浅析基于损伤力学的焊接结构性能分析

(重庆交通大学研究生部土木工程学院 重庆 400074）

浅析基于损伤力学的焊接结构性能分析

姚 茜

(重庆交通大学研究生部土木工程学院 重庆 400074）

由于焊接是一个局部快速加热到高温,并随后快速冷却的过程。焊接过程中产生的焊接应力和变形会影响焊接结构的刚度和稳定性，焊接过程中的局部高温会改变母材的材料组织，影响其疲劳强度、抗脆断和耐腐蚀能力。从损伤力学理论出发，在考虑焊接损伤的作用下，总结分析焊接残余应力对焊接结构性能的影响。

焊接；损伤，焊接残余应力；结构性能

1 引言

焊接作为钢结构中的主要连接形式。它造型美观，施工方便，且具有不削弱构件截面,节省钢材,连接的密封性好,刚度大,便于采用自动化生产等优点。近年来,随着焊接材料的发展,焊接技术和焊接工艺的日趋成熟,焊接结构的大型化发展，焊接结构己日益广泛地应用于工业,船舶,建筑,桥梁等各重大建设中。但是焊接是一个局部快速加热到高温,并随后快速冷却的过程。随着热源的移动,整个焊件的温度随时间和空间急剧变化,材料的物理性能参数也随温度剧烈变化,同时还存在熔化和相变时的潜热现象。

既有研究表明，焊接过程中产生的焊接应力和变形会影响焊接结构的刚度和稳定性，焊接过程中的局部高温会改变母材的材料组织，影响其疲劳强度、抗脆断和耐腐蚀能力。所以，焊接结构焊接损伤有时即成为结构坍塌的诱因。如牛萌在介绍国外统计的钢结构工程坍塌事故时发现，19%~27%的事故是由于节点处连接破坏造成的（图1-1）【1】。国内某焊接空心球网架塌落事故分析时也发现，结构破坏主要是因为杆件与焊接球连接焊缝处严重腐蚀(图1-2)，导致节点失效而引起了结构整体坍塌【2】。所以焊接结构焊接时产生的损伤节结构性能的影响不容忽视。

图1 -1

图1 -2

2 损伤力学理论

损伤是指冶炼、冷热工艺过程或荷载、温度、环境等的作用下,使材料的微结构发生变化,引起微缺陷成胚、孕育、扩展和汇合,导致材料宏观力学性能的劣化,最终形成宏观开裂或材料破坏。对于焊接球结构,可能存在微宏观的诸如微裂纹、咬边、残余应力等多种损伤。

为描述受损材料的力学效应,可根据材料内部存在的微细观缺陷特征引入损伤变量，。但损伤变量的定义需要一定的尺度,在宏观上,基于连续力学方法,研究固体材料中的一微小代表体元,该体元在宏观上是物质点比工程构件尺寸小很多,但又不是微结构,同时构件的质量、应变、应力、温度、损伤等参量实际上是非连续的,所取的代表体元需要足够多的微结构以考察体元内各物理平均行为与响应Kachanov【3】和Rabotnov【4】最初提出了损伤变量的概念,并定义了损伤参数w表示为：

其中，y为连续因子，A为受损后的表观面积；Aeff为有效面积。Aw为横截面出现空隙的总面积。

Lemaitre提出了“损伤仅通过有效应力影响（改变）材料的变形”的应变等效原理，则损伤变量可以通过材料弹性模量的变化来测定，

对于弹塑性损伤，Chaboche【5】建议用单向拉伸的卸载弹性模量来定义有效弹性模量。则上式（1-2）可以表示为

对于焊接残余应力损伤,虽然应力在焊件中分布的受许多的因素影响,但其损伤变量同样可表述为只通过有效应力来影响材料的变形,其损伤变量可用（1-3）来表示。

3 焊接残余应力对焊接结构的影响

焊接残余应力及其对连接的影响一直是国内外学者的研究热点。Osgood最早于上世纪二三十年代开始了对焊接残余应力和残余变形的研究【6】，我国也于上世纪六十年代开始参与焊接方面的研究。随后，研究者致力于焊接残余应力和残余变形产生机理的研究，积极探索调整和控制焊接残余应力与变形的有效措施。葛明兰总结分析了残余应力对焊接结构的刚度、受压杆件稳定性、静载强度、疲劳强度、构件脆性、焊件加工精度和尺寸稳定性等方面产生的影响，并总结和展望了国内外关于焊接残余应力的研究【7】。林燕系统总结了在焊接过程中产生的动态应力应变及随后形成的残余应力,是影响致焊接裂纹和接头性能重要因素。在焊接残余应力的研究方法方面，由于分析时未能考虑节点内的焊接残余应力以及由于焊接对节点产生的材料损伤，所以出现不同程度的分析结果与试验结果不相符。所以讨论焊接不均匀温度场引起的损伤对节点各项性能的影响十分必要。

4 基于损伤力学的力学分析

袁志军在考虑焊接损伤的作用下，分析了焊接残余应力对焊接结构性能的影响。即将焊接模拟所产生的残余应力作为初始应力加入到模型中,考察有无初始应力条件下的焊接件的静力受力性能和节点位移变形。得到有无焊接残余应力对焊接球节点的承载能力没有影响，而有焊缝残余应力的球节点最大位移以及相同部分球相应位移均比无残余应力情况大,即说明焊接残余应力使试件刚度减小。白凡借助有限元软件ABAQUS的UMAT二次开发平台,研究了厚钢板的残余应力与累积损伤对构件及结构的静力性能和动力学性能的影响。结果表明,焊接残余应力虽然可使得构件提前进入塑性,但由于塑性重分布的作用,焊接残余应力对结构的承载能力的影响很小。而材料累积损伤会严重影响构件及结构的刚度，一定程度上引起刚度的退化。在残余应力与损伤的共同作用下会对结构的动力性能产生影响。揭志羽基于损伤力学研究了焊接损伤对焊接结构疲劳寿命的影响，引入了损伤变量—裂纹尺寸，从初始损伤的角度提出了疲劳寿命折减系数的概念。

综上，从损伤力学的角度出发，焊接损伤对焊接结构的性能影响是不容忽视的，特别是焊接残余应力对焊接结构刚度的影响很大。损伤也会严重影响焊接结构的疲劳寿命。

[1]牛萌. 大跨度网架工程坍塌分析及处理研究[D]. 南京: 东南大学,2009.

[2] 葛娈. 某焊接空心球网架车间坍塌事故分析[D]. 太原: 太原理工大学, 2014.

[3]Kachanov L M. Rupture Time Under Creep Conditions[J]. International Journal of Fracture, 1999, 97(1):11-18.

[4] Rabotnov Y N. Creep rupture[J]. 1969:342-349.

[5] Chaboche J L. Continuum Damage Mechanics: Part I—General Concepts[J]. Journal of Applied Mechanics, 1988, 55(1):59-64.

[6] OSGOOD W F. Mechanics[M]. Crawford: Crawford Press, 2007.

[7]葛明兰,鲁家晟. 焊接残余应力对焊接结构的影响[J]. 福建建筑,2010(7): 50-52.

G322

B

1007-6344（2017）06-0313-01