50000字硕士毕业论文焊接接头应力集中和疲劳寿命的研究

论文类型：硕士毕业论文

论文字数：50000字

论点：疲劳,焊接,分析

论文概述：

本文主要分析了对接和十字接两种常见焊接接头的疲劳性能。对于影响因素之一的焊缝几何参数做了系统的分析，得到了其与应力集中系数和疲劳寿命的大致关系。疲劳分析采用试验与有限元分

论文正文：

第一章引言

1.1项目背景
在对结构各种失效模式的研究中，发现疲劳失效是结构失效的最重要原因，也是结构可靠性试验中最重要的考虑因素。由于疲劳损伤的特殊性，在许多情况下会给人们带来巨大的灾难性后果。导致疲劳失效的循环载荷通常小于通过静强度分析获得的“安全”载荷。传统的静强度分析无法解决疲劳失效问题。据统计，超过80%的机械结构故障是疲劳故障。自20世纪80年代以来，每年发生近100起疲劳事故，因此对结构进行相应的疲劳分析具有重要意义。焊接作为一种先进的制造技术，在国民经济建设和工业生产中发挥着至关重要的作用。它广泛应用于汽车、飞机、铁路车辆等制造过程中，在很大程度上促进了现代工业的发展。焊接是实现材料可靠、低成本、高效、准确连接的关键技术。它在产品设计和技术创新中发挥着重要作用。在过去的几十年里，焊接技术几乎已经取代了许多工业部门金属结构(如压力容器、铁路车辆和船体)制造中的铆接。对于现代产品的制造、使用和维护来说，焊接技术已经成为一个重要的环节。
由于焊接工艺的特殊性，与母材相比，部件在焊接接头处的疲劳寿命会大大降低，这使得焊接结构在实际使用中经常在焊接接头处失效，从而造成事故。此外，焊接工艺和设备复杂，成本高。如果我们能够在焊接构件设计的初始阶段通过疲劳寿命的分析和估算对结构寿命有一个全面的了解，这对于实际应用具有重要意义，不仅可以提高产品的设计和研究周期，而且可以大大降低测试它们的成本[2]。对于铁路车辆的大多数承重构件，焊接已被广泛使用。例如，普通客车和货车的车体和转向架都是焊接的。一个国家的铁路车辆设备水平在很大程度上取决于焊接技术水平。轻质焊接结构已被广泛用于满足增加载荷和降低自重的要求。然而，随着中国经济的快速发展，高速重载已成为趋势，车辆各部分的工作环境也趋于恶化。对于所有作为车辆关键部件的焊接结构，其疲劳损伤将变得越来越严重。为了保证高速列车的安全运行，对焊接结构疲劳性能的研究已经迫在眉睫。在使用一段时间后，尤其是在承受循环载荷后，所有部件都将被销毁。这种破坏是疲劳，破坏前的正常工作时间是疲劳寿命。疲劳是成员的局部现象。大多数构件在失效前没有明显的宏观裂纹(脆性材料或低韧性材料)。对于焊接零件，由于焊接过程极其复杂，所有焊接零件通常都含有各种缺陷。这些有缺陷的零件容易发生疲劳损坏。因此，对于焊接件，焊接件的使用寿命将直接影响整个结构的使用安全性。铁路车辆各部分的载荷不同，不同位置需要不同的焊接形式。用统一的评价标准来分析车辆的疲劳是不可能的。如果对不同部件的不同部件进行相应的疲劳试验，由于劳动强度大，试验成本高，难以完成。因此，目前广泛采用模拟相同结构焊接形式的焊接接头进行相应的疲劳分析。该方法具有制造成本低、测试周期短、操作简单等优点。焊接结构的疲劳评估主要针对焊接接头进行分析。只有获得焊接构件上各种焊接接头的疲劳参数，才能保证疲劳强度的要求，从而实现成本节约[3]。
随着我国铁路运输能力的小幅发展和提高，它以其高速、大运量、环保和节能的优势，在我国经济运输中越来越重要。随着武广线(最高运行速度390公里/小时)和京津线(最高运行速度350公里/小时)的开通，中国铁路运输已成为国家交通运输的主要生命线，走上了高速发展的道路。然而，随之而来的铁路车辆疲劳问题日益突出，因此对铁路车辆疲劳寿命的研究变得十分必要和迫切。列车转向架是铁路车辆框架最重要的组成部分，是保证车辆运行质量和安全的关键部件。转向架必须从车体和车轮向各个方向传递力，其疲劳寿命直接影响车辆的运行安全。列车的车架基本上是由各部分焊接而成，焊接是主要的连接方式。然而，焊接位置是高应力集中区域，这容易导致部件的疲劳断裂损坏。据相关统计，据信超过75%的零部件疲劳失效发生在焊接部位，因此零部件的疲劳强度将直接取决于焊接部位的疲劳强度，这将对车辆的安全运行产生关键影响。

1.2研究项目
的目的和意义随着中国铁路运输的快速发展，高速已经成为交通现代化的重要标志之一。由于其能耗低、污染轻、运输能力大、速度快等诸多技术经济优势，逐渐被各国广泛重视。随着我国铁路提速战略的不断实施和铁路车辆运行速度的不断提高，转向架承受的动载显著增加。焊接作为机车转向架的连接方式，至关重要。由于焊接工艺的特点，焊接接头中会有较大的应力集中，也会有焊接残余应力。这些因素使关节成为相对薄弱的环节，容易损坏。焊接接头的疲劳性能直接影响转向架甚至机车的运行。目前，由转向架结构疲劳引起的铁路交通事故显著增加。提速机车558转向架端梁出现疲劳断裂，提速客车209HS转向架吊杆、系梁和牵引座出现疲劳裂纹。提速客车CW160转向架的车架、吊杆和横向控制杆断裂。中国开发的“中华之星”(270公里/小时)和“先锋”(250公里/小时)高速动车组在列车试运行期间也存在焊接结构强度问题，如组板断裂和防蛇行减震器座开裂。“蓝剑”动车组[4号的电机悬浮座和牵引座发生疲劳断裂。在这些由零件突然失效引起的事故中，转向架的故障率最高。在列车检修和维护中强调的六项预防任务中，有五项都是针对[5]型转向架的。

1.3本课题的研究现状及分析............................10-14
1.4本文的来源和主要内容............................14-15
第二章疲劳分析理论及软件实现............................15-28
2.1疲劳的基本概念............................15-16
2.2疲劳寿命分析和设计方法............................16-17
2.3影响焊接接头疲劳强度的因素............................17-21 [/BR/] 2.4焊接接头疲劳强度分析方法............................21-22
2.5提高焊接接头疲劳强度的方法............................22-23[/比尔/] 2.6执行............................23-27 [/BR/] 2.7本章概述............................27-28[/溴/]第三章疲劳相关试验和分析............................28-39
3.1疲劳相关试验............................28-33
3.2疲劳试验的理论分析............................33-38
3.3本章概述............................38-39
第四章疲劳试验的理论计算和有限元分析............................39-53
4.1交叉接头试样疲劳寿命............................39-47
4.2对接试样的疲劳寿命............................47-52 [/BR/] 4.3本章概述............................52-53
第五章焊接接头的应力集中和疲劳寿命分析............................53-62
5.1对接接头应力集中和疲劳寿命分析............................53-58 [/BR/] 5.2十字接头应力集中和疲劳寿命分析............................58-61
5.3本章概述............................61-62

本文主要分析对接接头和交叉接头的疲劳性能。对焊缝几何参数这一影响因素进行了系统分析，得到了它们与应力集中系数和疲劳寿命的近似关系。疲劳分析采用试验和有限元分析相结合的方法进行。采用适用于中高周疲劳分析的局部应力应变法，分析了消除残余应力后的接头疲劳性能。有限元软件ABAQUS用于分析疲劳分析所需的应力集中系数和静态应力应变响应。然后是疲劳分析软件。疲劳是为了疲劳寿命分析而引入的。通过与实验的比较，验证了该方法的可行性和正确性。最后，通过有限元分析常见接头焊缝几何参数对应力集中的影响，得出二者之间的关系，进而分析疲劳寿命，得出几何参数与疲劳寿命之间的关系。分析得出的主要结论如下:
1。热处理后，当焊接残余应力在R=0.1、最大循环应力值σmax=300MPa时，焊接对接试样的平均疲劳寿命为0.259×106倍，最大循环应力值σmax=220MPa时，十字接头试样的平均疲劳寿命为0.338×106倍。
2。交叉焊接接头分别采用局部应力应变法的纽伯法，寿命为0.235×106倍，误差为30.47%。改进后的纽伯法为0.7×106倍，误差为107%。考虑尺寸因素和表面加工因素的修正纽伯法计算疲劳寿命为0.38×106倍，误差为12.42%。对接计算结果为:纽伯法为0.225×106倍，误差为13.13%。改进后的纽伯法为0.8×106倍，误差为209%。考虑尺寸因素和表面处理因素的修正纽伯法为0.275×106倍，误差为6.18%。从上述比较结果可以看出，考虑尺寸因素和表面处理因素的修正纽伯法与疲劳试验结果最为相似，误差均在15%以内。

参考

[1]姚卫星。结构疲劳寿命分析。北京:国防工业出版社，2003。
[2]霍李星。焊接结构的工程强度[。北京:机械工业出版社，1995，1。
[3]特纳。焊接结构的疲劳。北京:机械工业出版社，1988，11。
[4]张卫华，吴平波，薛杰武，等.中国高速列车结构故障调查[.工程故障分析，2006，13 (1): 427-441。
[5]阎毛娟。车辆工程(第二版)[。北京:中国铁路出版社，2003。
[6] R.K .，罗，B.L .，加贝塔斯。用综合动态模拟评估铁路车辆转向架的疲劳寿命。工程机械工程师，第208卷，1994，23-132。
[7] R.K .罗，B.L .加贝塔斯，B.V .布里克，W.X .吴.使用适当的取样频率对铁路车辆转向架进行疲劳损伤评估。《车辆系统动力学》，1998，(28):405-415。
[8]基于动态仿真的铁道车辆转向架疲劳设计，车辆。《车辆系统动力学》，1996，25:449-459。
[9]罗荣凯，罗百升，加贝塔斯，贝维。地铁车辆在真实运行环境中的综合动力学仿真。《车辆系统动力学》，1993，23:335-345。
[10]斯特凡·迪茨、赫尔穆斯·内特和萨丘。基于仿真的铁路转向架动态疲劳寿命预测。《车辆系统动力学》，1998，(29):385-402。