不同載荷次序下焊接油管的疲勞壽命研究

孫林凱，楊珺柳，呂堂祺

（1. 海軍裝備部駐上海地區(qū)第三軍事代表室，上海 200031；2. 上海船舶設(shè)備研究所，上海 200031）

0 引言

焊接油管的結(jié)構(gòu)相對簡單，但由于油管總長度至少為20 m，最長可達到100多米，而油管在調(diào)距及穩(wěn)距過程中都起到了關(guān)鍵作用，焊接油管的疲勞壽命問題已成為調(diào)距槳裝置壽命分析中不可忽視的重要問題。油管的表面有一段焊接部位，在實際使用過程中出現(xiàn)過斷裂情況。焊接油管均采用手動焊接工藝，再考慮到焊接過程中環(huán)境、溫度的影響，必定存在著焊接過程中會有一定缺陷的焊縫現(xiàn)象，焊接油管在重復(fù)調(diào)距穩(wěn)距過程中，不斷的承受一定的交變載荷，經(jīng)過無數(shù)個周期循環(huán)，肉眼無法觀測的缺陷就會形成疲勞裂紋，最終焊接油管將在薄弱點位置形成斷裂。相關(guān)資料表明，疲勞破壞約占機械損壞事故的50%～90%[1]。隨著工業(yè)的不斷發(fā)展，除了少部分的機構(gòu)在作業(yè)過程中受到恒幅載荷，絕大多數(shù)零件或構(gòu)件在工作過程中承受的是變幅載荷或者更為復(fù)雜的隨機載荷，例如飛機、船舶、發(fā)電設(shè)備和工程機械等，不同時間下的受力特征較為復(fù)雜，零件壽命估算的難度也增大。為準(zhǔn)確估算焊接油管的疲勞壽命，研究其疲勞特性，考慮到焊接油管在作業(yè)時可能同時受到2個及2個以上的應(yīng)力，估算其疲勞壽命不僅需要借助于S-N曲線還需要相應(yīng)的疲勞累積損傷模型。

1 S-N 曲線法

1.1 焊接油管材料的S-N 曲線

焊接結(jié)構(gòu)的疲勞分析方法主要有4種：名義應(yīng)力法、熱點應(yīng)力法、熱點應(yīng)變法和斷裂力學(xué)方法[2]，本文采用名義應(yīng)力法來估算焊接油管的壽命。圖1為帶系數(shù)的傳統(tǒng)S-N曲線，以循環(huán)次數(shù)N為橫坐標(biāo)，所受應(yīng)力σ為縱坐標(biāo)，傳統(tǒng)的S-N曲線缺點在于并沒有對超高周疲勞壽命進行修正，認為所承受的橫幅載荷在容許應(yīng)力值[σ0]以下該構(gòu)件的疲勞壽命趨于無窮大。

圖1 傳統(tǒng)S-N 曲線圖

但實際情況下小于[σ0]的疲勞應(yīng)力也會對結(jié)構(gòu)造成破壞，繼而影響結(jié)構(gòu)的疲勞壽命。英國BS 5400規(guī)范推薦的S-N曲線修正方法見圖2，圖2中Δσ1為原S-N曲線對應(yīng)的常幅疲勞應(yīng)力臨界值，N1為常幅疲勞應(yīng)力臨界值作用下的疲勞壽命。該方法認為，小于Δσ1的疲勞應(yīng)力也能造成結(jié)構(gòu)或構(gòu)件損傷，但損傷程度顯然小于Δσ1以上疲勞應(yīng)力造成的結(jié)構(gòu)疲勞損傷。因此，小于Δσ1的部分其S-N曲線的負斜率由原來的1/m修改為1/(m＋2)[3]。另外S-N曲線還可選用IIW標(biāo)準(zhǔn)，見圖3。

圖2 英國S-N 曲線修正方法

圖3 BSI 標(biāo)準(zhǔn)曲線

不同結(jié)構(gòu)形式、不同材料選擇都會影響S-N曲線的最終形態(tài)[4-5]，在材料特性上引起不同的主要因素在于破斷強度、材料韌性和屈服強度等，結(jié)構(gòu)的形式以及工藝質(zhì)量也是改變構(gòu)件壽命的重要因素，如：焊接和切割引起的殘余應(yīng)力等。

1.2 Corten-Dolan 理論

Corten-Dolan理論是以試驗為基礎(chǔ)的非線性累積損傷理論，該理論認為疲勞損傷可擬合成裂紋的累積聯(lián)合，與損傷核心數(shù)和裂紋擴展速度有關(guān)，其中：應(yīng)力的大小決定損傷核心的數(shù)目；載荷循環(huán)數(shù)決定裂紋的擴展速度。Corten-Dolan準(zhǔn)則的表達式為式中：N為多級載荷下直到破壞的總循環(huán)數(shù)；σi為第i級應(yīng)力水平的應(yīng)力值；σ1為最高應(yīng)力水平的應(yīng)力值（此次載荷循環(huán)中最大的載荷）；αi為第i級應(yīng)力循環(huán)占總循環(huán)數(shù)的比例；N1為在σ1作用下直到破壞的循環(huán)數(shù)；d為材料常數(shù)[6]。

轉(zhuǎn)換式（1）可推出損傷變量D的表達式為

式中：ni為σi作用的總次數(shù)。

從式中（1）～式（3）中可看出，指數(shù)d在出現(xiàn)于每一個表達式中，指數(shù)d的選取最后的疲勞計算結(jié)果有很大的影響，很多專家都對指數(shù)d的取值進行研究，其中文獻[7-8]給出的常見材料的建議取值為：對于高強度鋼，d=4.8。

2 疲勞壽命分析

2.1 油管應(yīng)力分布

油管由管體和支撐條焊接而成，焊接油管材料為20鋼，支撐條材料為QAL9-4，焊材牌號為HS CuAl，外焊接油管的材質(zhì)為鋼，支撐條的材質(zhì)為銅，焊材的材料為鋁。本文利用Abaqus軟件對油管進行動態(tài)受力模擬仿真，受力分布見圖4，焊接油管的倒角處承受的最大主應(yīng)力為44.7 MPa。

圖4 油管受力分布圖

2.2 焊接油管的疲勞壽命試驗

疲勞試驗選擇分別在178 MPa、155.75 MPa、133.5 MPa 3個應(yīng)力水平下進行成組疲勞試驗，直至試件發(fā)生斷裂，試驗結(jié)果見表1。

表1 焊接油管恒幅疲勞試驗數(shù)據(jù)

2.3 S-N 曲線擬合

根據(jù)上面試驗數(shù)據(jù)，采用最小二乘法擬合lgN－lgσ直線，并根據(jù)擬合結(jié)果進行相關(guān)性檢驗。

將應(yīng)力下的試驗數(shù)據(jù)采用最小二乘法進行擬合，為計算方便計算所需各值列于表2中。

表2 相關(guān)性檢驗數(shù)據(jù)

將表2中的數(shù)據(jù)帶入式（5）～式（8），即可求 得LSS=6.240 9×10?3，LNN=0.359 0 ，LSN=?0.473 8×10?1，故r=?0.9989。

查閱相關(guān)系數(shù)檢驗表[6]，當(dāng)n=3時，對應(yīng)n?2=1的相關(guān)系數(shù)最小值為0.997；由于r小于0，為負值，且｜r｜＞0.997，從數(shù)據(jù)計算上得出對數(shù)應(yīng)力幅和對數(shù)壽命是線性負相關(guān)的，所以該數(shù)據(jù)用直線來擬合，擬合較適合，曲線擬合最終形式見圖5。

圖5 最小二乘擬合S-N 曲線

最終擬合的曲線表達式為

3 加載載荷

3.1 三級隨機加載疲勞試驗

在循環(huán)應(yīng)力下的疲勞分析中，大量的試驗[9-11]已證明加載順序?qū)ζ趬勖嬖谳^大影響。焊接油管在三級應(yīng)力水平下進行隨機加載疲勞試驗，三級應(yīng)力水平分別為：σ1=185 MPa，σ2=165 MPa，σ3=130 MPa；試驗結(jié)果見表3，焊接油管疲勞均發(fā)生在銅支撐與焊接油管的焊接位置。

表3 焊接油管在隨機載荷下的疲勞試驗數(shù)據(jù)

續(xù)表3：

由表3中的試驗數(shù)據(jù)顯示，焊接油管在承受三級隨機載荷的情況下試驗循環(huán)的總次數(shù)范圍為905 千次～1 475 千次，累積損傷值D范圍為1.246～1.581，平均值1.390＞1，極差0.335。3組試驗中顯示，焊接油管在低應(yīng)力循環(huán)下，次數(shù)越多，試驗壽命越高，高應(yīng)力循環(huán)次數(shù)越多，壽命越低。

3.2 三級低-高加載疲勞試驗

焊接油管所承受載荷在低-高順序下采用三級加載方式進行疲勞試驗，由低到高三級應(yīng)力加載分別為：σ1=130 MPa，σ2=165 MPa，σ3=185 MPa。先低應(yīng)力水平σ1下循環(huán)1 200千次，應(yīng)力水平σ2下循環(huán)200千次，然后高應(yīng)力水平σ3繼續(xù)試驗，直到焊接油管試件斷裂為止，記下高應(yīng)力下的循環(huán)次數(shù)，試驗結(jié)果見表3。

表4 焊接油管在低-高順序記載下的疲勞試驗數(shù)據(jù)

由表3可知，在三級低-高順序載荷作用下，試樣的疲勞壽命在1 440～1 478千次之間，平均值為1 459千次，線性累積損傷值D范圍為1.499～1.651，均值為1.574＞1，極差0.152。

3.3 三級高-低加載疲勞試驗

焊接油管在三級應(yīng)力水平進行高-低順序加載疲勞試驗，三級應(yīng)力分別為：σ1=185 MPa，σ2=165MPa，σ3=130 MPa。先高應(yīng)力水平σ1下循環(huán)65千次，應(yīng)力水平σ2下循環(huán)200千次，然后低應(yīng)力水平σ1繼續(xù)試驗，直到試樣斷裂或試驗停止為止。試驗結(jié)果見表5。

由表5可知：在三級低-高順序載荷作用下，試樣的疲勞壽命在435～567千次，平均值為1 476千次，線性累積損傷值范圍為0.687～0.784，均值為0.726，極差0.097。

表5 焊接油管在高-低順序記載下的疲勞試驗數(shù)據(jù)

4 結(jié)論

焊接油管在三級載荷隨機加載以及低-高和高-低順序加載作用下，線性疲勞累積損傷值的均值分別為：在高-低載荷下，D＜1；在低-高載荷下，累積損傷D＞1，這與大多數(shù)金屬材料的試驗結(jié)果是一致的。

疲勞試樣在載荷不同加載順序下疲勞壽命不同，焊接油管在承受低-高載荷下的壽命減小幅度最小。在高-低加載順序下，疲勞壽命顯著減小；而在低-高加載順序下疲勞壽命總體趨勢也是減小，但與高-低加載順序下的疲勞壽命相比，減小的幅度較小；隨機載荷下的疲勞壽命介于高-低加載順序和低-高加載順序兩者之間。