残余应力对焊接角接头裂纹扩展性能的影响分析

目的 分析焊接残余应力对角接接头裂纹扩展特性的影响。方法 基于热弹塑性力学法,建立角接头的有限元模型,计算焊接温度场,并采用热机耦合方法计算焊接残余应力。采用断裂力学方法,分析计算焊趾部位的应力强度因子和裂纹扩展寿命,并对比分析残余应力对裂纹扩展的影响。结果 计算得到焊缝的残余应力达到了材料屈服极限,呈拉伸应力状态,其Von Mises应力值为345 MPa。在应力为200 MPa以内,考虑残余应力的前提下,分别使用文献试验得到的数据和IIW标准中的数据作为裂纹扩展参数,应力比R=–1时的裂纹扩展寿命分别为2.61×10⁶和6.84×10⁵次循环;在应力比R=0时的裂纹扩展寿命分别为1.16×10⁵和2.90×10⁴次循环。结论 残余应力会加速裂纹扩展。采用控制变量法,将应力范围设定为常值,当应力比R<0时,残余应力扩大了应力强度因子的范围;在应力比R>0时,残余应力一方面会增大最大应力强度因子,使其接近材料的断裂韧度,同时拉伸残余也提高了平均应力强度因子或者提高了应力比R,在这种情况下,残余应力均会加速裂纹的扩展速度。随着裂纹长度的增加,残余应力对裂纹扩展速率的影响会增大。外载荷和残余应力共同对裂纹扩展产生影响,应力比R和残余应力对裂纹扩展的影响机制相同,在焊接结构寿命评估时,需要综合考虑这2个影响因素。