殘余應(yīng)力對水下耐壓結(jié)構(gòu)典型焊接接頭疲勞強度的影響

張沛心，李良碧

殘余應(yīng)力對水下耐壓結(jié)構(gòu)典型焊接接頭疲勞強度的影響

張沛心，李良碧

江蘇科技大學(xué)船舶與海洋工程學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江212003

水下耐壓結(jié)構(gòu)典型焊接接頭模型常采用高強度鋼建造，對焊接殘余應(yīng)力較為敏感，因此有必要針對殘余應(yīng)力對其疲勞強度的影響進行相關(guān)研究。采用ANSYS的APDL語言編程，通過數(shù)值模擬分析得到典型焊接接頭的焊接殘余應(yīng)力；并基于局部應(yīng)力—應(yīng)變法，對水下耐壓結(jié)構(gòu)典型焊接接頭考慮與不考慮殘余應(yīng)力這2種情況下結(jié)構(gòu)的疲勞壽命進行數(shù)值分析。研究發(fā)現(xiàn)：典型焊接接頭在凹錐面焊縫附近其殘余應(yīng)力最大，壽命最短；其壽命周期為104，屬低周疲勞范圍；隨著外載荷的增加，疲勞壽命最小值也隨之減小；殘余應(yīng)力的存在會明顯降低典型焊接接頭的疲勞壽命。

水下耐壓結(jié)構(gòu)；高強度鋼；焊接接頭；殘余應(yīng)力；疲勞強度；疲勞壽命；數(shù)值模擬

網(wǎng)絡(luò)出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1755.TJ.20150128.1201.004.html

期刊網(wǎng)址：www.ship-research.com

引用格式：張沛心，李良碧.殘余應(yīng)力對水下耐壓結(jié)構(gòu)典型焊接接頭疲勞強度的影響［J］.中國艦船研究，2015，10（1）：51-57，67. ZHANG Peixin，LI Liangbi.Influences of residual stress on the fatigue strength of the typical welded joint of the underwater pressure structure［J］.Chinese Journal of Ship Research，2015，10（1）：51-57，67.

0　引言

隨著海洋工程領(lǐng)域的快速發(fā)展，海洋資源的開發(fā)利用已逐漸由淺海向深海發(fā)展，水下耐壓結(jié)構(gòu)得到了越來越多的應(yīng)用。另外，隨著其作業(yè)深度的增加，對耐壓結(jié)構(gòu)強度的要求也越來越高。因此，在進行水下耐壓結(jié)構(gòu)的設(shè)計時，為滿足強度要求，越來越多的高強度鋼被應(yīng)用。但是，高強度鋼在水下耐壓結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用，在提高其承載能力的同時也帶來了疲勞方面的問題［1］。錐柱耐壓殼（圖1）常用于水下耐壓結(jié)構(gòu)的過渡部位，在其凸錐環(huán)焊縫處較易發(fā)生疲勞斷裂［2］：一方面，是因為此焊接部位常處于耐壓結(jié)構(gòu)幾何不連續(xù)的位置，易產(chǎn)生應(yīng)力集中；另一方面，由于高強度鋼在焊接過程中會產(chǎn)生較大的殘余應(yīng)力，當(dāng)其與外載荷產(chǎn)生的工作應(yīng)力相疊加時，將使結(jié)構(gòu)的焊接部位變得非常危險。因此，針對水下耐壓結(jié)構(gòu)焊縫處的典型焊接接頭模型，進行殘余應(yīng)力對疲勞強度影響的相關(guān)研究對評估水下耐壓結(jié)構(gòu)的安全性具有非常重要的意義。

圖1　錐柱耐壓殼及典型焊接接頭Fig.1　Cone-cylinder pressure hull and the typical welded joints

近年來，國內(nèi)外諸多學(xué)者針對焊接殘余應(yīng)力對疲勞強度的影響進行了研究。Paquet等［3］通過疲勞試驗研究了殘余應(yīng)力對不銹鋼焊接試件高周疲勞強度的影響；卞如岡等［4］針對錐柱結(jié)合殼處殘余應(yīng)力對疲勞壽命的影響進行了定量計算分析；黃小平等［5］提出了一種能考慮焊接殘余應(yīng)力影響的焊接結(jié)構(gòu)疲勞壽命的計算方法。

但是，此類研究大都是采用疲勞試驗的方法來考慮殘余應(yīng)力對疲勞強度的影響，試驗過程繁瑣且造價較高；而國內(nèi)外采用數(shù)值模擬方法進行的相關(guān)研究又大多集中于中、低強度鋼的高周疲勞強度研究［6-7］，針對殘余應(yīng)力對高強度鋼典型焊接接頭疲勞強度的影響研究卻很少。因此，本文將選取錐柱耐壓殼凸錐和凹錐環(huán)焊縫處的典型焊接接頭作為研究對象，采用數(shù)值模擬方法，針對典型焊接接頭殘余應(yīng)力對疲勞強度的影響進行研究分析，得到不同外載荷作用時考慮與不考慮殘余應(yīng)力這2種情況下典型焊接接頭的疲勞強度。本文的研究將明確高強度鋼焊接殘余應(yīng)力在水下耐壓結(jié)構(gòu)疲勞強度及疲勞壽命評估時的影響作用，可為下一步進行典型焊接接頭殘余應(yīng)力的試驗測量及其低周疲勞試驗奠定相關(guān)理論基礎(chǔ)。

1　有限元分析基本理論

1.1低周疲勞強度有限元分析理論基礎(chǔ)

疲勞強度分析的最終目的是確定結(jié)構(gòu)的疲勞壽命。水下耐壓結(jié)構(gòu)典型焊接接頭隨著工作循環(huán)次數(shù)的增大、構(gòu)件的復(fù)雜化和循環(huán)應(yīng)力的相對增大，會產(chǎn)生相當(dāng)數(shù)量的塑性變形，這就使得結(jié)構(gòu)的壽命相對降低，這種類型的疲勞通常稱為低周疲勞［8］。處理此類疲勞的方法稱作應(yīng)變壽命法或局部應(yīng)力—應(yīng)變法。

局部應(yīng)力—應(yīng)變法結(jié)合材料的循環(huán)應(yīng)力—應(yīng)變曲線，通過彈塑性有限元分析和其他計算方法，將構(gòu)件上的名義應(yīng)力譜轉(zhuǎn)換成危險部位的局部應(yīng)力—應(yīng)變譜，然后根據(jù)危險部位的局部應(yīng)力—應(yīng)變歷程估算壽命。局部應(yīng)力—應(yīng)變法的應(yīng)用需要材料的σ-ε曲線（應(yīng)力—應(yīng)變曲線）和ε-N曲線（應(yīng)變—壽命曲線）。

1）σ-ε曲線。

局部應(yīng)力—應(yīng)變法中，循環(huán)載荷下的應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系為［9］：

式中：ε為應(yīng)變；εe為彈性階段應(yīng)變；εp為塑性階段應(yīng)變；σ為應(yīng)力；E為彈性模量；K′為循環(huán)強度系數(shù)；n′為循環(huán)應(yīng)變硬化指數(shù)。

2）ε-N曲線。

局部應(yīng)力—應(yīng)變法中常用的ε-N關(guān)系式為Manson-Coffin公式［10］：

1.2殘余應(yīng)力有限元分析理論基礎(chǔ)

1.2.1焊接溫度場

焊接是金屬融化、冷卻、凝固和收縮的過程，因此，要預(yù)測焊接過程產(chǎn)生的殘余應(yīng)力和變形，首先需要明確接頭處溫度的變化。焊接過程是一種非線性高溫瞬態(tài)傳熱的過程，遵守能量守恒定律和傅立葉定理。由文獻［11］可知焊接過程的溫度控制方程為：

式中：-Q為求解域內(nèi)的熱源強度；T為溫度場分布函數(shù)；ρ，C，λ，t分別為材料的密度、比熱容、導(dǎo)熱率和傳熱時間，且ρ，C，λ都是隨溫度變化的參數(shù)；x，y，z為焊接件的空間坐標(biāo)。

1.2.2焊接應(yīng)力場

焊接應(yīng)力場彈塑性變形的根本原因是由于溫度場的存在，焊接殘余應(yīng)力的產(chǎn)生是由于在焊接過程中材料在高溫下發(fā)生了塑性變形。材料在塑性狀態(tài)的應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系為［11］：

式中：dσ為應(yīng)力增量；dε為應(yīng)變增量；dT為溫度增量；D為彈性或彈塑性矩陣；C為由材料性能隨溫度變化導(dǎo)出的向量。

2典型焊接接頭模型及載荷工況

2.1幾何模型

在制作典型焊接接頭時，選用與實際結(jié)構(gòu)相同的焊絲及施焊工藝?？紤]到錐柱耐壓殼結(jié)構(gòu)的特殊性，將板材進行對接焊；為了消除邊緣效應(yīng)對焊縫區(qū)域疲勞強度的影響，在遠離焊縫位置處進行切割與打磨，加工至如圖2所示的尺寸。

圖2模型幾何尺寸Fig.2　Dimesions of the model

2.2有限元模型

為了較準(zhǔn)確地模擬典型焊接接頭的試驗試件及焊接過程，并綜合考慮疲勞強度分析和殘余應(yīng)力分析這2個方面，對模型進行建模與網(wǎng)格劃分。在用有限元軟件MSC.Patran和ANSYS建立了有限元模型后，采用相同的方法劃分網(wǎng)格：

1）均選用六面體實體單元劃分網(wǎng)格，并采用由二維網(wǎng)格映射到三維網(wǎng)格的方法。

2）由于焊縫處為研究的重點部位，因此，焊縫附近應(yīng)力較集中區(qū)域的網(wǎng)格劃分應(yīng)比較密集，其網(wǎng)格大小為5 mm×5 mm×4.4 mm，而遠離焊縫區(qū)域的網(wǎng)格劃分則較稀疏。

3）根據(jù)高強度鋼厚板多層多道焊的焊接原理，將焊縫沿厚度方向分為5層［12］。有限元模型如圖3所示。

為便于后續(xù)表示，將典型焊接接頭焊縫的兩面分別定義為凸錐面和凹錐面（圖3）。對于水下耐壓結(jié)構(gòu)，典型焊接接頭的凸錐面表示耐壓結(jié)構(gòu)凸錐的外表面，凹錐面則表示凸錐的內(nèi)表面；對于耐壓殼的凹錐處，則反之。

圖3有限元模型Fig.3　Finite element model

2.3材料屬性

典型焊接接頭材料選用某高強度鋼，考慮到實際的焊接過程，選擇焊接材料時會盡量與母材相匹配，一般為相似相容的物質(zhì)。為了簡化有限元模擬方法并保證模擬的精度，本文假定焊縫材料與母材材料相同，物理特性取為一致。某高強度鋼的部分機械性能如表1所示。由于高強度鋼的相關(guān)疲勞性能參數(shù)未知，故對材料進行試驗獲得了其疲勞性能參數(shù)，如表2所示，其中，Kf為疲勞缺口系數(shù)。

表1某高強度鋼機械性能Tab.1Mechanical properties of high strength steel

表2某高強度鋼疲勞性能參數(shù)Tab.2Parameters of fatigue properties of high strength steel

2.4計算載荷

水下耐壓結(jié)構(gòu)在服役過程中，其凸錐折角的焊縫處承受較大的拉應(yīng)力，容易發(fā)生疲勞破壞。另外，由于本文選取的典型焊接接頭是要進行后續(xù)疲勞試驗的試件模型，考慮到目前疲勞試驗機的噸位問題，故暫不考慮周向應(yīng)力的影響，而主要模擬沿耐壓結(jié)構(gòu)軸向的應(yīng)力特點及焊接殘余應(yīng)力對疲勞的影響?；谝陨峡紤]，在模型右端面施加了軸向（即垂直焊縫方向）拉伸載荷，載荷作用面如圖3所示。載荷的大小由所研究典型焊接接頭的最大應(yīng)力決定。為確保本文的研究具有工程實用價值，本文選取典型焊接接頭最大軸向拉應(yīng)力σxmax分別為0.8σs，0.85σs，0.9σs和0.95σs時的4種危險工況進行疲勞壽命分析，這4種工況如表3所示。

表3　載荷工況Tab.3Loading conditions

3　不考慮殘余應(yīng)力時的疲勞強度分析

在典型焊接接頭疲勞強度研究中，較為傳統(tǒng)的方法主要是不考慮焊接殘余應(yīng)力對其疲勞強度的影響。因此，本文將參考文獻［13］中對高強度鋼疲勞強度的模擬方法，首先對不考慮殘余應(yīng)力時典型焊接接頭的疲勞強度進行有限元分析。

3.1應(yīng)力分析

首先，采用有限元分析求解器MSC.Nastran對典型焊接接頭模型不同外載荷作用下的應(yīng)力進行有限元分析，確定疲勞熱點部位。進行應(yīng)力分析時，在模型兩端角邊上分別施加不同的位移約束。模型左端：ux=uy=uz=0，θx=0；模型右端：uy=uz=0，并在模型右端面施加軸向拉伸載荷（圖3）。由于耐壓結(jié)構(gòu)凸錐處的軸向應(yīng)力σx是影響結(jié)構(gòu)疲勞強度的主要應(yīng)力，因此，本文在分析疲勞強度時將重點分析典型焊接接頭σx對疲勞壽命的影響。

進行有限元分析后，可得到σx的分布云圖。由于不同工況下的應(yīng)力分布云圖相似，故本文僅列舉工況1下σx的分布云圖，如圖4所示。

由圖4可以看出：

1）典型焊接接頭在凸錐面的焊縫附近表現(xiàn)為壓應(yīng)力，在凹錐面焊縫附近表現(xiàn)為拉應(yīng)力。應(yīng)力的最大值為拉應(yīng)力，出現(xiàn)在靠近載荷作用端凹錐面的焊縫附近，且越靠近焊縫區(qū)域，應(yīng)力梯度越大，而在遠離焊縫的區(qū)域，應(yīng)力梯度則較小。

圖4　工況1下的σx云圖Fig.4　The stress contours of x direction in condition 1

2）由于模型的幾何對稱性，典型焊接接頭的凹錐面表示錐柱耐壓殼結(jié)構(gòu)凸錐（圖1）的內(nèi)表面或凹錐的外表面，此處的焊縫及其附近區(qū)域是疲勞熱點區(qū)域，疲勞裂紋多在此處萌生并擴展，從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的失效斷裂。

3.2不考慮殘余應(yīng)力的疲勞熱點循環(huán)應(yīng)力

根據(jù)局部應(yīng)力—應(yīng)變法的基本原理，進行結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析后即可確定其疲勞熱點處的循環(huán)應(yīng)力。當(dāng)未考慮殘余應(yīng)力時，作用在典型焊接接頭模型上的疲勞熱點循環(huán)應(yīng)力最大值σmax即為模型在加載過程中的軸向應(yīng)力最大值，循環(huán)最小應(yīng)力σmin=0。將載荷形式設(shè)為鋸齒波，得到不同工況下典型焊接接頭疲勞熱點處的循環(huán)應(yīng)力曲線如圖5所示（本文只畫出了3個循環(huán)載荷下的應(yīng)力曲線，其余均相同）。

圖5　不考慮殘余應(yīng)力的疲勞熱點循環(huán)應(yīng)力曲線Fig.5　Cyclic stress curves of fatigue hot-spot without the residual stress

3.3疲勞壽命云圖

本文基于局部應(yīng)力—應(yīng)變法，對典型焊接接頭的疲勞壽命進行數(shù)值預(yù)報。將MSC.Nastran的應(yīng)力計算結(jié)果導(dǎo)入MSC.Fatigue中，設(shè)置求解參數(shù)：輸入表1和表2中的各項參數(shù)和疲勞熱點循環(huán)應(yīng)力曲線后，對典型焊接接頭模型進行疲勞強度分析。

進行有限元分析后，得到不同工況下典型焊接接頭的疲勞壽命分布云圖。由于各工況下的結(jié)果云圖相似，故本文僅列舉出了工況1的疲勞壽命云圖，如圖6所示（圖中量值單位為MPa）。

圖6　工況1的疲勞壽命云圖Fig.6　Fatigue life contours of condition 1

由圖6可以看出：

1）典型焊接接頭在不同工況下的疲勞壽命最小值均發(fā)生在焊接接頭凹錐面的焊縫附近區(qū)域處，此處即為模型首先發(fā)生疲勞斷裂的區(qū)域。

2）結(jié)合圖4可知，凹錐面焊縫附近的軸向拉應(yīng)力值最大。由此可見，對于此類呈一定角度的對接焊的典型焊接接頭，焊縫處的軸向拉應(yīng)力是影響結(jié)構(gòu)疲勞壽命的危險應(yīng)力。

3.4不考慮殘余應(yīng)力時的疲勞壽命

不同工況下的疲勞壽命計算結(jié)果如表4所示。為清楚地表示典型焊接接頭疲勞壽命隨載荷的變化率，將表4中的結(jié)果繪制成了曲線，如圖7所示。

表4　有限元分析結(jié)果Tab.4Results of finite element analysis

圖7　不考慮殘余應(yīng)力時的疲勞壽命曲線Fig.7　Fatigue life curve without residual stress

由表4和圖7可以看出：

1）隨著外載荷的變化，典型焊接接頭疲勞壽命的變化較大，隨著外載荷的增加，疲勞壽命最小值隨之減少。

2）外載荷越小，疲勞壽命的變化幅度越大，當(dāng)外載荷引起的最大應(yīng)力為0.8σs和0.85σs這2種工況下時，疲勞壽命的變化幅度最大。

3）本文研究的典型焊接接頭的疲勞壽命周期為104次，為典型的低周疲勞，因此，本文基于局部應(yīng)力—應(yīng)變法計算高強度鋼典型焊接接頭疲勞壽命的方法是合理可行的。

4　考慮殘余應(yīng)力時的疲勞強度分析

4.1初始焊接殘余應(yīng)力

本文參考文獻［12］中高強度鋼厚板多層多道焊殘余應(yīng)力的模擬方法，基于熱—彈塑性理論，采用有限元軟件ANSYS的APDL語言編制焊接殘余應(yīng)力數(shù)值模擬程序，對典型焊接接頭的初始焊接殘余應(yīng)力以及施加不同外載荷后的焊接殘余應(yīng)力進行模擬計算。

模擬過程中，采用生死單元技術(shù)模擬多道焊的焊接過程，為減少焊接變形，對5層焊道采用中間—正—反—正—反的交替焊的焊接順序。并采用間接耦合法進行數(shù)值模擬分析，即先進行熱分析，然后將熱分析單元Solid 70轉(zhuǎn)化為結(jié)構(gòu)分析單元Solid 45，進行結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析。進行有限元模擬后，得到典型焊接接頭焊縫附近的軸向初始焊接殘余應(yīng)力σ的分布規(guī)律如圖8所示。

圖8　初始焊接殘余應(yīng)力Fig.8　The initial residual stresses

由圖8可以看出：

1）典型焊接接頭的軸向初始焊接殘余應(yīng)力在焊縫附近處較大，且在凹錐面焊縫附近為焊接殘余拉應(yīng)力，在凸錐面焊縫附近為焊接殘余壓應(yīng)力。

2）殘余應(yīng)力最大值出現(xiàn)在凹錐面焊縫附近，為453.1 MPa的拉應(yīng)力，約為0.53σs。結(jié)合圖4可知，若結(jié)構(gòu)的工作應(yīng)力與焊接殘余應(yīng)力相疊加，將使結(jié)構(gòu)凹錐面焊縫處變得更加危險。

4.2施加不同外載后的殘余應(yīng)力

典型焊接接頭的焊接過程結(jié)束后，在其一端加軸向拉伸載荷，載荷的大小及作用方式與不考慮殘余應(yīng)力時的4種工況相同。在加載過程中，由載荷引起的結(jié)構(gòu)應(yīng)力將與焊接殘余應(yīng)力相疊加從而產(chǎn)生一個總的結(jié)構(gòu)應(yīng)力；當(dāng)外載荷撤銷后，焊接殘余應(yīng)力會因為結(jié)構(gòu)的局部塑性變形而得到一定程度的釋放，外載荷越大，殘余應(yīng)力釋放得越多，但釋放后殘余應(yīng)力的數(shù)值仍較大。有限元模擬結(jié)果如表5所示。

表5　不同外載荷下軸向焊接殘余拉應(yīng)力最大值Tab.5Maximum axial welding residual stresses under different loads

4.3考慮殘余應(yīng)力時的疲勞熱點循環(huán)應(yīng)力

根據(jù)局部應(yīng)力—應(yīng)變法的基本原理和初始殘余應(yīng)力的研究結(jié)果可知，在考慮殘余應(yīng)力對低周疲勞強度的影響時，典型焊接接頭的疲勞熱點循環(huán)應(yīng)力會發(fā)生改變。由有限元分析結(jié)果可知：在考慮殘余應(yīng)力時，疲勞循環(huán)載荷作用下的循環(huán)最大應(yīng)力σmax即為加載過程中由疲勞載荷引起的、結(jié)構(gòu)應(yīng)力與焊接殘余應(yīng)力相疊加產(chǎn)生的總的軸向結(jié)構(gòu)應(yīng)力的最大值，循環(huán)最小應(yīng)力σmin即為疲勞載荷作用后典型焊接接頭軸向焊接殘余應(yīng)力的最大值。

各工況下的疲勞熱點循環(huán)應(yīng)力大小如表5所示。將載荷形式仍設(shè)為鋸齒波，在不同工況下，典型焊接接頭疲勞熱點處的循環(huán)應(yīng)力曲線如圖9所示。

4.4考慮殘余應(yīng)力時的疲勞壽命

將考慮殘余應(yīng)力時的疲勞熱點循環(huán)應(yīng)力曲線輸入MSC.Fatigue中，用Intiation模塊再次對典型焊接接頭進行疲勞強度分析，得到考慮殘余應(yīng)力時典型焊接接頭的疲勞壽命如表6所示。

由表6可以看出，當(dāng)考慮殘余應(yīng)力時，典型焊接接頭的疲勞壽命隨著外載荷的增加逐漸減小，疲勞壽命周期仍為104次。

圖9　考慮殘余應(yīng)力的疲勞熱點循環(huán)應(yīng)力曲線Fig.9　Cyclic stress curves of fatigue hot-spot with the residual stress

序號工況1工況2工況3工況4外載荷最大值Fmax/t 12.5 13.1 13.8 14.5壽命L/次2.18×1041.79×1041.56×1041.39×104

4.5結(jié)果對比及分析

為了分析殘余應(yīng)力對典型焊接接頭疲勞強度的影響，將表4和表6的疲勞壽命結(jié)果分別繪制成曲線進行對比，如圖10所示。

圖10　疲勞壽命結(jié)果對比Fig.10　Comparison of the fatigue life results

由圖10可以看出：

1）在不同外載荷作用下，典型焊接接頭的疲勞壽命變化規(guī)律大致相同，疲勞壽命均隨著外載荷的增加而減小。

2）當(dāng)外載荷大小相同時，與不考慮焊接殘余應(yīng)力時的疲勞壽命相比，考慮焊接殘余應(yīng)力時的疲勞壽命明顯要低。因此，在評估水下耐壓結(jié)構(gòu)典型焊接接頭的疲勞強度時，需要考慮焊接殘余應(yīng)力的影響。

5　結(jié)論

本文針對水下耐壓結(jié)構(gòu)典型焊接接頭殘余應(yīng)力對疲勞強度的影響進行了數(shù)值模擬研究，主要得到以下結(jié)論：

1）對于本文所研究的水下耐壓結(jié)構(gòu)典型焊接接頭，在不同軸向拉應(yīng)力的作用下，應(yīng)力最大值為拉應(yīng)力，發(fā)生在凹錐面的焊縫附近區(qū)域，此處同時也是焊接殘余拉應(yīng)力最大值發(fā)生的位置；在不同外載荷作用下，焊接接頭疲勞壽命最小值均發(fā)生在此處。

2）軸向拉應(yīng)力是影響典型焊接接頭疲勞壽命的主要應(yīng)力。典型焊接接頭凹錐面（即錐柱耐壓殼凸錐的內(nèi)表面與凹錐的外表面）的焊縫附近區(qū)域應(yīng)作為水下耐壓結(jié)構(gòu)疲勞強度研究的熱點區(qū)域。

3）典型焊接接頭的疲勞壽命周期為104次，屬低周疲勞，此數(shù)值可為預(yù)測水下耐壓結(jié)構(gòu)的疲勞壽命提供參考。

4）典型焊接接頭在考慮焊接殘余應(yīng)力時，其疲勞壽命與不考慮焊接殘余應(yīng)力時的相比明顯小。因此，對于此類高強度鋼的典型焊接接頭，在進行疲勞強度分析時需考慮殘余應(yīng)力的影響。

5）但由于典型焊接接頭模型并不能完全反映水下耐壓結(jié)構(gòu)的真實應(yīng)力狀態(tài)，因此，在后續(xù)的研究中應(yīng)逐步明確典型焊接接頭的應(yīng)力狀態(tài)與耐壓結(jié)構(gòu)真實應(yīng)力狀態(tài)之間的關(guān)系，以便對水下耐壓結(jié)構(gòu)的疲勞強度做進一步的研究。

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［責(zé)任編輯：盧圣芳］

Influences of Residual Stress on the Fatigue Strength of the Typical Welded Joint of the Underwater Pressure Structure

ZHANG Peixin，LI Liangbi
College of Marine and Shipbuilding Engineering，Jiangsu University of Science and Technology，Zhenjiang 212003，China

The Typical welded joint of the underwater pressure structure is often built with high strength steel that is sensitive to residual stress.Therefore，it is necessary to study the influences of residual stress on the fatigue strength of the typical welded joint.In this paper，numerical simulation on the welding residu?al stress of the typical welded joint is conducted based on the ANSYS APDL language.Then，using the lo?cal stress-strain method，the numerical analysis for the fatigue strength in both cases of ignoring and con?sidering the residual stress is carried out.The results show that the maximum residual stress and the short?est life cycle of the joint both occur near the welding line of the concave cone.Specifically，the fatigue life cycles are 104，which belongs to the category of low-cycle fatigue.Meanwhile，the fatigue life decreases as the fatigue load increases，which indicates that the existence of the residual stress reduces the fatigue life of the typical welded joint significantly.

underwater pressure structure；high strength steel；welded joint；residual stress；fatigue strength；fatigue life；numerical simulation

U661.4

A

10.3969/j.issn.1673-3185.2015.01.008

2014-06-16

網(wǎng)絡(luò)出版時間：2015-1-28 12:01

國家自然科學(xué)基金資助項目（51479084，51109110）；國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃（973計劃）資助項目（2013CB036100）

張沛心，女，1991年生，碩士生。研究方向：焊接結(jié)構(gòu)的疲勞強度。E?mail：JUSTZPX@sina.com

李良碧（通信作者），女，1971年生，博士，副教授。研究方向：焊接殘余應(yīng)力及疲勞強度。E?mail：liniangbi@163.com