基于有限元非承重十字焊接接頭在單側(cè)加固下的應(yīng)力強(qiáng)度分析

陳興云

（唐山工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河北 唐山063020）

0 前言

焊接接頭處裂紋擴(kuò)展是焊接結(jié)構(gòu)疲勞破壞主要因素[1]，傳統(tǒng)的焊接鋼板、鉚接以及螺栓連接均可以改善缺陷處受力，最終減緩裂紋擴(kuò)展。傳統(tǒng)的加固方法由于焊接接頭形狀復(fù)雜而導(dǎo)致一系列新的問題出現(xiàn)。CFRP具有比模量高和比強(qiáng)度、耐腐蝕等優(yōu)點，目前利用CFRP加固鋼接頭是一種行之有效的方法。

國內(nèi)外已經(jīng)對利用CFRP加固鋼接頭做了大量研究，結(jié)果表明[2-4]：通過有限元軟件分析裂紋尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子Kl是可行的；利用CFRP單側(cè)、雙側(cè)加固帶有初始微裂紋的鋼板，單側(cè)效果比雙側(cè)加固的效果差；單側(cè)焊趾初裂紋雙側(cè)對稱CFRP加固可以極大降低裂紋應(yīng)力強(qiáng)度因子Kl。在此基于機(jī)械結(jié)構(gòu)有限元分析，重點研究材料彈性模量、CFRP層數(shù)、初始裂紋深度對帶有雙側(cè)焊趾初裂紋非承重十字焊接接頭的單側(cè)加固效果，并利用有限元軟件分析模擬。

1 建立有限元模型

利用ABAQUS軟件建立相應(yīng)有限元模型，對1、3、5層CFRP單側(cè)加固進(jìn)行模擬分析。裂紋尖端處應(yīng)力強(qiáng)度因子Kl也通過軟件相應(yīng)被計算出來。

1.1 模型幾何尺寸

十字焊接接頭尺寸見圖1，焊接接頭包括一塊水平鋼板、兩塊上下對稱等尺寸對焊鋼板，具體數(shù)據(jù)為：水平鋼板厚度T=8 mm、對焊鋼板厚度t=8 mm，水平鋼板寬度L=40 mm；焊腳夾角θ=45°，長度 H=W=6 mm。上、下側(cè)焊趾分別有長度為a、b的垂直微裂紋；試件表面有厚度0.170 mm的CFRP布，其中黏結(jié)劑厚度0.55 mm。簡化接頭為二維平面應(yīng)變，依據(jù)對稱性，建立一半有限元模型。

圖1 焊接接頭幾何尺寸

1.2 單元選取、網(wǎng)格劃分和本構(gòu)關(guān)系

選擇CPE8R類型單元建立有限元模型，模型初裂紋附近需要人工劃分尺寸為0.01 mm的網(wǎng)格，其他區(qū)域用自動劃分網(wǎng)格法劃分尺寸為0.15mm的網(wǎng)格。設(shè)置鋼板、黏結(jié)劑和CFRP布為理想彈性材料，其中鋼板、CFRP、黏結(jié)劑的彈性模量分別為2.04×105MPa、2.5×105MPa、3×103MPa，鋼板、CFRP、黏結(jié)劑的泊松比均為0.3。

1.3 邊界條件及荷載條件

限制半結(jié)構(gòu)模型左側(cè)水平、豎直位移，右側(cè)水平鋼板受到大小100 MPa、方向水平向右的均布荷載作用，采用綁定約束（Tie）來綁定黏結(jié)劑和CFRP，有限元分析模型如圖2所示。

圖2 典型的有限元模型和裂紋附近網(wǎng)格劃分

2 模擬結(jié)果和分析

2.1 有限元分析結(jié)果

校核建立的有限元模型，將沒有CFRP加固的焊接接頭模擬結(jié)果與理論解對比，共同分析尖端處kl受到裂紋A初始深度的影響。對比結(jié)果如圖3所示，有限元模擬結(jié)果與理論解基本一致，因此采用有限元分析裂紋尖端處應(yīng)力強(qiáng)度因子是可行的。

圖3 有限元分析結(jié)果和理論解對比

2.2 裂紋尖端處應(yīng)力強(qiáng)度因子影響因素分析

圖4為出裂紋尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子K1隨CFRP加固焊接接頭層數(shù)變化情況。圖4a、圖4b為單側(cè)加固時受到上側(cè)CFRP層數(shù)影響情況；圖4c、圖4d為單側(cè)加固時，增貼1層CFRP在下側(cè)后K1受到上側(cè)CFRP層數(shù)影響情況。圖4中，裂紋A、B初始深度與水平鋼板厚度的比值分別用a/T、b/T表示，CFRP和黏結(jié)劑的彈性模量分別用ECFRP、EAd表示。圖4a中，在a/T=0.3、粘貼1、3、5層CFRP在上側(cè)時，裂縫 A 尖端K1與未加固試件相比分別減小26.21%、35.89%和41.08%。因而粘貼CFRP能夠降低A尖端K1，且降低程度隨著層數(shù)增多而不斷加大。圖 4b中，在a/T=0.3、粘貼1、3、5層CFRP在上側(cè)時，裂縫B尖端K1與未加固試件相比分別增加131.68%、193.60%和230.39%。因而粘貼CFRP能夠增加B尖端K1，且增加程度隨著上側(cè)CFRP層數(shù)的增加而不斷加大。水平鋼板的中性軸位置因為CFRP存在而發(fā)生改變，引起次彎矩所致。圖4c中，在a/T=0.3、粘貼1、3、5層CFRP 在上側(cè)時，裂紋A尖端K1與未加固試件相比分別降低25.10%、35.01%和40.60%，數(shù)值上接近圖4a中K1降低程度。圖4d中，在a/T=0.3，粘貼1、3、5層CFRP在上側(cè)時，裂紋B 尖端處K1與未加固試件相比分別增加98.32%、153.32%和186.78%，明顯小于圖4b中K1的增大值。

CFRP布加固前、后不同初始深度裂紋尖端K1變化如圖5所示。由圖 5a、圖5b可知，粘貼3層CFRP在上側(cè)，b/T 為 0.05，a/T 為 0.20、0.30、0.40 和 0.50時，裂紋A尖端與a/T=0.1相對比分別增加37.40%、77.31%、119.98%和162.51%，裂紋B尖端K1與a/T=0.1相比分別降低11.81%、15.82%、21.01%和27.17%。裂紋A尖端K1隨a/T的增大而增大，裂紋B尖端K1隨a/T的增大而減小。隨著a/T增加，無CFRP加固的兩側(cè)裂紋尖端K1變化率增加。隨a/T的增加，上側(cè)粘貼3層CFRP的兩側(cè)裂紋尖端K1變化率基本無變化。由圖5c、圖5d可知，粘貼3層CFRP在上側(cè)，a/T=0.3，b/T 為 0.10、0.15、0.20 和 0.25 時，裂紋 A尖端 K1與b/T=0.05相比分別降低11.80%、15.79%、20.89% 和27.21%，裂紋 B尖端K1與b/T=0.05相比分別增加46.52%、83.70%、125.99%和175.50%。裂紋A尖端K1隨b/T增大而減小，裂紋B尖端K1隨b/T增大而增大。

通過設(shè)置有限元模型CFRP、黏結(jié)劑的材料不同屬性，研究彈性模量不同的加固材料對焊接接頭裂紋尖端的影響。CFRP、黏結(jié)劑彈性模量對影響如圖6、圖7所示。由圖6a可知，a/T為0.3、CFRP彈性模量 ECFRP分別取 2.0×105MPa、2.5×105MPa、4.0×105MPa、6.0×105MPa 時，裂紋 A 尖端 Kl與未加固相比減小39.78%、41.10%、43.69%、45.67%。裂紋A尖端Kl隨 CFRP彈性模量增加而減小。由圖 6b可知，a/T=0.3，ECFRP取 2.0×105MPa、2.5×105MPa、4.0×105MPa、6.0×105MPa 時，裂紋 B 尖端 Kl與未加固相比增大223.14%、231.001%、245.06%、257.87%。裂紋B尖端Kl隨CFRP彈性模量的增加而增大。

圖4 CFRP層數(shù)對影響

由圖7a可知，a/T為0.3、黏結(jié)劑彈性模量EAd取2.0×103MPa、3.0×103MPa、5.0×103MPa、7.0×103MPa、9.0×103MPa時，裂紋 A尖端Kl與未加固相比減小35.51%、41.21%、48.11%、52.51%、55.45%。裂紋A尖端Kl隨EAd增加而減小。由圖7b可知，a/T為0.3，EAd分別取 2.0×103MPa、3.0×103MPa、5.0×103MPa、7.0×103MPa、9.0×103MPa時，裂紋 B 尖端 Kl與未加固相比增大199.59%、230.40%、268.10%、291.10%、307.11%。裂紋B尖端Kl隨EAd增加而增大。裂紋A、B尖端Kl多少受到CFRP、黏結(jié)劑彈性模量的影響，但是黏結(jié)劑的附著應(yīng)力會隨著黏結(jié)劑彈性模量的增加而減小，最終導(dǎo)致接頭黏結(jié)失效。在選擇材料的彈性模量時要綜合考慮其加固與失效的影響，以便選取合適的材料。

圖5 初始裂紋深度對K1影響

圖6 CFRP彈性模量對影響曲面（5層 CFRP）

圖7 黏結(jié)劑彈性模量對影響曲面（5層CFRP）

3 結(jié)論

CFRP層數(shù)能增大未加固側(cè)裂紋尖端Kl，降低加固側(cè)裂紋尖端Kl。增補(bǔ)1層CFRP會或多或少地降低未加固側(cè)Kl；增加初始裂紋深度會降低異側(cè)裂紋尖端Kl，增加同側(cè)裂紋尖端Kl。CFRP加固會降低初始裂紋深度對Kl的影響，加固層數(shù)對其幾乎不影響；CFRP、黏結(jié)劑彈性模量的增加會降低加固側(cè)裂紋尖端Kl，增大未加固側(cè)裂紋尖端Kl；單側(cè)CFRP加固需要同時考慮加固側(cè)、未加固側(cè)裂紋尖端變化。

[1]鄭云，葉列平，岳清瑞.FRP加固鋼結(jié)構(gòu)的研究進(jìn)展[J].工業(yè)建筑，2008，35（8）：20-25，34.

[2]劉俊建，陳國宏，余新海，等.T92/HR3C異種鋼焊接接頭的組織結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能[J].材料熱處理學(xué)報，2011，（2）：54-60.

[3]陳忱，王少剛，俞曠.304L/SA516Gr70不銹鋼復(fù)合板焊接接頭的組織與性能分析[J].電焊機(jī)，2011，41（10）：88-91.

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