焊接接头界面裂纹应力强度因子的数值分析

建立了一种新型界面裂纹尖端奇异单元模型,该单元能真实地反映界面裂纹尖端的奇异性状况。将奇异单元与全域杂交元结合,分析对接焊接接头界面裂纹,考察了裂纹长度和母材与焊接材料不匹配程度等因素对应力强度因子的影响。结果表明,在拉伸载荷作用下,两母材弹性模量差异很大时,剪切应力是接头破坏的主要因素;焊接材料的弹性模量较大时,界面裂纹的应力强度因子几乎不受焊接

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试验研究 r蜉掳

焊接接头界面裂纹应力强度因子的数值分析江西航空职业技术学院 (昌市 3 0 4 )南 306

周

莉陈梦成

华东交通大学机电学院(昌市 3 0 1 )南 303

平学成

摘要

建立了~种新型界面裂纹尖端奇异单元模型，该单元能真实地反映界面裂纹尖端的奇异性状况。将奇

异单元与全域杂交元结合，分析对接焊接接头界面裂纹，察了裂纹长度和母材与焊接材料不匹配程度等因素对考应力强度因子的影响。结果表明，拉伸载荷作用下，母材弹性模量差异很大时，切应力是接头破坏的主要因在两剪素；接材料的弹性模量较大时，面裂纹的应力强度因子几乎不受焊接材料弹性模量的影响。焊界

关键词：焊接接头

杂交元

奇异单元

应力强度因子

中图分类号： T 4 5 G 0

0前

言

料的奇异单元 ( 14结点奇异单元 )如/不再适于此类问题。文献[ 0 1]建立了一种新型杂交元法，并证明了该

由相同或不同金属材料复合组成的焊接结构以其良好的综合性能在化工、源、梁、船、辆及航空能桥造车航天等工程中得到越来越广泛的应用。一个完整的焊接接头，宏观上来说是由焊缝、从热影响区和母材三部分组成。由于焊接材料和母材之间材质不匹配以及焊

法的计算精度很高。文中将重点介绍文献[0中界面 1]裂纹尖端奇异单元的建立过程，用于求解焊接接头并界面裂纹的应力强度因子。1界面裂纹尖端邻域变分原理

接过程中造成的各种缺陷，大多数裂纹起源于焊缝或

界面裂纹尖端邻域的广义 H ln e~R i n r el g r es e变 i s分原理的泛函一表示为 可R一

热影响区，得焊接结构容易在此发生断裂破坏。为使了判断焊接接头的强度并采用断裂力学的方法预测其使用寿命，焊接接头的断裂分析是十分重要的。对解析法是求解界面断裂问题的可靠手段¨2,是 l但 J

=

J÷ o+r d J一 S oDuV V rn

‘

一

其应用范围窄而且难度大，能应用于特定的焊接结只构。实验方法也可以被用来求解应力强

度因子 J。相

J[1 )(一 )d—J(T) () (m“瓦] ' t r o S I“d 1 SOu S O S

式中：和“分别为应力向量和位移向量； r o,

=

1, 3

比较而言，值方法更为简单和具有通用性，以单独数可或与解析法结合来求解。边界元法在求解奇异性问题时有节约单元数的优势，法的难点在于奇异积分该方程基本解的获得和奇异积分的处理。关的工程软相件并没有得到普及。不可否认的是。限元法的普及有

和为界面裂纹两侧的半平面；为作用在边

界 a上的力载荷； S瓦为作用在边界 a上的位移约 S

束； S为各向异性材料的材料常数矩阵；和分别 D为微分算子矩阵和法向量矩阵。利用散度定理，可将式 ( )中的体积分转化为围 1绕边界 a的曲线积分形式， S即IH I一

程度最高矗J。与传统有限元法相比，交应力元能杂基于稀疏单元网格获得高精度数值结果 J。但是，界面裂纹具有振荡奇异性，不论传统有限元还是杂交应力元都不能很好地反映这个现象，些局限于单相材一

=

一

÷J[ r ud+ ( r瓦d 2二 ( )] J[ )] ) J o S o s( d Sn J S d

2界面裂纹尖端奇异单元的建立收稿日期： 0 7一 3一 1 20 O O

基金项目：江西省自然科学基金资助项目( 0 7 Z 82)华东交通大 20 G W0 6;

采用单纯有限元法求解奇异性应力场，可避免不

学校立科研基金资助 (7D 1; 0 J 0 )江西省载运工具与装备重点实验室资助

地需要在裂纹尖端邻域单元加密。即便如此，也无法正确反映裂纹尖端的奇异性状况，裂纹尖端建立奇在20 0 8年第 6期 31