含缺陷焊接接头完整性评定工程方法.docx
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含缺陷焊接接头完整性评定工程方法
含缺陷焊接接头完整性评定工程方法
为了研究焊接力学不均匀性对焊接结构完整性评定工程方法的影响规律,本文
从有限元数值解出发,基于焊接接头应力场数值解的结果,在详细地研究了焊接接
头力学性能不均匀性对其应力场影响规律的基础上,分析了不同应力状态情况下,
HRR场以及单参数J积分参量在表征焊接接头应力场过程中的不完全性,指出了
目前断裂力学的基本理论在分析焊接接头力学性能不均匀体时所存在的问题。
对单
参数J积分参量在平面应变状态下,不能完全反映焊接接头裂端场实质的情况,考
虑到应力三轴性对焊接接头裂端应力应变场的影响,结合以往建立的焊接接头弄Q
双参数准则,首次提出了弄Q双参数焊接接头失效评定曲线的方法,并利用有限元
计算分析了焊接接头材料组配以及裂纹儿何发生变化时,介Q双参数焊接接头失效
评定曲线的变化规律。
进一步结合工程实际,对双参数焊接接头失效评定曲线中各
参量的_[程估算方法及其临界值测试和计算的途径作了系统的研究和归纳,得到了
一个比较完整并便于工程实际应用的焊接结构完整性评定途径。
在焊接缺陷结构的完整性评定过程中,接头的断裂韧性及其测试是其完整性评
价的另一个中心环竹。
结合有限元数值解的结果,本文讨论了平面应变状态下,不
同裂纹J七何及材料组配焊接接头的载荷与位移曲线。
在此基础上,应用柔度变化率
法分析了各种组配接头的断裂性能,提出了适于工程应用的焊接接头断裂韧性的工
程估算方法。
西安理工大学硕士学位论文
最后,结合专家系统知识,通过VC十+.60可视化程序设计软件,开发出能应用
于焊接结构缺陷评定的辅助系统软件包。
关键词焊接接头介Q双参数准则失效评定曲线断裂韧性有限元方法
本目录
1绪论...........................................................................................................
2均匀材料裂纹尖端应力应变场的研究现状..............
3目前缺陷评定方法的现状及其新发展..................
1应力强度因子准则.........................................................……
2TCOD设计曲线法..........................................................……
1.3.3ERI的J积分估算方法.................................................……
3.4失效评定图（FAD）法.......................................……,.....……6
4焊接结构的缺陷评定......................................................................……8
1.4.1焊接接头裂端场的研究现状...........................................……9
2焊接接头缺陷评定方法的研究现状.............................……10
5专家系统的研究现状.…,......................................……,..................……12
5.1国内外焊接专家系统的研究现状……,..........................……13
52国内缺陷评定专家系统的研究现状.............................……13
6本文研究的主要内容及技术路线.................................................……14
2焊接接头裂端场及~JQ双参数断裂准则的建立..................................……16
1前言
随着航天航空、海洋工程、石油化工等工业的迅速发展,焊接结构的
应用越来越广泛。
然而,由于焊接过程本身受到焊接技术发展水平、焊
接工艺以及焊接所使用材料等实际因素的影响和制约,很容易在结构的
焊接部位形成各种各样的焊接缺陷,这些缺陷的存在必然对焊接产品的
使用功能带来很大影响。
考虑到焊接连接的固有特点和材料组成的不同
一性,加之焊接本身是一个复杂的热物理化学冶金过程,这些因素的作
用造成了焊接接头部位材料和力学性能上的不均匀性,并给焊接结构缺
陷评定工作带来不少困难。
关于焊接接头不均匀裂纹体的断裂分析和完
整性评价一直是困扰力学界和焊接界的一个主要问题,也是目前缺陷评
定方法研究的焦点和难点。
因此,结合断裂力学基本理论,对焊接缺陷
和焊接接头进行系统地分析和研究,同时寻求一个适合于工程应用的焊
接结构完整性评价方法,具有重要理论意义和实际应用价值。
从六十年代到今天,一方面断裂力学从早期对脆性断裂的探索发展到
目前对弹塑性断裂力学的研究,都是和金属结构件的完整性评定息息相
关的,这些理论的成熟为结构缺陷的断裂分析和完整性评定提供了有力
的工具,也是进行焊接接头力学性能不均匀性缺陷完整性评定的基础;
另一方面,计算机技术已经渗透到了人类社会的方方面面,个人计算机
（PC）也已经获得了大量应用。
将计算机技术应用于结构缺陷的断裂分
析和完整性评价中,把复杂的计算和繁琐的评定过程借助于计算机来实
现,为工程中缺陷评定提供更加有力的工具,这无疑是十分有意义的。
1
.
2均匀材料裂纹尖端应力应变场的研究现状
裂纹尖端应力应变场是建立裂纹起裂与扩展准则的理论依据,长期以
来一直是众人所研究的焦点。
断裂力学发展到今天,其表征外载荷作用西安理工大学硕士学位论文
下裂纹尖端应力应变场强度参量的方式主要有三种,即应力强度因子K、
裂纹嘴张开位移占和围绕裂纹尖端的闭路J积分。
应力强度因子K是线
弹性断裂力学分析的方法,适用于裂纹尖端场塑性变形较小的线弹性试
件。
在裂纹结构塑性变形较大的情况下,断裂力学则应采用裂纹尖端张
开位移（CTOD）或围绕裂纹尖端的闭路J积分作为断裂参量来表征应力
场的强度。
60年代末期,Hutchinson〔`2]、Riee和Rosengren[3]首先对幂硬化材料,
基于小变形J。
形变理论,通过对非线性弹性材料半无限平面裂纹体应力
应变场的研究,得到了裂纹尖端的主渐近解,即HRR奇异场解,并以J
积分作为断裂参量来描述裂断场。
J是Rice的J积分断裂参量,Rice建议的二维场J积分表达式为131:
J·工（肠1一“夕·会,`（1一1）
上式中r为积分路径,砰为应变能,
沿外法线方向上的单位矢量。
鉴于J积分既有明确的物理意
义,又便于计算和测量,从而
使其在弹塑性断裂力学的理论
和工程应用中得到了推广,对
断裂力学的发展起到了很重要
的作用。
裂纹
考虑图1一1所示的裂纹结
凡为应力偏张量,n为回路r上
图1一1平面状态裂纹结构
构,在某一外载荷作用下,HRR场理论用下式来描述其应力场强度:
五二
口y
式中,J为Rcie的J积分,
关的函数,a·J,、气、
l
{尸共丁{而:
夕、。
、）又既,,CT,z。
厂少（1一2）
是一个与坐标位置无关仅与载荷及裂纹几何有
.nI月是裂端场材料常数,子。
（0,n）是一个与坐1绪论
标0和材料应变硬化指数n有关的无量纲参数。
自从J积分应用于断裂分析以来,有关HRR场能否正确地描述各种
实际试件应力应变场的理论和实验研究一直是断裂力学研究的一个主要
内容。
几十年来的理论和试验研究以及有限元数值计算表明4[,5]:
HRR奇
异场在裂纹尖端一环形区域内,在一定程度上能够对不同裂纹几何和不
同受力方式的裂纹体,刻画出其真实的应力应变特征,奇异场的强度系
数J积分同样在一定程度上可作为控制裂纹起裂的单参数准则。
但是,HRR场奇异性理论建立之初,在确定裂端应力应变场的同时,
亦相应地对裂端塑性约束强度一应力三轴性提出了严格的要求,而这一
要求是为了满足HRR场奇异性“无限大平板,半无限裂纹,服从纯幂指
数硬化规律的非线性弹塑体”41[的这种假设,然而,其与实际工程中所应
用的应变硬化弹塑性材料有着本质上的不同,两者的裂端塑性约束强度
很可能存在着差别,这一差异可能对其应力应变场的分布特征产生影响。
进一步的研究表明,实际试样中平面应力条件下的裂端约束基本上可以
满足HRR场奇异性的要求,J主导裂端场有效。
在此前提条件下测得的
J是一个材料常数,可以作为弹塑性断裂判据中的断裂参量使用。
不同试
样几何及裂纹深度等情况下,处于平面应变状态的裂纹体,其裂端有着
不同的应力三轴性水平,相应地,其J积分单参数已失去其主导断裂场
的有效性,并直接导致所测得的断裂韧性Jcj依赖于试验条件或裂端应力
三轴性水平,不是材料常数,因此现行的有关Jcl试验标准或规范的科学
性和合理性存在问题5[]。
为了解决在平面应变条件下,裂端约束不能满足HRR场奇异性要求,
J积分单参数不能作为弹塑性断裂判据的问题,寻找能够反映实际的应力
应变场新的断裂参量是其根本办法。
目前关于J积分对三轴应力的依赖
和不能完全反映实验结果的修正,集中在提出一个考虑裂端拘束度的弄Q
双参数断裂参量16一川,然后依据双参数建立新的断裂准则[’2一’4]。
弄Q双参数
断裂参量中J表示J积分,是衡量裂纹尖端附近高应力或高应变区的尺度,
3西安理工大学硕士学位论文
Q是裂端应力三轴性因子,表征裂纹尖端受拘束的程度。
实际中,三轴
应力水平在韧性断裂失效中起着重要的作用,裂端应力应变场的建立必
须同时满足应力及应力三轴性水平,这样建立的断裂判据才能真正反映
断裂的实质,这也是HRR场所决定的J积分主导是否有效、J断裂判据
是否成立的关键。
弄Q双参数理论的提出解决了HRR场应力解不能真实
反映平面应变条件下,材料应力应变场这一困难,为断裂力学在工程实
际中的应用奠定了基础。
1
.
3目前缺陷评定方法的现状及其新发展
近年来的研究表明某些缺陷的存在对工程结构的正常服役并无影响,
因而有必要在“合于使用”（FitnessofrPurpose）原则基础上建立缺陷评
定准则【`’]。
断裂力学发展到今天,依据“合于使用”原则建立的结构完
整性技术及其相应的工程安全评定规程（方法）越来越走向成熟,己在
国际上形成了一个分支学科,在广度和纵深两方面均取得了重大发展。
在广度方面新增了高温评定、各种腐蚀评定、塑性评定、材料退化评定、
概率评定和风险评估等内容;在纵深方面:
弹塑性断裂、疲劳、冲击动
载和止裂评定、极限载荷分析、微观断裂分析、无损检测技术等均取得
很大的进展,亦为工程实际的分析提供了坚实的理论基础。
对于缺陷的评定方法世界各国都有研究,大多数都是以在役压力容器
的安全评定为主线,提出各自的评定方法或规范,并对这些规范进行不
断的修改和补充。
从断裂力学的基本理论看,现在缺陷评定的主要方法
有应力强度因子准则、CTOD设计曲线法、美国加州电力研究所（EPRI）
的J积分估计方法和以英国CEGB的R6方法为代表的失效评定图法等。
从有利于工程实际应用的角度来看,失效评定图是一种简便的方法,代
表了含缺陷结构完整性评定发展的方向。
1
.
3
.
1应力强度因子准则
早期有关缺陷评定及结构完整性评价的标准或方法是建立在线弹性l绪论
断裂力学基础上的。
如美国的ASME“锅炉与压力容器规范”第m、I
篇附录【’“,’7],其基本思想是应用了线弹性断裂力学理论,以裂纹尖端应
力场强度因子K作为参量进行评定,用下式作为含缺陷结构断裂的准则:
K三K,。
一（1一3）
式中KI:
是构件在静载作用下裂纹开始扩展的临界应力强度因子值,
也就是材料的断裂韧性。
上式表示结构在外载荷作用下,如果裂纹端部
的应力强度因子达到或超过材料的断裂韧性值时整个结构便会失效。
1.3.2CTOD设计曲线法
CTOD设计曲线法最初是用窄带屈服模型为基础建立的,它可用于韧
性材料塑性变形较大时的工程评定中,认为临界CTOD值代表着裂纹尖
端附近最大允许应变的度量,该方法因其物理意义直观并得到宽板试验
的验证,在一些国家较早得到应用。
该方法的设计曲线的形式如下8l[]:
{占/（2朋。
e:
）=（e/e,）’占/（2朋。
e,）=e/e:
一0.25e/e、`0.5e/e,>0.5（1一4）
式中,ea表示缺陷的等效裂纹尺寸,e,。
:
分别表示外载荷作用下缺陷的
实际应变和屈服应变,应用上式计算裂纹体在外载荷作用下的断裂参量
占,断裂准则仍用占三氏来表示。
氏是用CTOD断裂参量所表示的实际
材料的断裂韧性值。
著名的焊接缺陷评定规范PD6493就是以CTOD设计曲线法为基础所
建立的缺陷评定方法【`“]。
另外,我国压力容器缺陷评定规范组所编制的
“压力容器缺陷评定规范evDA一984”【`”],德国的Dvs24ol一z规范[20],
日本的WES28OS一1980标准,国际焊接学会的标准nW-X一749一74均采用
CTOD设计曲线的思想[’8]。
1.3.3EPRI的J积分估算方法
从断裂力学发展及其在工程中的应用来看,虽然线弹性应力强度因子
法和CTOD设计曲线法一直在不断完善和发展,但是随着J积分断裂分西安理工大学硕士学位论文
析方法的出现,建立在J积分作为断裂参量基础上的缺陷评定方法已经
成为当代缺陷结构断裂评定的主流。
从现有的研究成果来看,J积分能够广泛应用于实际工程中,应首先
归功于美国加州电力研究所（EPRI）的有关J积分工程化的一系列研究,
并得到了一种基于材料裂纹扩展阻力曲线的弹塑性断裂分析方法。
该方
法的理论基础是从小范围屈服到大范围屈服的裂纹尖端存在HRR场奇异
性和J主导裂纹扩展理论,利用线弹性解和全塑性解的叠加,通过对四
种典型断裂试件及裂纹圆筒的全塑性有限元计算,进而对其裂纹扩展驱
动力J积分进行工程估计,最后归纳出三种直接应用与工程评定的图形
一裂纹驱动力图、稳定评定图及失效评定图,以对缺陷结构做出是否安
全的评价[2,]。
EPRI方法的核心是J积分断裂参量的工程估算法,从而使J积分断
裂参量可以用一些简单的表格、图形以及材料的性能条件进行估算,从
而使实际工程中J积分参量的计算不必进行详细的断裂理论分析即可求
得【`“l,这种方法解决了J积分计算上的困难,为J积分直接应用于工程
实际奠定了基础。
1.3.4失效评定图（FAD）法
自从英国中央电力局（CEGB）在1976年提出用失效评定图来评定
含缺陷结构安全性以来,失效评定图方法取得了长足的进展,世界各国
普遍采用失效评定图技术,且标准趋向统一。
目前国际上比较常用的失
效评定图方法主要有以下几种:
aR6失效评定图方法
R6失效评定图技术的关键在于建立工程应用的失效评定曲线。
1986
年CEGB发表的R6第3版中,失效评定曲线的建立方法有三种选择,对
裂纹延性稳态扩展的处理方法有重大改进,提出了缺陷评定的三种分析
方法【`8]。
应用第3版的R6方法不仅能够判断裂纹结构是否起裂,而且还
可以分析裂纹稳定扩展至失稳扩展的全过程和裂纹等缺陷体各种因素对1绪论
其安全裕度的敏感性。
R6第3版出版后己陆续地增补了1个新附录,由于近年来断裂力学
评定技术的发展特别是SNII…AP、BS7910和美国API579的出现,英国的
BritihsEnergy（英国核电公司）、BNFL（英国核燃料公司）及AEA（英
国原子能管理局）组成的结构完整性评定规程联合体下的R6研究组,在
吸收了世界各国研究进展后,于2001年颁布了第4次修订版[22]。
R6第4
版代表了国际上水平最高的压力容器评定标准,内容应引起国人注意。
bEPRI失效评定图方法
1981年,美国EPRI首次提出用于扩展裂纹失稳分析的“稳定性评定
图”23[],其基本原理是以随意性较强而预见性较差的数值作图分析为基
础的,显得过于繁琐和不确切,而且难于获得高置信度的失稳预测。
在
此基础上,EPRI通过研究CEGB的R6失效评定图和弹塑性断裂理论,
于1982年6月提出了“含缺陷核压力容器及管道的完整性评定规程,,[`81,
使用J控制裂纹扩展的概念和J积分的工程估算方法,推导出以J积分
理论为基础的失效评定曲线（JAFC）。
这是一部采用失效评定图技术的工
程规程,其评定方法与R6类似,即对于一个给定的载荷和裂纹尺寸,依
据J积分参量计算评定点,如果评定点位于失效评定曲线内侧,则结构
是安全的;对于评定中的结构安全裕度可以从评定点与评定曲线之间的
距离直接测得。
EPRI的JAFc有两个重要特点24[]:
（）l以材料符合或基本符合RoR
本构关系为前提;
（2）以手册提供的J积分塑性分量办计算方法,相应
于不同的结构、材料和裂纹,分别绘制所需的JAFC。
因此,EPRI评定
法的特点式不提供通用失效评定曲线。
ePD6493失效评定图法
PD6493早期所使用的失效评定图的概念主要是从CEGB的研究成果
中得到的,它实际上是表示两种截然不同的失效机制间的内插曲线,即
断裂韧度凡。
所控制的脆性断裂和由极限载荷所控制的塑性失稳。
修订的西安理工大学硕士学位论文
PD6493失效评定图（1919版）,在R6第3版的基础上,充分考虑了随
着裂纹扩展而增强的阻力,增加了预测失稳扩展的高级评定部分,因而
更接近实际情况23[,“5】。
由于断裂力学的迅速发展,世界各国的评定规范都处于不断的完善过
程中,PD6493亦不例外。
2000年,PD6493将1991年所研究的评定方法
与1994年发表的PD6539（高温评定方法）进行合并,并根据近十年来
研究成果发表了修正版,称为英国标准BS791O,规范名称改为“金属结
构中缺陷验收评定方法导则”,新的规范仍然是三级评定,都采用失效评
定图方法126]。
d欧洲工业结构完整性评定方法（sINTAP）
由欧洲委员会（EuroPeanCommission）发动组织9个国家的17个组
织在“合于使用”原则评定标准的基础上,编写了欧洲工业结构完整性
评定方法,简称SNIATP[27]。
SNIATP采用了失效评定图（FAD）和裂纹推动力（CDF）的两类分
析方法。
AFD的关键是失效评定曲线（f吞.）,只要评定点（Lr,凡）落在
AFD图内的安全区,则缺陷就是安全的。
CDF是直接按J丛Jcl的判据来
进行评定的,但是规定裂纹驱动力J的计算应按失效评定曲线的表达式
（fL:
）求得,因此尽管CDF法和AFD法形式上有所不同,但实质是一样
的。
SNITAP对含缺陷结构进行完整性评定时,充分考虑了材料性能,根
据所需要评定精确程度的要求分别确定不同的评定参数,建立不同的失
效评定曲线。
在SNIATP7个评定级别中,随着评定级别的增高,所需要
材料的力学性能参数也需要越详细,评定所达到的精确程度也就相应地
越高[28,29]。
1
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4焊接结构的缺陷评定
断裂力学的发展为材料及结构缺陷评定提供了有力的手段,但是,
以往研究的基本出发点是以均匀材料为基础的缺陷评定法,尤其是没有
考虑焊接接头材料力学性能不均匀性带来的影响。
对于工程上常见的焊l绪论
接接头部位的缺陷,这些评定方法是否适用,以及如何建立有关焊接接
头缺陷评定的方法是人们十分关心的课题,也是目前缺陷结构断裂评定
研究的焦点之一。
1焊接接头裂端场的研究现状
焊接接头中的不均匀性因素普遍存在,而且也十分复杂。
从不均匀性
对缺陷体性能的影响方面进行考虑,这些因素可分为力学不均匀性和几
何不均匀性两大类。
力学不均匀性因素包括母材和焊缝金属屈服强度以
及幂硬化指数的不匹配;几何不均匀性因素包括焊缝宽度、裂纹长度及
其在焊缝金属中的相对位置等。
这些焊接接头性能的不均匀性因素对接
头断裂评定方法的影响规律及其评定方法的研究,成为焊接缺陷结构完
整性评定中的难点。
从目前断裂力学的发展方向来看,J积分理论在弹塑性断裂力学分析
中已受到广泛的重视,与均匀材料的裂纹尖端应力应变场研究一样,J
积分断裂参量无疑也是表征焊接接头裂端应力应变场强度的首选参量。
作为J积分断裂分析的基础,J积分主导的有效性是应用于断裂分析的先
决条件,而J积分的路径无关性（守恒性）这一典型特征是它能够应用
于断裂分析的一个关键因素,但无论是均匀材料还是焊接接头,J积分的
守恒性并不能说明J主导断裂场的有效性。
国内于80年代率先开展了不均匀性因素对J积分断裂参量影响的研
究30[,3`],在证明了焊接接头中J积分具有守恒性的基础上,略去热影响
区的存在,假设焊接接头是由母材和焊缝金属两部分组成,并认为焊缝
金属宏观均匀,采用小变形有限元分析方法,考察了多种情况的力学和
几何不均匀性对J积分参量的影响,为J积分断裂参量在焊接接头裂端
场中的分析应用奠定了理论基础。
文【32一34]通过有限元数值计算,进一
步证明J积分的守恒性在焊接裂纹体中仍然成立。
实际焊接接头的力学性能分布是不均匀的,有关焊接接头HRR场主西安理工大学硕士学位论文
导的有效性、J积分理论的适用性以及裂端拘束与力学不均匀性之间的关
系等方面的研究一直是焊接接头断裂分析的主要内容31一]。
文3[8j基于有
限元和云纹干涉分析的混合结果,指出焊接接头中的J主导是有条件存
在的,并阐明J主导有效的条件与接头组配和材料本构关系有关,而与
韧带长度无关,同时还揭示了焊接接头中以应力三轴度表征的裂纹尖端
拘束度不能满足HRR场的要求而呈现出复杂的演化规律,即在距离裂纹
尖端的某一位置处裂纹尖端拘束存在一个最大值,该最大值随着外加载
荷水平的增加而降低。
文【39]采用有限元分析方法,较全面地研究了焊接
接头中不均匀性因素对焊接接头裂端应力三轴性的影响,得到了焊接接
头中J主导裂端场在平面应变条件下失效,而在平面应力条件下仍然有
效性的结论。
文「40]通过对焊接接头裂纹尖端应力应变场的有限元数值计
算表明,处于平面应变状态下的焊接接头,单参数J积分参量不能完全
反映实际应力场的强弱大小,在结合均匀材料裂纹体裂端场研究成果的
基础上,提出了将应力三轴性Q因子用于表征焊接接头裂端场强度的计
算途径。
以上的研究结果从不同方面促进了断裂力学在焊接结构缺陷评
定中的应用,为进一步研究奠定了理论基础。
1.4.2焊接接头缺陷评定方法的研究现状
随着工程实际中韧性材料的广泛应用以及弹塑性断裂力学的迅速发
展,有关焊接接头力学和几何不均匀性对焊接结构缺陷评定过程中的影
响,已经取得了不少的研究成果。
文【41一45」利用有限元计算结果,讨论了焊缝长度、焊缝宽度以及强度
组配等情况下对焊接接头断裂驱动力J积分参量的影响,进一步为J积
分在焊接结构缺陷完整性评定中的应用奠定了基础;文【46]通过对焊接接
头裂纹尖端等效屈服强度和等效应变指数进行研究,获得了分析力学性
能不均匀裂纹体断裂参量的表达式,该方法和EPRI方法相兼容,同时适
用于力学性能均匀材料和不均匀材料的断裂评定;文4[71的研究则以
EPRI的J积分估计方法为基础,在一定的工程假设条件下,结合有限元1绪论
数值计算的结果,得到了焊接接头中裂纹驱动力J积分参量的工程估算
方法,将EPRI方法向前推进了一步;文[48]的研究采用ETM方法的思
想,得到了焊接接头J积分的估算方法,其估算结果与有限元数值解取
得
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