CN107609279B

CN107609279B - 一种t型焊接接头冲击强度设计判据获取方法

Info

Publication number: CN107609279B
Application number: CN201710842836.XA
Authority: CN
Inventors: 赵延杰; 何斌
Original assignee: 702th Research Institute of CSIC
Current assignee: 702th Research Institute of CSIC
Priority date: 2017-09-18
Filing date: 2017-09-18
Publication date: 2021-04-27
Anticipated expiration: 2037-09-18
Also published as: CN107609279A

Abstract

本发明公开了一种T型焊接接头冲击强度设计判据获取方法，涉及安全可靠性技术领域，该方法包括：按照设定冲击力对试验试件进行冲击试验，试验试件是与目标T型焊接接头完全相同的用于试验的T型焊接接头，获取冲击试验数据，并检测试验试件是否通过冲击试验，当试验试件通过冲击试验时，根据冲击试验数据对目标T型焊接接头进行有限元分析得到目标T型焊接接头的应力值，确定目标T型焊接接头的冲击强度设计判据为应力不超过应力值；该方法可以获取满足实际要求的、相对宽松的、经过试验验证的T型焊接接头冲击强度设计判据，为包含T型焊接接头的金属焊接结构抗冲击设计评估提供依据。

Description

一种T型焊接接头冲击强度设计判据获取方法

技术领域

本发明涉及安全可靠性技术领域，尤其是一种T型焊接接头冲击强度设计判据获取方法。

背景技术

金属焊接结构中不可避免地存在焊接接头，包括T型焊接接头和对接焊接接头等，焊接接头部位可以细分为焊缝中心、融合区及热影响区，由于焊缝部位与金属焊接结构中的材料本体在材料成分上存在差异，其诸如强度和韧性之类的力学性能与材料本体也有所差别，常常成为整个金属焊接结构中强度薄弱的部分，船舶设备中的金属焊接结构在水下爆炸条件下会受到强烈的冲击载荷，若金属焊接结构没有经过合理的抗冲击设计，其焊缝部位容易在冲击载荷的作用下发生断裂，影响船舶设备的安全，因此金属焊接结构在设计时必须考虑冲击安全性，尤其需要考虑焊接接头的冲击安全性。

目前对金属材料的冲击安全性评估方法主要包括：常规的材料冲击试验和有限元分析，但对于T型焊接接头以及包含T型焊接接头的金属焊接结构来说，这两种评估方法都无法准确评估其冲击安全性：

对于常规的材料冲击试验：由于T型焊接接头的焊缝部位的力学性能与材料本体有所差别，因此通过常规的材料冲击试验难以评估实际焊缝部位的冲击安全性。

对于有限元分析的评估手段：在采用有限元分析进行结构冲击安全性分析时，通常采用金属材料的屈服强度作为评估判据，但在实际应用中发现，有限元分析存在以下两个问题：第一，有限元分析的结果很大程度上依赖于单元类型和单元尺寸，单元尺寸大小不同时，结果差别较大，使得有限元分析的结果不准确。第二，采用屈服强度作为评估判据过于保守：一方面金属材料在屈服后并不完全丧失承载能力，在一定范围内其强度会随着变形的增大而提高；另一方面许多实际情况中允许金属结构出现轻微的永久变形，过于保守的冲击强度设计判据也会导致材料和资源的浪费。同时对于T型焊接接头来说，由于T型焊接接头在冲击条件下和静力条件下的安全判据不同，因此实际并不能直接采用屈服强度等参数来进行评估。

由此可以看出，对于T型焊接接头以及包括T型焊接接头的金属焊接结构，以上两种评估手段都不能得到准确的T型焊接接头的冲击强度设计判据，这为金属焊接结构的抗冲击设计带来了很大困难。

需要说明的是，传统意义上的冲击强度是衡量材料韧性的一种指标，通常定义为试样在冲击载荷作用下折断或折裂时单位截面积所吸收的能量，也称为“冲击韧性”，但本申请中提到的冲击强度指的是用于判定金属结构在冲击载荷作用下是否安全的一个强度指标。

发明内容

本发明人针对上述问题及技术需求，提出了一种T型焊接接头冲击强度设计判据获取方法，使用该方法可以得到满足实际要求的、相对宽松的、经过试验验证的T型焊接接头冲击强度设计判据。

本发明的技术方案如下：

一种T型焊接接头冲击强度设计判据获取方法，该方法用于获取目标T型焊接接头的冲击强度设计判据，该方法包括：

按照设定冲击力对试验试件进行冲击试验，试验试件是与目标T型焊接接头完全相同的用于试验的T型焊接接头；

获取冲击试验数据，并检测试验试件是否通过冲击试验；

当试验试件通过冲击试验时，根据冲击试验数据对目标T型焊接接头进行有限元分析得到目标T型焊接接头的应力值；

确定目标T型焊接接头的冲击强度设计判据为应力不超过应力值。

其进一步的技术方案为，按照设定冲击力对试验试件进行冲击试验，包括：

装配试验试件与试验工装，试验工装满足冲击试验强度要求且与试验试件装配后满足目标T型焊接接头的实际受力状态；

确定冲击试验中对试验试件的设定冲击力；

确定试验锤重量，并根据设定冲击力和试验锤重量确定试验锤的下落高度；

将试验锤提升至下落高度并释放试验锤。

其进一步的技术方案为，冲击试验数据包括试验锤的下落加速度，方法还包括：

根据试验锤的下落加速度确定试验锤对试验试件的试验冲击力；

检测试验冲击力是否达到设定冲击力；

当试验冲击力达到设定冲击力时，执行检测试验试件是否通过冲击试验的步骤；

当试验冲击力未达到设定冲击力时，更换试验试件，并重新执行按照设定冲击力对试验试件进行冲击试验的步骤。

其进一步的技术方案为，检测试验试件是否通过冲击试验，包括：

检测试验试件是否发生永久变形；

检测试验试件的焊缝是否损坏；

若试验试件未发生永久变形且焊缝无损坏，则确定试验试件通过冲击试验；

否则确定试验试件未通过冲击试验。

其进一步的技术方案为，该方法还包括：

当试验试件未通过冲击试验时，按照预定策略减小设定冲击力；

更换试验试件，并重新执行按照设定冲击力对试验试件进行冲击试验的步骤。

其进一步的技术方案为，根据冲击试验数据对目标T型焊接接头进行有限元分析得到目标T型焊接接头的应力值，包括：

确定至少两种单元尺寸，并分别按照每种单元尺寸对目标T型焊接接头进行实体单元建模得到计算模型；

根据冲击试验数据对每种单元尺寸对应的计算模型进行有限元分析得到具有单元尺寸的目标T型焊接接头的应力值；

根据各个单元尺寸与应力值的离散关系得到单元尺寸与应力值的连续函数关系。

其进一步的技术方案为，确定目标T型焊接接头的冲击强度设计判据为应力不超过应力值，包括：

确定目标T型焊接接头的评估单元尺寸；

在单元尺寸与应力值的连续函数关系中查询与评估单元尺寸对应的评估应力值；

确定具有评估单元尺寸的目标T型焊接接头的冲击强度设计判据为应力不超过评估应力值。

其进一步的技术方案为，冲击试验数据包括试验试件在冲击试验中受到的约束以及试验试件在冲击试验中实际受到的试验冲击力；

根据冲击试验数据对每种单元尺寸对应的计算模型进行有限元分析得到具有单元尺寸的目标T型焊接接头的应力值，包括：

对于每种单元尺寸对应的计算模型，根据试验试件在冲击试验中受到的约束对计算模型施加边界条件；

根据试验冲击力对计算模型施加外载荷；

按照弹性响应对计算模型进行静力分析计算，得到具有单元尺寸的目标T型焊接接头的应力值。

其进一步的技术方案为，根据试验冲击力对计算模型施加外载荷，包括：

按照试验冲击力的等效静压方式加载外载荷，外载荷为峰值与试验冲击力的峰值相当的静载荷。

其进一步的技术方案为，应力值包括峰值应力值和区域应力值，区域应力值用于表示超过目标T型焊接接头维度预定区域的应力水平；

确定目标T型焊接接头的冲击强度设计判据为应力不超过应力值，包括：

确定目标T型焊接接头的峰值应力不超过峰值应力值，以及，确定目标T型焊接接头的区域应力不超过区域应力值。本发明的有益技术效果是：

本发明公开的T型焊接接头冲击强度设计判据获取方法包含冲击试验和有限元分析两部分，可以获取满足实际要求的、相对宽松的、经过试验验证的T型焊接接头冲击强度设计判据，同时该方法可以获得不同单元尺寸下的T型焊接接头的冲击强度设计判据，为包含T型焊接接头的金属焊接结构抗冲击设计评估提供依据。该方法也适合不同温度条件，适用范围较广。

附图说明

图1是T型焊接接头冲击强度设计判据获取方法的流程图。

图2是一实施例中的试验试件和实验工装的示意图。

图3是实施例中的T型试验试件的计算模型示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步说明。

本发明公开了一种T型焊接接头冲击强度设计判据获取方法，该方法用于获取目标T型焊接接头的冲击强度设计判据，该方法包括冲击试验和有限元分析两部分，具体包括如下步骤：

第一部分：冲击试验部分，包括如下几个步骤：

步骤1.1，设计和加工试验试件及试验工装，试验试件是与目标T型焊接接头完全相同的用于试验的T型焊接接头，包括：试验试件的板厚、角度和焊接工艺都与目标T型焊接接头相同。试验工装用于放置和夹持固定试验试件，试验工装满足冲击试验强度要求。

步骤1.2，装配试验试件与试验工装，试验工装与试验试件装配后满足目标T型焊接接头的实际受力状态。

步骤1.3，确定冲击试验中对试验试件的设定冲击力，设定冲击力通常为用户自定义值。

步骤1.4，选择合适重量的试验锤，确定选定的试验锤重量，并根据设定冲击力和试验锤重量确定试验锤的下落高度，设定冲击力、试验锤重量和下落高度的关系可以通过预定的关系计算得到或查表得到，本申请对此不作赘述。

步骤1.5，搭建冲击试验数据测量系统，试验数据测量系统至少包括加速度测量系统，根据实际需要，试验数据测量系统还可以包括应变测量系统和温度测量系统中的至少一种，在本申请实际测量时，通常会同时搭建上述三种测量系统，加速度测量系统中包括设置在试验锤上的加速度传感器，温度测量系统包括设置在试验试件上(通常设置在焊缝部位)的温度传感器，通过工控机结合测量系统可以读取冲击试验数据，冲击试验数据至少包括试验锤的下落加速度，对应于搭建的测量系统，冲击试验数据还可以包括试验温度以及应变测量数据中的至少一种。

步骤1.6，将试验锤提升至步骤1.4中确定的下落高度并迅速释放试验锤。

步骤1.7，获取并处理冲击试验数据，考察应变测量结果，监测试验锤的下落加速度的加速度曲线，根据试验锤的下落加速度确定试验锤对试验试件的试验冲击力。具体的，可以利用F＝ma得到试验试件所承受的最大的试验冲击力，其中m为试验锤重量(实际m还包括悬挂试验锤的工装架的重量)。

步骤1.8，当试验冲击力未达到设定冲击力时，更换试验试件，并重新执行按照设定冲击力对试验试件进行冲击试验的步骤，也即重新执行上述步骤1.2。

步骤1.9，当试验冲击力达到设定冲击力时，检测试验试件是否通过冲击试验，包括：

a)：检测试验试件的外观是否发生明显的永久变形，可以通过检测尺寸的变化来检测是否存在永久变形，实际也可以由技术人员进行人为检测。

b)：检测试验试件的焊缝是否损坏，比如通过着色渗漏方法进行检测。

c)：若试验试件未发生明显地永久变形且焊缝无损坏，则确定试验试件通过冲击试验，至此冲击试验部分完成。

d)：否则确定试验试件未通过冲击试验，则按照预定策略减小设定冲击力，预定策略为用户自定义策略，比如将设定冲击力降低10％，更换试验试件，并重新按照新的设定冲击力对新的试验试件进行冲击试验，也即冲击执行上述1.2。

需要说明的是，为了减小试验的偶然性和误差，在冲击试验部分通常会对若干个试验试件同时进行冲击试验，若通过冲击试验的试验试件达到预定比例则确定通过，若未达到预定比例则确定不通过，预定比例是系统预设值或用户自定义值。

第二部分：有限元分析部分，包括如下几个步骤：

步骤2.1，按照实际目标T型焊接接头进行实体单元建模得到计算模型，设定单元尺寸为d，将金属材料的力学行为定义为线弹性，不考虑材料的屈服及破坏等。

步骤2.2，对于该单元尺寸对应的计算模型，根据试验试件在冲击试验中受到的约束对计算模型施加边界条件。

步骤2.3，根据试验试件在冲击试验中受到的试验冲击力对计算模型施加外载荷，其中按照试验冲击力的等效静压方式加载外载荷，外载荷为峰值与试验冲击力的峰值相当的静载荷。

步骤2.4，按照弹性响应对计算模型进行静力分析计算，得到具有单元尺寸的目标T型焊接接头的应力值，应力值包括峰值应力和区域应力，区域应力用于表示超过目标T型焊接接头维度预定区域的应力水平，比如超过维度10％区域的应力水平，比如静力分析计算得到目标T型焊接接头部位的峰值应力σ_max＝Aσ_y，区域应力为σ_region＝Bσ_y，其中σ_y为材料的屈服强度。

步骤2.5，确定单元尺寸为d时，目标T型焊接接头的冲击强度设计判据为应力不超过应力值，包括：峰值应力不超过Aσ_y，区域应力不超过Bσ_y。

由于单元尺寸的不同对有限元分析的结果影响较大，因此在本申请中，有限元分析部分通常会选定多个尺寸进行分析，包括：

1)、确定至少两种单元尺寸，在本申请中，除了选定单元尺寸为d外，还可以同时选定单元尺寸分别为4d、2d、0.5d、0.25d。

2)、分别按照每种单元尺寸对目标T型焊接接头进行实体单元建模得到计算模型，根据冲击试验数据对每种单元尺寸对应的计算模型进行有限元分析得到具有单元尺寸的目标T型焊接接头的应力值，也即对每个计算模型执行上述步骤2.1-2.4得到单元尺寸的应力值，具体得到单元尺寸对应的A和B的值。

3)、根据各个单元尺寸与应力值的离散关系得到单元尺寸与应力值的连续函数关系，可以通过将离散点连线生成连续函数关系，也可以通过最小二乘法、拉格朗日插值法和牛顿迭代法等对离散点进行曲线拟合生成连续函数关系，该连续函数关系是应力值(A和B的值)随单元尺寸的变化规律曲线，即得到了不同单元尺寸下的目标T型焊接接头冲击强度设计判据。

这样一来，对整体的金属焊接结构进行有限元分析时，可按照整体有限元模型的单元尺寸查询获得对应的应力值(A和B的值)，也可在确定目标T型焊接接头的评估单元尺寸后，在单元尺寸与应力值的连续函数关系中查询与评估单元尺寸对应的评估应力值，确定得到整体金属焊接结构中具有评估单元尺寸的目标T型焊接接头的冲击强度设计判据为应力不超过评估应力值。

本发明公开的方法的主要流程如图1所示，在一个示例性的例子中，该方法用于对某低温储罐中的304N钢T型焊接接头的冲击强度进行研究。

首先进行冲击试验，设计试验试件如图2中(a)所示、试验工装如图2中(b)所示。对低温下304N钢T型焊接接头完成了5组共计10个试验试件的冲击试验，试验中对试验试件焊缝处进行液氮喷洒，同时在焊缝背面贴温度传感器记录焊缝的实时温度，当温度传感器示数低于-140℃时，迅速释放落锤进行试验。如下表1列出了每组试验试件在试验中实际受到的试验冲击力、试验时温度及焊缝的检查结果。可以看出，在538kN设定冲击力的作用下T型焊接接头完好，通过冲击试验。

表1

然后进行有限元建模，建立的计算模型如图3所示，本实施例中采用与低温储罐的罐体结构评估时相同的单元尺度和单元类型。在冲击试验中，试验试件面板上、下两端30被螺栓固定，故定义为固支边界条件；试验试件与过渡块31之间采用接触模拟，两试验试件腹板在冲击力的作用下往中间挤，端部被过渡块31挤住，不会左右移动，故在过渡块31的对称面32上定义对称边界条件。在过渡块31下端面33施加不同强度的外载荷，按照弹性响应计算，采用ANSYS软件进行静力分析，考察结构强度。按照304N钢低温屈服强度为σ_y＝600MPa，实测得到局部应力达到2倍σ_y(1200MPa)、区域应力达到1倍σ_y(600MPa)，从而得出在这一单元尺寸下T型焊接接头的冲击强度设计判据为局部应力不超过2倍σ_y、区域应力不超过1倍σ_y。变换单元尺寸大小重新进行有限元分析还可以获得不同单元尺寸下304N钢T型焊接接头冲击强度设计判据，本申请对此不再赘述。

以上所述的仅是本发明的优选实施方式，本发明不限于以上实施例。可以理解，本领域技术人员在不脱离本发明的精神和构思的前提下直接导出或联想到的其他改进和变化，均应认为包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种T型焊接接头冲击强度设计判据获取方法，其特征在于，所述方法用于获取目标T型焊接接头的冲击强度设计判据，所述方法包括：

按照设定冲击力对试验试件进行冲击试验，所述试验试件是与所述目标T型焊接接头完全相同的用于试验的T型焊接接头；

获取冲击试验数据，并检测所述试验试件是否通过所述冲击试验；所述冲击试验数据包括所述试验试件在所述冲击试验中受到的约束以及所述试验试件在所述冲击试验中实际受到的试验冲击力；

当所述试验试件通过所述冲击试验时，根据所述冲击试验数据对所述目标T型焊接接头进行有限元分析得到所述目标T型焊接接头的应力值；所述应力值包括峰值应力值和区域应力值，所述区域应力值用于表示超过所述目标T型焊接接头维度预定区域的应力水平；

确定所述目标T型焊接接头的冲击强度设计判据为应力不超过所述应力值，包括确定所述目标T型焊接接头的峰值应力不超过所述峰值应力值，以及，确定所述目标T型焊接接头的区域应力不超过所述区域应力值；

其中，所述根据所述冲击试验数据对所述目标T型焊接接头进行有限元分析得到所述目标T型焊接接头的应力值，包括：

确定至少两种单元尺寸，并分别按照每种单元尺寸对所述目标T型焊接接头进行实体单元建模得到计算模型；

根据所述冲击试验数据对每种单元尺寸对应的计算模型进行有限元分析得到具有所述单元尺寸的目标T型焊接接头的应力值；

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述按照设定冲击力对试验试件进行冲击试验，包括：

装配所述试验试件与试验工装，所述试验工装满足冲击试验强度要求且与所述试验试件装配后满足所述目标T型焊接接头的实际受力状态；

确定所述冲击试验中对所述试验试件的所述设定冲击力；

确定试验锤重量，并根据所述设定冲击力和所述试验锤重量确定所述试验锤的下落高度；

将所述试验锤提升至所述下落高度并释放所述试验锤。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述冲击试验数据包括所述试验锤的下落加速度，所述方法还包括：

根据所述试验锤的下落加速度确定所述试验锤对所述试验试件的试验冲击力；

检测所述试验冲击力是否达到所述设定冲击力；

当所述试验冲击力达到所述设定冲击力时，执行所述检测所述试验试件是否通过所述冲击试验的步骤；

当所述试验冲击力未达到所述设定冲击力时，更换试验试件，并重新执行所述按照设定冲击力对试验试件进行冲击试验的步骤。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述检测所述试验试件是否通过所述冲击试验，包括：

检测所述试验试件是否发生永久变形；

检测所述试验试件的焊缝是否损坏；

若所述试验试件未发生永久变形且焊缝无损坏，则确定所述试验试件通过所述冲击试验；

否则确定所述试验试件未通过所述冲击试验。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

当所述试验试件未通过所述冲击试验时，按照预定策略减小所述设定冲击力；

更换试验试件，并重新执行所述按照设定冲击力对试验试件进行冲击试验的步骤。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述确定所述目标T型焊接接头的冲击强度设计判据为应力不超过所述应力值，包括：

确定所述目标T型焊接接头的评估单元尺寸；

在所述单元尺寸与应力值的连续函数关系中查询与所述评估单元尺寸对应的评估应力值；

确定具有所述评估单元尺寸的目标T型焊接接头的冲击强度设计判据为应力不超过所述评估应力值。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述冲击试验数据对每种单元尺寸对应的计算模型进行有限元分析得到具有所述单元尺寸的目标T型焊接接头的应力值，包括：

对于每种单元尺寸对应的计算模型，根据所述试验试件在所述冲击试验中受到的约束对所述计算模型施加边界条件；

根据所述试验冲击力对所述计算模型施加外载荷；

按照弹性响应对所述计算模型进行静力分析计算，得到具有所述单元尺寸的目标T型焊接接头的应力值。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述根据所述试验冲击力对所述计算模型施加外载荷，包括：

按照所述试验冲击力的等效静压方式加载外载荷，所述外载荷为峰值与所述试验冲击力的峰值相当的静载荷。