積分可由試驗標定;(2)J積分有與路徑無關的特性,因而J積分可由簡單的路徑積分算出,從而避開了直接計算裂紋尖端附近彈塑性應力應變場的困難;(3)J積分可作為表征裂紋起裂的彈塑性斷裂準則。鑒于J積分斷裂理論具有嚴密的理論基礎,又便于計算和測量,考慮到焊接接頭形成過程中的特殊性,將J積分斷裂參量用于描述

41、含缺陷體焊接接頭的研究很多,主要集中在討論J積分在焊接接頭中的守恒性32一34以及力學不均勻性對J積分的影響方面4一44。文阱0利用有限元方法,對含缺陷焊接接頭裂紋尖端應力應變場的計算結(jié)果表明:在平面應力條件下,無論何種材料組配、何種裂紋幾何的焊接接頭裂紋尖端的約束基本上可以滿足HRR場奇異性的要求,J積分主導的斷裂場有效,焊接接頭的力學性能不均勻性對應力場的分布幾乎沒有影響,單參數(shù)J積分斷裂參量能夠反映焊接接頭應力場的實質(zhì),因而在實際的焊接接頭斷裂評定中,可以直接應用單參數(shù)J積分作為斷裂西安理工大學碩士學位論文參量進行斷裂分析。處于平面應變狀態(tài)下,不同材料組配、裂紋幾何的焊接接頭裂端有著不同

42、的應力三軸性水平,其裂端正應力的計算結(jié)果均低于HRR場解所給定的值,J積分主導斷裂場的有效性不存在,單參數(shù)J積分己不能完全描述其實際應力場的強弱大小,需要尋求一種新的斷裂參量來衡量應力場的強度。但是文40的有限元計算均是在保持裂紋所在的焊縫區(qū)材料不變,采用改變母材材料性能的方式來考察不同組配焊接接頭裂端應力應變場的變化情況,這一研究方法與工程實際中的母材一定而焊縫材料性能隨焊接材料的變化而改變這一現(xiàn)實有區(qū)別,因此,本章考慮到實際工程上的焊接結(jié)構,從改變焊縫材料使焊接接頭材料組配發(fā)生變化這一概念出發(fā),討論焊接接頭裂紋尖端應力應變場的變化規(guī)律,從而對斷裂力學的基本理論在焊接接頭中的適用性有所認識,

43、以期得到一種新的斷裂參量來衡量焊接接頭裂端場的強弱大小。,是材料的屈服強度和屈服應變,a、月是材料的冪硬化系數(shù)和指數(shù)。對于冪硬化材料,表征材料力學性能的主要參數(shù)是材料的屈服強度和應變硬化指數(shù),焊接接頭的材料不均勻性主要表現(xiàn)為焊縫金屬及母材金屬的屈服強度及冪硬化指數(shù)的組配不同,這兩個參數(shù)是研究焊接接頭材料不均勻性的重點。焊接接頭由焊縫、熱影響區(qū)和母材三部分組成,為了討論的方便,參照以往的研究成果和方法#0,在進行力學分析時,對焊接接頭做一些簡化,簡單認為接頭是由焊縫金屬和母材金屬兩部分織成的材料力學性能不均勻裂紋體,并認為兩部分性能宏觀均勻。西安理工大學碩士學位論文為了符合工程實際,本章有限元計

44、算中所模擬的不同組配焊接接頭,均是采用改變焊縫材料的屈服強度和冪硬化指數(shù)來達到這一目的,計算時采用的材料性能參數(shù)如下:.4結(jié)構的極限載荷對于焊接接頭中心裂紋板,平面應力和平面應變的極限載荷按下面的方法來進行計算64:平面應力狀態(tài):幾=-o。,·(2附一Za)(2一4)平面應變狀態(tài):P0二L15.5J”,·(2砰一2a)(2一5)式中,2砰是中心裂紋板的寬度,2a是裂紋的長度。2.3平面應變條件下的焊接接頭單參數(shù)準則的適用性考察非均質(zhì)焊接接頭中的J積分的適用性,首先必須考察J積分的守恒性,即在非均質(zhì)焊接接頭中J積分是否仍保持其路徑無關性,J積分的路徑無關性是J積分參量廣泛應用

45、于工程實際的前提,但是J積分的守恒性是J積分參量能夠用來表征裂紋體裂端場的必要條件,J積分守恒性并不能說明HRR場能夠正確地描述裂端應力應變場的實質(zhì),同樣地,也不能完全說明J主導裂端應力應變場的有效性。從彈塑性斷裂的本質(zhì)來看,裂紋尖端應力應變場的分析是評價裂紋體斷裂與否的基礎,為了了解焊接接頭/積分主導有效性與均勻材料的差異,這里對不同組配焊接接頭裂端的應力場進行了有限元計算。J主導的有效性判別則采用同一載荷作用下,焊接接頭裂端韌帶上第一主應力的分布規(guī)律是否符合HRR場裂端韌帶上第一主應力與無量綱化距離的關系式(2一3)這一標準來進行討論。20西安理工大學碩士學位論文圖2一3和2一4是同一母材

46、材料,焊接接頭的焊縫材料屈服強度及冪硬化指數(shù)組配不同時,各種裂紋深度情況下的中心裂紋板其裂端正應力分布的有限元計算結(jié)果。圖中的氏。表示沿裂端韌帶上垂直于裂紋方向的正應力,而根據(jù)結(jié)構對稱性和邊界條件可知,.-ou少就是沿裂紋尖端韌帶上的第一主應力;圖中的符號,月則為沿韌帶方向裂端韌帶上某一點距離裂紋尖端的長度參量,HRR場解的結(jié)果是按照母材的性能估算的。需要說明的一點是,圖中的極限載荷馬值是按照式(2一5),采用母材材料性能計算的,這樣便可以在相同的載荷條件下比較各種組配焊接接頭裂端場的有限元計算結(jié)果。從圖2一3中鈍化裂紋實際應力場的有限元計算結(jié)果與HRR場解(采用母材性能計算的值)的比較來看,

47、彈塑性材料處于彈塑性大變形情況下,可以得出以下幾點:(1)無論是均勻材料還是焊接接頭,鈍化裂紋的裂端場應力分布與HRR場應力解完全不同,其裂端正應力的計算值低于HRR場解的結(jié)果。從裂紋尖端開始,隨著r吼/J的增加,裂端正應力逐漸上升,裂端正應力在r氣/J值增加到.01一.10的范圍時達到最大值。對于不同的裂紋幾何,最大應力值也均在r-ox/J處于0.1一1.0之間。(2)所計算試件的裂端正應力分布從峰值開始,隨著距離裂紋位置參數(shù)r吼/J的增大,呈下降趨勢,無論何種裂紋深度變化的趨勢都是相同的。(3)焊接接頭材料強度組配的改變引起了裂端應力場分布的很大差異。從圖中可以看出,焊縫屈服強度發(fā)生變化,

48、其裂端應力場的分布存在明顯的差異,隨著距離裂紋位置參數(shù)r-o、./J的增大,載荷水平的升高,差異也越大,無論何種裂紋深度結(jié)論都是一致的。從圖2一4中同一母材材料不同裂紋幾何的焊接接頭,其焊縫屈服強度不變而冪硬化指數(shù)組配不同時,接頭裂端正應力分布情況的比較結(jié)果可以看出以下幾點:2l2焊接接頭裂端場及弄雙參數(shù)斷裂準則的建立圖2一4平面應變焊接接頭母材材料同一,焊縫材料冪硬化指數(shù)組配不同時接頭裂端韌帶上的正應力分布(二勸=。一500MPa,n。二10)232焊接接頭裂端場及弄雙參數(shù)斷裂準則的建立()l與圖2一3相似,從裂紋尖端開始,隨著r-o洲J白勺增加,焊接接頭裂端的正應力分布逐漸上升,當r二洲J

49、值增加到0.1一1.0的范圍時,其裂端正應力達到最大值。對于不同的裂紋幾何,最大應力值也均在rTc洲J處于0.1一1.0之間。(2)隨著距離裂紋位置參數(shù)ro洲J的增大,相同組配接頭的裂端場正應力分布呈下降趨勢:相應于不同裂紋幾何的接頭,趨勢都是相同的。(3)接頭材料的冪硬化指數(shù)組配不同時,不等組配焊接接頭發(fā)生塑性屈服后的應力場分布與等組配接頭的應力場分布有所不同,裂端正應力在靠近裂紋尖端處有明顯差異,但隨著無量綱距離參數(shù):Tc、/J的增大,不論何種裂紋深度,這種差別則迅速減小,與等組配接頭的正應力分布基本一致。因此,在工程實際斷裂分析過程中,可以不考慮冪硬化指數(shù)組配的不同對焊接接頭裂紋體裂端正

50、應力分布產(chǎn)生的影響。由以上的討論可知,處于平面應變狀態(tài)下的焊接接頭中心裂紋板,載荷接近或略超過極限載荷時,焊接接頭的應力場分布與其同一裂紋結(jié)構的全母材裂紋體的應力場分布狀況的計算結(jié)果有一定差別,在實際的彈塑性斷裂評定中,應用全母材來代替接頭進行斷裂分析,得到的結(jié)果是不可靠的。而且,焊接接頭裂端正應力的計算結(jié)果低于裂端HRR場理論解的值,J積分主導斷裂場的有效性不存在,單參數(shù)J積分己不能完全描述其實際應力場的強弱大小,需要尋求一種新的斷裂參量來衡量應力場的強度。2.4平面應力條件下的焊接接頭單參數(shù)準則的適用性為了對平面應力條件下的焊接接頭的J主導有效性有所了解,根據(jù)J主導裂端場有效性的定義式(2

51、一3),對不同裂紋深度焊接接頭在平面應力條件下裂端韌帶上的最大正應力進行了有限元計算,計算結(jié)果及其與HRR場理論解(采用母材性能計算的值)的比較結(jié)果示于圖2一5和圖2一6,圖中的極限載荷尸。值是應用母材材料性能按照式(2一4)計算的。從圖2一5中可以看出,同一母材材料的焊接接頭,焊縫屈服強度改變西安理工大學碩士學位論文圖2一6平面應力焊接接頭母材材料同一,焊縫材料冪硬化指數(shù)組配不同時接頭裂端韌帶上的正應力分布(二,*=二飛、,=500MPa,n。二10)26西安理工大學碩士學位論文的情況下,接頭韌帶上的正應力二。隨無量綱距離參數(shù)rTc、/J的變化規(guī)律幾乎都是一樣的,并且與HRR場應力場解基本相

52、同。從圖2一6中可以看出,焊縫冪硬化指數(shù)變化時,接頭韌帶上的正應力-o。隨著無量綱距離參數(shù)廠吼/J的變化規(guī)律與圖2一6大致相同,在靠近裂紋尖端處有一定差別,但隨著無量綱距離參數(shù)ro、一/J的增大,這種差別則迅速減小,基本與H雙場應力場解一致。因此,對處于平面應力狀態(tài)的焊接接頭來說,J主導的有效性依然存在,實際工程中完全可以采用J積分作為斷裂參量進行焊接接頭的斷裂分析,最終得到的結(jié)果是可靠的。2.5弄Q雙參數(shù)斷裂準則的建立鑒于以上的討論可知,在平面應力條件下,無論何種材料組配、何種裂紋幾何的焊接接頭裂紋尖端的約束基本上可以滿足HRR場奇異性的要求,J積分主導的斷裂場有效,焊接接頭的力學性能不均勻

53、性對應力場的分布幾乎沒有影響,單參數(shù)斷裂參量J積分能夠反映焊接接頭應力場的實質(zhì),因而在實際的焊接接頭斷裂評定中,可以直接應用單參數(shù)J積分作為斷裂參量進行斷裂分析。處于平面應變狀態(tài)下,不同材料組配、裂紋幾何的焊接接頭裂端有著不同的應力三軸性水平,其裂端正應力的計算結(jié)果均低于HRR場解所給定的值,J積分主導斷裂場的有效性不存在,單參數(shù)J積分已不能完全描述其實際應力場的強弱大小,需要尋求一種新的斷裂參量來衡量應力場的強度。因此尋求適合平面應變條件下均勻材料和焊接接頭的多參數(shù)準則是十分必要的。2.5.1均質(zhì)材料JQ雙參數(shù)斷裂準則的建立考慮到工程界常用的冪硬化材料,oDowd和shhi”一川通過有限元對裂端場的計算表明,HRR奇異場宜于表征裂紋尖端的高三軸應力場,而低三軸應力場的解與HRR場相差較大。由此他們認為,造成實際應力場應力值與HRR場計算值之間差別的主要原因在于裂端三軸性約束的不同