在咬邊焊接缺陷下相貫無縫鋼管的疲勞特性研究

劉 寧，呂瓊瑩

（長春理工大學機電工程學院，長春 130022）

在咬邊焊接缺陷下相貫無縫鋼管的疲勞特性研究

劉 寧，呂瓊瑩

（長春理工大學機電工程學院，長春 130022）

本文以相貫無縫鋼管構(gòu)成的管節(jié)點子模型為研究對象，利用ANSYS軟件計算了在咬邊缺陷下結(jié)構(gòu)的應力和位移分布，以理想無焊接缺陷的管節(jié)點結(jié)構(gòu)作為比較基礎，對比分析了咬邊缺陷對相貫無縫鋼管的應力敏感度；在此基礎上，利用疲勞分析軟件對結(jié)構(gòu)在咬邊焊接缺陷下的疲勞特性進行分析，計算了該缺陷下結(jié)構(gòu)疲勞壽命以及裂紋發(fā)生的初始位置，分析了在咬邊缺陷對結(jié)構(gòu)疲勞壽命的影響度。

咬邊焊接缺陷；強度計算；壽命預估

0 引言

由相貫無縫鋼管構(gòu)成的管節(jié)點應用廣泛，其中許多結(jié)構(gòu)都會承受交變載荷，典型例子是海洋平臺結(jié)構(gòu)。其主體結(jié)構(gòu)均是由無縫鋼管構(gòu)成的管節(jié)點，且在整個服役期間內(nèi)會經(jīng)受多達108次的交變應力循環(huán)。同時，在采用焊接方式連接的過程中，不可避免的會產(chǎn)生焊接缺陷，而這些缺陷對結(jié)構(gòu)的應力敏感度和對結(jié)構(gòu)的疲勞壽命影響度還未從理論上進行量化分析[1]。

咬邊現(xiàn)象將減少管節(jié)點中撐管、弦管接頭處的實際有效截面積，同時在撐管或弦管的咬邊處會引起應力集中。因此對相貫無縫鋼管所構(gòu)成的管節(jié)點結(jié)構(gòu)在咬邊缺陷下進行強度應力計算和疲勞壽命預估是保證結(jié)構(gòu)安全可靠的基礎。

1 斷裂力學的Orowan理論

在格里菲斯理論的基礎上Orowan將其推廣到金屬材料中，Orowan理論指出裂紋擴展前在其尖端附件會產(chǎn)生一個塑性區(qū)，同時還認為[2]：

裂紋擴展單位面積時，內(nèi)力對塑性變形作的塑性功用Γ表示。以面積為A厚度為t的薄板為例：

若給定裂紋長度為a(其值為裂紋的1/2)，則臨界應力可描述為：式中γ為表面能密度。若給定應力，則可定出裂紋臨界尺寸為：

對于金屬材料，通常塑性功率Γ比γ大三個數(shù)量級，因而γ可忽略不計。則裂紋的臨界應力與臨界尺寸可寫成：

2 咬邊焊接缺陷下分析模型建立

為進行量化對比分析，需建立理想狀態(tài)下無焊接缺陷的相貫無縫鋼管管節(jié)點分析模型。為考慮分析結(jié)果的代表性，本文采用這樣的分析模型：相貫管節(jié)點結(jié)構(gòu)采用直撐管、斜撐管和弦管焊接連接，各參數(shù)滿足相關設計標準和規(guī)范的要求；同時焊接缺陷的尺寸為相關焊接規(guī)范和設計標準下的最大允許焊接缺陷尺寸。

圖2.1 管節(jié)點分析子模型

圖2.1中各參量的意義為：D為弦管直徑；T為弦管壁厚；d為撐管直徑；t為撐管壁厚；g為撐管之間的間隙；θ為撐管A、撐管C相對于弦管的傾斜角度，該參量是引起導管架平臺管節(jié)點載荷傳遞大小與類型不同的參量。

由于咬邊的疲勞機理是相同的，本論文在分析中限于有限元網(wǎng)格的劃分，論文中就僅考慮弦管處存在咬邊，以盡量形成網(wǎng)格更均勻的有限元模型。本文的建模方法是在ANSYS軟件的前處理器中利用實體建模的方法構(gòu)建模型，采用solid186單元離散結(jié)構(gòu)，形成有限元模型，限于篇幅就不列出有限元模型網(wǎng)格圖。

3 結(jié)構(gòu)靜態(tài)計算

分析結(jié)構(gòu)中弦管和撐管所選用的材料均為某型結(jié)構(gòu)鋼，材料參數(shù)為[3]：密度：7850 kg/mm3；彈性模量：2.06×105MPa；泊松比：0.27；抗拉強度：430MPa；屈服強度：345MPa。

對分析子模型進行施加在總體結(jié)構(gòu)中所受載荷及邊界條件，首先對理想焊接狀況下的無焊接缺陷管節(jié)點結(jié)構(gòu)進行強度計算，其分析結(jié)果為：

圖3.1 理想無焊接缺陷子模型應力圖

在理想焊接的無焊接缺陷情況下，相貫無縫鋼管構(gòu)成的管節(jié)點子模型在結(jié)構(gòu)載荷和自重下，最大應力為145.38MPa，發(fā)生在如圖中所示的A點。

施加同樣的載荷和邊界條件，對存在咬邊缺陷的子模型結(jié)構(gòu)進行分析，其計算結(jié)果為：結(jié)構(gòu)最大應力為230.478MPa，位于直撐管B與弦管的焊接結(jié)構(gòu)鞍點位置，且最大點位于鞍點位置的焊接咬邊中心。

通過計算，兩種情況下的子模型結(jié)構(gòu)中的弦管受力狀態(tài)均較撐管復雜，在撐管離焊接接頭最大距離為150mm的位置以外，撐管的應力基本就保持在40MPa以下。弦管在離焊接接頭處應力也隨之下降。

從應力最大值來看，咬邊焊接缺陷下的子模型結(jié)構(gòu)應力較無焊接缺陷增加85.10MPa，增加58.54％；且高應力區(qū)的波及范圍較無焊接缺陷下的子模型結(jié)構(gòu)大。

4 子模型結(jié)構(gòu)疲勞計算

利用疲勞分析軟件Fe-safe對結(jié)構(gòu)進行疲勞計算，該方法是在靜力計算的基礎上，通過指定疲勞載荷的循環(huán)特性、材料的疲勞參數(shù)等輸入條件[4]。

通過對其計算，在理想無焊接缺陷下的相貫無縫鋼管子模型結(jié)構(gòu)的疲勞壽命和疲勞壽命分布云圖為：

圖4.1 理想無焊接缺陷子模型疲勞壽命分布圖

其分析結(jié)果為，結(jié)構(gòu)的疲勞壽命為107次，即為無限壽命。

存在咬邊焊接缺陷的子模型結(jié)構(gòu)的疲勞壽命計算為：疲勞壽命為104.9473=88572次，結(jié)構(gòu)疲勞壽命薄弱處為直撐管B與弦管接頭處的焊接咬邊根部，并沿焊縫方向發(fā)展。

在分析子模型結(jié)構(gòu)的表面上疲勞裂紋的擴展方向是沿著咬邊缺陷的方向擴展，內(nèi)部擴展方向是由溝槽最深處沿弦管軸心方向擴展：如圖4.3所示：

5 結(jié)論

本文通過對咬邊缺陷下相貫無縫鋼管的子模型結(jié)構(gòu)進行靜力強度分析和疲勞壽命計算，其計算結(jié)果為：

1）咬邊焊接缺陷對結(jié)構(gòu)的應力敏感度較大，其最大應力上升了58.54％；且高應力區(qū)的波及范圍較無焊接缺陷下的子模型結(jié)構(gòu)大。

2）咬邊焊接缺陷對結(jié)構(gòu)的疲勞壽命影響非常大，該缺陷導致結(jié)構(gòu)的疲勞壽命急劇下降，其壽命值的影響度達到兩個數(shù)量級。從裂紋的擴展方向上來看：結(jié)構(gòu)的表面上疲勞裂紋的擴展方向是沿著咬邊缺陷的方向擴展，內(nèi)部擴展方向是由溝槽最深處沿弦管軸心方向擴展。

圖4.3 咬邊缺陷下結(jié)構(gòu)裂紋擴展方向

[1]劉建平.鋼管相貫節(jié)點的研究現(xiàn)狀和動向[J].鋼結(jié)構(gòu),2003(4),13-15

[2]李慶芬.斷裂力學及其工程應用[M].哈爾濱工程大學出版社,1998.08：21-30

[3]成大先主編；王德夫.姬奎生.韓學銓等副主編.機械設計手冊[M].化學工業(yè)出版社,2008.04

[4]劉建平.鋼管相貫節(jié)點的研究現(xiàn)狀和動向[J].鋼結(jié)構(gòu),2003(4),13-15

劉寧，（1986-），男，碩士研究生，安徽人，研究方向：在線檢測與裝備。