羅廣恩，鄒 聰,3，王自力，張延昌

(1.江蘇科技大學(xué) 船舶與海洋工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003； 2.中國(guó)船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院，上海 200011; 3.上海雙希海事發(fā)展有限公司，上海 200135)

基于熱點(diǎn)應(yīng)力法U型激光焊接夾層板疲勞壽命分析

羅廣恩1，鄒 聰1,3，王自力1，張延昌2

(1.江蘇科技大學(xué) 船舶與海洋工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003； 2.中國(guó)船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院，上海 200011; 3.上海雙希海事發(fā)展有限公司，上海 200135)

U型激光焊接夾層板作為新型船用結(jié)構(gòu)，準(zhǔn)確預(yù)報(bào)其疲勞壽命對(duì)于工程應(yīng)用有著重要的現(xiàn)實(shí)意義。本文依據(jù)傳統(tǒng)焊接結(jié)構(gòu)熱點(diǎn)應(yīng)力外推方法，給出了適合激光焊接夾層板結(jié)構(gòu)的熱點(diǎn)應(yīng)力外推公式，計(jì)算了不同外推公式下結(jié)構(gòu)的疲勞壽命，并與已有的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，最后研究了不同單元層數(shù)和焊縫寬度對(duì)結(jié)構(gòu)疲勞壽命的影響。結(jié)果表明：采用本文的外推公式、外推區(qū)域面板厚度方向劃分3層單元時(shí)，計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)值較為吻合，驗(yàn)證了熱點(diǎn)應(yīng)力法求解激光焊接夾層板疲勞壽命的有效性；并且結(jié)構(gòu)的疲勞壽命隨著焊縫寬度的增加顯著提高。

激光焊接夾層板；熱點(diǎn)應(yīng)力法；疲勞壽命；焊縫寬度

0 引 言

U型激光焊接夾層板是一種力學(xué)性能優(yōu)良的船用新型結(jié)構(gòu)，應(yīng)用于艦船上可以減輕艦船結(jié)構(gòu)重量、提高艦船的防護(hù)性能[1-3]。其中，U-Ⅱ型激光焊接夾層板[4]是由上、下金屬面板和多塊垂直布置的夾芯板材通過激光穿透焊T型接頭連接而成，并且各個(gè)夾芯板材之間保持一定的間距，均勻分布于上、下面板之間?？紤]到激光焊接與傳統(tǒng)焊接的區(qū)別，研究其疲勞性能對(duì)于激光焊接夾層板的工程應(yīng)用有著重要的現(xiàn)實(shí)意義。

國(guó)內(nèi)外尚沒有針對(duì)激光焊接夾層板的疲勞性能評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范，主要研究手段仍是疲勞試驗(yàn)。文獻(xiàn)[5]針對(duì)激光焊接夾層板開展了實(shí)尺寸的疲勞試驗(yàn)，并得出了激光焊接接頭應(yīng)力-疲勞壽命曲線；文獻(xiàn)[6]分別對(duì)不同結(jié)構(gòu)形式的激光焊接接頭和夾層板結(jié)構(gòu)進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，得出了相應(yīng)結(jié)構(gòu)的疲勞載荷-壽命曲線。對(duì)于傳統(tǒng)焊接結(jié)構(gòu)的疲勞壽命可采用多種方法來進(jìn)行評(píng)估，如名義應(yīng)力法、熱點(diǎn)應(yīng)力法和斷裂力學(xué)法等。在船舶與海洋工程領(lǐng)域，各國(guó)船級(jí)社[7-8]在其規(guī)范中均采用熱點(diǎn)應(yīng)力法來評(píng)估結(jié)構(gòu)的疲勞壽命。

本文依據(jù)傳統(tǒng)焊接結(jié)構(gòu)熱點(diǎn)應(yīng)力外推方法，給出適合激光焊接夾層板結(jié)構(gòu)的熱點(diǎn)應(yīng)力外推公式，計(jì)算不同外推公式和不同單元層數(shù)下結(jié)構(gòu)的疲勞壽命，并與已有的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，最后研究焊縫寬度對(duì)結(jié)構(gòu)疲勞壽命的影響，為激光焊接夾層板疲勞強(qiáng)度評(píng)估提供參考和依據(jù)。

1 夾層板結(jié)構(gòu)熱點(diǎn)應(yīng)力外推方法

熱點(diǎn)應(yīng)力指最大結(jié)構(gòu)應(yīng)力(幾何應(yīng)力)，是結(jié)構(gòu)中危險(xiǎn)截面上危險(xiǎn)點(diǎn)的應(yīng)力。它排除了焊縫形狀、裂紋、缺口等引起的局部應(yīng)力集中，只依賴于結(jié)構(gòu)接頭處宏觀尺寸和載荷參量。焊接結(jié)構(gòu)中的熱點(diǎn)一般在焊趾處，是疲勞裂紋的起源部位[9-10]。

對(duì)于傳統(tǒng)焊接結(jié)構(gòu)通常采用外推方法計(jì)算熱點(diǎn)應(yīng)力，一般選用焊趾外的兩點(diǎn)線性外推，或者采用三點(diǎn)二次函數(shù)外推[11-12]。船級(jí)社按照二點(diǎn)外推和三點(diǎn)外推的方法給出以下2種外推公式[13-14]：

σs=1.5σ0.5t-0.5σ1.5t，

(1)

σs=1.875σ0.5t-1.25σ1.5t+0.375σ2.5t。

(2)

其中：t為焊趾處面板的厚度；σ0.5t為與焊趾距離為0.5t處的應(yīng)力，以此類推。

夾層板的激光焊接通過激光輻射熔透面板并滲入部分夾芯板使之融合，從而達(dá)到焊接的效果。因此激光焊接與傳統(tǒng)焊接的焊趾有較大差別。夾層板經(jīng)過激光焊接后，其接頭如圖4所示。文獻(xiàn)[15-16]通過實(shí)測(cè)發(fā)現(xiàn)焊縫厚度hrg為0.05～0.2 mm。此厚度一般比夾層板面板和夾芯板厚度小一個(gè)數(shù)量級(jí)。本文根據(jù)式(1)和式(2)給出以下激光焊接焊趾熱點(diǎn)應(yīng)力計(jì)算兩點(diǎn)外推公式(3)和三點(diǎn)外推公式(4)。

σs=1.5σ0.05t-0.5σ0.15t，

(3)

σs=1.875σ0.05t-1.25σ0.15t+0.375σ0.25t。

(4)

2 激光焊接夾層板疲勞壽命計(jì)算

2.1 有限元模型的建立

以文獻(xiàn)[6]中激光焊接夾層板B_3試件為研究對(duì)象，采用20節(jié)點(diǎn)(Solid 95)單元進(jìn)行建模，焊縫附近單元沿面板方向尺寸為0.1tf，面板厚度方向劃分3層單元。結(jié)構(gòu)的有限元模型如圖1所示。

圖1 夾層板結(jié)構(gòu)有限元模型圖Fig.1 Finite element model of sandwich panel

材料屬性：船用低碳鋼Q235，彈性模量為E=2.06×105MPa，泊松比ν=0.3。

邊界載荷：根據(jù)試驗(yàn)時(shí)夾層板試件的安裝方式來確定有限元模擬的邊界約束，其中在上面板左端面UX=UY=UZ=0，下面板右端面UY=UZ=0。在下面板右端建立耦合點(diǎn)與端面剛性連接，施加R=0的拉伸疲勞載荷，載荷工況如表1所示。

表1 載荷工況表Tab.1 Load case table

2.2 熱點(diǎn)應(yīng)力計(jì)算

由于垂直于焊縫方向的主應(yīng)力在裂紋的起裂和擴(kuò)展過程中起著主要作用，故選取此方向的主應(yīng)力分別按式(3)和式(4)外推得到焊趾處的熱點(diǎn)應(yīng)力，計(jì)算結(jié)果列于表2。

表2 LC1～LC6模型熱點(diǎn)應(yīng)力計(jì)算結(jié)果Tab.2 Hot spot stress results in LC1～LC6

從表2可以看出，2種差值方法求得的熱點(diǎn)應(yīng)力較為接近，誤差在1.3%之內(nèi)。

2.3 S-N曲線和平均應(yīng)力修正

文獻(xiàn)[6]針對(duì)母材開展了應(yīng)力比R=-1的材料疲勞試驗(yàn)。對(duì)其試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行擬合，得到標(biāo)準(zhǔn)S-N曲線如下式。

lgS=2.963-0.119×lgN。

(5)

利用標(biāo)準(zhǔn)S-N曲線計(jì)算激光焊接夾層板結(jié)構(gòu)疲勞壽命，需要對(duì)試驗(yàn)的平均應(yīng)力進(jìn)行修正，即由Goodman方程將應(yīng)力比R=0時(shí)應(yīng)力水平等壽命地轉(zhuǎn)換為應(yīng)力比R=-1下的應(yīng)力水平，然后才能利用標(biāo)準(zhǔn)S-N曲線進(jìn)行疲勞壽命計(jì)算。

Goodman方程[17]如下式所示：

(Sa(R=0)/Sa(R=-1))+(Sm/Su)=1，

(6)

其中：Sa(R=0)為R=0時(shí)應(yīng)力幅值；Sa(R=-1)為R=-1時(shí)應(yīng)力幅值；Sm為平均應(yīng)力；Su為材料的極限強(qiáng)度。

2.4 疲勞壽命計(jì)算結(jié)果

將平均應(yīng)力修正后的熱點(diǎn)應(yīng)力結(jié)合S-N曲線進(jìn)行疲勞計(jì)算，得到拉伸疲勞載荷作用下U-Ⅱ型激光焊接夾層板結(jié)構(gòu)的疲勞壽命，計(jì)算結(jié)果匯總于表3。

表3 不同工況下結(jié)構(gòu)疲勞壽命Tab.3 Fatigue life in different loadcases

將表3的計(jì)算結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果繪制成曲線，如圖2所示。

綜合表2和表3可以看出，在相同工況下，式(3)和式(4)計(jì)算出的熱點(diǎn)應(yīng)力很接近，并且由前者計(jì)算出的壽命更加接近試驗(yàn)結(jié)果。同時(shí)考慮到式(3)在使用過程中更加方便，因此，在后續(xù)疲勞壽命計(jì)算中采用式(3)計(jì)算其相應(yīng)的熱點(diǎn)應(yīng)力。

圖2 疲勞壽命計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)值對(duì)比Fig.2 Fatigue life prediction results compared with the test data

圖2中，疲勞壽命計(jì)算結(jié)果和試驗(yàn)值在104～107區(qū)間內(nèi)(對(duì)應(yīng)于工況LC3～LC5)吻合較好，而在10～104區(qū)間內(nèi)(對(duì)應(yīng)于工況LC1～LC2)誤差較大。其原因主要有2個(gè)方面：1)在不同載荷工況LC1～LC3中疲勞壽命試驗(yàn)值相差不大，可能LC1和LC2試驗(yàn)數(shù)據(jù)有一定的問題；2)對(duì)應(yīng)于工況LC1和LC2結(jié)構(gòu)的疲勞壽命應(yīng)該小于LC3的壽命，即小于104次，屬于低周疲勞問題，此時(shí)熱點(diǎn)應(yīng)力法已不再適用。對(duì)于工況LC3～LC5屬于高周疲勞，疲勞壽命計(jì)算結(jié)果和試驗(yàn)值吻合較好，表明采用熱點(diǎn)應(yīng)力法計(jì)算激光焊接夾層板結(jié)構(gòu)疲勞壽命的準(zhǔn)確性和有效性。

3 單元層數(shù)和焊縫寬度對(duì)夾層板疲勞壽命的影響

3.1 單元層數(shù)對(duì)疲勞壽命的影響

在前面的研究中，夾層板面板厚度方向劃分了3層單元，這里分別再取1層、2層、5層來對(duì)比研究，選取計(jì)算工況為L(zhǎng)C4和LC5，其他參數(shù)不變，局部有限元模型如圖4所示。

圖3 局部有限元模型圖Fig.3 Local finite element model

不同單元層數(shù)對(duì)應(yīng)的疲勞壽命計(jì)算結(jié)果見表4。

表4 不同單元層數(shù)對(duì)應(yīng)的疲勞壽命計(jì)算結(jié)果Tab.4 Fatigue life results at different layers of element

從表4中可以看出，隨著板厚方向單元層數(shù)的增加，疲勞壽命不斷減小。當(dāng)板厚單元層數(shù)大于等于3時(shí)，疲勞壽命值受單元?jiǎng)澐謱訑?shù)的影響相對(duì)較小。

3.2 焊縫寬度對(duì)夾層板疲勞壽命的影響

激光焊接過程中可以通過控制激光功率、光束直徑、焊接速度等焊接參數(shù)來控制焊縫寬度，因此，有必要研究焊縫寬度對(duì)于激光焊接夾層板疲勞壽命的影響。

表5 不同kw下的疲勞壽命計(jì)算結(jié)果Tab.5 Fatigue life results at different kw

圖4 不同kw下疲勞壽命曲線 Fig.4 Fatigue life curve of different kw

由表5和圖4可知，焊縫寬度不斷增加，疲勞壽命近似呈指數(shù)增加，這主要是由于隨著焊縫的增寬，夾層板面板和芯板間有效承載部位增加，熱點(diǎn)應(yīng)力水平降低。因此，在實(shí)際采用激光焊接技術(shù)制造夾層板結(jié)構(gòu)時(shí)，可以通過控制焊接參數(shù)增大焊縫寬度的方法來提高夾層板結(jié)構(gòu)的疲勞壽命。

4 結(jié) 語

本文以U-Ⅱ型激光焊接夾層板為研究對(duì)象，采用熱點(diǎn)應(yīng)力方法研究其疲勞性能，在此基礎(chǔ)上研究焊縫寬度對(duì)結(jié)構(gòu)疲勞壽命的影響。本文主要結(jié)論如下：

1)依據(jù)傳統(tǒng)焊接結(jié)構(gòu)熱點(diǎn)應(yīng)力外推方法，給出了適合激光焊接夾層板結(jié)構(gòu)的熱點(diǎn)應(yīng)力外推公式。同時(shí)，面板平面方向單元尺寸0.1tf，厚度劃分3層單元時(shí)，夾層板疲勞壽命計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)值吻合較好，驗(yàn)證了熱點(diǎn)應(yīng)力法計(jì)算激光焊接夾層板疲勞壽命的有效性。

2)夾層板疲勞壽命隨著焊縫的寬度近似呈指數(shù)增長(zhǎng)。在夾層板激光焊接制造加工時(shí)，可以通過控制焊接參數(shù)來提高焊縫熔池寬度，從而達(dá)到提高夾層板疲勞強(qiáng)度的目的。

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Fatigue life prediction of laser welded corrugated U type core sandwich panels based on hot spot stress method

LUO Guang-en1,ZOU Cong1,WANG Zi-li1,ZHANG Yan-chang2

(1.School of Naval Architecture and Ocean Engineering, Jiangsu University of Science and Technology,Zhenjiang 212003, China; 2.Marine Design and Research Institute of China, Shanghai 200011,China；3.Shanghai Shuangxi Maritime Development Co.,Ltd.,Shanghai 200135,China)

Laser-welded corrugated U type core sandwich panel (U-LASCOR) is a new type of ship structures, the accurate fatigue life prediction of U-LASCOR has important significance for the engineering application. Based on hot spot stress method, the extrapolation formulae are proposed for U-LASCOR. And the prediction results of fatigue life are compared with the test data from literature. Moreover, the effects of weld width on fatigue life is studied. The prediction results show better agreement with test data based on our formula and three layers of element on the lower panel of U-LASCOR model. The results show the fatigue life is increased with the increasing of weld width.

laser welded sandwich panel;hot spot stress method;fatigue life;weld width

2013-11-13;

2014-01-14

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51379093)

羅廣恩(1980-)，男，博士，副教授，研究方向?yàn)榇芭c海洋工程結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度。

U663

A

1672-7649(2014)11-0112-04

10.3404/j.issn.1672-7649.2014.11.022