船舶典型焊接接头缺口应力集中系数分析

作     者：田子安 

作者单位：大连海事大学 

学位级别：硕士

导师姓名：甄春博

授予年度：2023年

学科分类：08[工学] 0824[工学-船舶与海洋工程] 082401[工学-船舶与海洋结构物设计制造] 

主      题：焊接接头 焊缝几何形状 不确定性 缺口应力 应力集中系数 

摘      要：在船舶焊接结构疲劳方面的研究中,焊接缺口的应力集中系数与疲劳密切相关。疲劳主要是构件中存在的缺陷引起应力集中和应力分布不均匀所致。当构件中存在缺口时,缺口处的应力集中会导致结构发生疲劳断裂,而缺口应力集中系数决定了缺口处应力集中的程度,因此很大程度上影响了材料的疲劳寿命。综上所述,本文将重点研究船舶典型焊接接头的缺口应力集中系数及其分布。主要工作内容如下:(1)对国内外学者在典型焊接接头焊缝几何形状、缺口应力法以及应力集中系数方面的研究现状进行了归纳与总结。从文献中的研究内容可以总结出焊接接头的几何形状对焊接结构的强度有着很大的影响,也反映出应用缺口应力法计算焊接结构应力集中系数的广泛性和效果的显著性,但是大部分研究是基于焊缝几何参数确定性下的研究。(2)基于焊接结构疲劳分析的相关理论,介绍了焊接结构疲劳应力分析的三种方法。就焊接结构中因焊缝缺口产生的应力集中问题展开叙述,进而引出焊缝几何参数的不确定性和相关性对焊缝缺口应力集中的影响,首次通过实际测量的焊缝参数结合多元概率密度函数以及控制点法,提出模拟焊缝几何形状的不确定性和相关性的解决方法。(3)确立焊接结构应力集中系数的理论计算方法为缺口应力法。对焊接接头的焊缝几何尺寸进行定义和描述,针对不同的焊接接头的结构形式和特点,首次应用子模型技术进行三维以及二维的有限元建模,探究十字接头和对接接头的应力集中系数分布情况,确定最终的分析部位。通过敏感性分析确定网格类型和尺寸,为后文的不确定性研究做铺垫。(4)针对对接接头进行基于试验数据下的缺口应力集中系数不确定性分析。通过多元随机分布和控制点的变化,在焊缝几何参数独立以及具有相关性的条件下,模拟焊缝几何形状的不确定性。基于缺口应力法,计算缺口应力集中系数,分析其分布规律,进一步探究对接接头焊缝几何参数和板厚变化对缺口应力集中系数的影响。(5)基于对接接头的研究思路,确定十字接头焊缝几何形状的不确定性和相关性。从理论和实验数据分析角度,在十字焊缝几何形状处于不同缺陷等级下,计算承载和非承载十字接头的缺口应力集中系数并探究分布规律。创建新的间隙处缺口表现形式,研究十字接头焊缝间隙对缺口应力集中系数的影响,并分析焊脚长度和焊趾角度对缺口应力集中系数的影响。