一种测量厚板对接接头焊趾处应力集中的方法.pdf

一种测量厚板对接接头焊趾处应力集中的方法，它涉及一种测量焊趾处应力集中的方法。本发明要解决在针对采用以上方法计算焊趾应力集中系数存在的问题。本发明的方法为：首先，对试验进行打磨清洗处理，然后贴应变片，将应变片与应变仪连接，进行拉伸，过抛物插值方法进行外推拟合，测得焊趾处应变值；然后贴基片，测得试样平均应变值，二者比较后即完成。相比于传统的三应变片方法，本发明方法尤其适用于各种不规则的焊趾形状，无需假设，并且贴片方式简单，在测量厚板焊趾处应力集中时更加简单易于操作，且结果更加直观，准确。

1.  一种测量厚板对接接头焊趾处应力集中的方法，其特征在于它是按照以下步骤进行的：
一、首先从对接厚板接头中截取标准拉伸试样，对拉伸试样侧面进行打磨，并采用丙酮擦拭去除油污；
二、在步骤一处理后的拉伸试样一侧面均匀粘贴应变片，保证应变片的轴线与拉伸方向一致，应变片横向连线位于焊趾的咬边处，每个应变片之间距离大于2mm；
三、将应变片与应变仪连接，在室温下通过万能拉伸机拉伸试样，控制拉伸力使试样各处均发生完全的弹性变形；
四、在拉伸力保持不变的前提下，记录各应变片的示数，过抛物插值方法进行外推拟合，在X＝0处的应变值，即为焊趾处应变值；
五、将试样正面余高、背面焊趾去除，沿拉伸方向贴应变片基片，在与步骤四相同的拉伸力条件下，测得试样在此拉伸力下的平均应变值，然后将步骤四的焊趾处应变值与平均应变值进行比较，即测得焊趾处的应力集中系数。

2.  根据权利要求1所述的一种测量厚板对接接头焊趾处应力集中的方法，其特征在于步骤三中万能拉伸机的拉伸载荷为试样抗拉强度的5％～10％。

3.  根据权利要求1所述的一种测量厚板对接接头焊趾处应力集中的方法，其特征在于步骤五中将步骤四的焊趾处应变值与平均应变值进行比较，是采用如下公式进行的：其中，σ_max为最大应力值，σ_av为平均应力值。

一种测量厚板对接接头焊趾处应力集中的方法
技术领域
本发明涉及一种测量焊趾处应力集中的方法。
背景技术
在焊接结构中，无论采用什么焊接方法，均会在背部焊趾处形成截面的变化。这种焊趾处由于截面突变、结构形状失去均匀性而引起的应力集中是导致焊接结构断裂和疲劳破坏的重要原因，并且疲劳裂纹往往萌生于焊趾处。对于厚板而言，其破坏往往是由于疲劳失效造成的。因此，准确的测量厚板焊趾处的应力集中程度对于构件寿命的预测具有重要的实用意义。
通常以应力集中系数(K_T)表示所谓应力集中程度，是以接头局部区域的最大应力值(σ_max)与平均应力值(σ_av)的比值，即式中，为截面中的最大应力值；为截面平均应力值。如图1所示。采用MAG焊接板厚为16mm的钢板时获得的两种典型的焊缝背面焊缝成形图如图2和图3所示，一种为焊缝背面焊址处带有咬边的焊缝成形，如图2所示，另一种为圆滑过渡，如图3所示。在疲劳试验中，疲劳裂纹均起始于焊趾处。
前关于应力集中的分析方法中，主要有有限元数值计算方法和电阻应变片直接测量方法。有限元分析的方法由于其成本较低且准确性较高在得到了广泛的应用，焊接接头应力集中系数的有限元分析始于70年代，至今仍是国际焊接学术界较活跃的研究领域之一，国内也有这方面研究，但由于用有限元分析的过程中，在建立力学模型和数学模型的过程中，一般都要对实际问题作若干简化和假定，如果这些简化和假定有不恰当之处或边界条件定得不够充分和精确时，会在很大程度上影响解的可靠性和精度，针对焊趾处的应力集中测量，由于焊趾的形状不规则，很难对其进行准确的数学描述，因此采用有限元分析的方法测量焊趾的应力集中具有很大的局限性。相比于有限元分析，电阻应变片的方法直接在工件上测量其应力集中系数，结果直观。目前广泛采用三应变片方法来测量应力集中系数，其贴片方式为45°应变花贴片方式，但由于其假设缺口形状为圆弧形以简化计算因而在测量焊趾处的应力集中时存在精度不足的问题。
发明内容
本发的目的是为了解决在针对采用以上方法计算焊趾应力集中系数存在的问题，提出了一种采用电阻应变片平行贴片直接测量焊趾处应力集中系数的方法。
本发明的一种测量厚板对接接头焊趾处应力集中的方法，它是按照以下步骤进行的：
一、首先从对接厚板接头中截取标准拉伸试样，对拉伸试样侧面进行打磨，并采用丙酮擦拭去除油污；
二、在步骤一处理后的拉伸试样一侧面均匀粘贴应变片，保证应变片的轴线与拉伸方向一致，应变片横向连线位于焊趾的咬边处，每个应变片之间距离大于2mm；
三、将应变片与应变仪连接，在室温下通过万能拉伸机拉伸试样，控制拉伸力使试样各处均发生完全的弹性变形；
四、在拉伸力保持不变的前提下，记录各应变片的示数，过抛物插值方法进行外推拟合，在X＝0处的应变值，即为焊趾处应变值；
五、将试样正面余高、背面焊趾去除，沿拉伸方向贴应变片基片，在与步骤四相同的拉伸力条件下，测得试样在此拉伸力下的平均应变值，然后将步骤四的焊趾处应变值与平均应变值进行比较，即测得焊趾处的应力集中系数。
本发明具有以下有益效果：
相较于有限元分析的方法及传统三应变片测量方法，采用本发明的方法有以下优点：
1、试验假定较少，尤其是无需对焊趾处的形状进行数学描述，从而在根本上减少了有限元分析所带来的误差。
2、可以在构件上直接测量，故所得结果较为真实可靠。可直接应用于后续的分析中。
3、应变电测方法成本低，使用方便，输出信号便于处理，具有实时、静动态均适用的特点，在工程技术领域广泛应用。
4、相比于传统的三应变片方法，该方法尤其适用于各种不规则的焊趾形状，无需假设，并且贴片方式简单，在测量厚板焊趾处应力集中时更加简单易于操作，且结果更加直观，准确。
由于直接测量应力集中处的最大应变也较难做到，因此，本发明利用应变梯度片电测构件焊趾处沿截面变化最大方向的一系列应变值，用外推的方法确定存在应力集中截面处最大应变值从而推出应力集中系数。
附图说明
图1为应力集中示意图；
图2为A型焊趾示意图；
图3为B型焊趾示意图；
图4为A型焊趾贴片示意图；
图5为B型焊趾贴片示意图；
图6为基片贴片示意图；
图7为电阻应变仪图；
图8为测试试验图；
图9为数据拟合结果图。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式的一种测量厚板对接接头焊趾处应力集中的方法，它是按照以下步骤进行的：
一、首先从对接厚板接头中截取标准拉伸试样，对拉伸试样侧面进行打磨，并采用丙酮擦拭去除油污；
二、在步骤一处理后的拉伸试样一侧面均匀粘贴应变片，保证应变片的轴线与拉伸方向一致，应变片横向连线位于焊趾的咬边处，每个应变片之间距离大于2mm；
三、将应变片与应变仪连接，在室温下通过万能拉伸机拉伸试样，控制拉伸力使试样各处均发生完全的弹性变形；
四、在拉伸力保持不变的前提下，记录各应变片的示数，过抛物插值方法进行外推拟合，在X＝0处的应变值，即为焊趾处应变值；
五、将试样正面余高、背面焊趾去除，沿拉伸方向贴应变片基片，在与步骤四相同的拉伸力条件下，测得试样在此拉伸力下的平均应变值，然后将步骤四的焊趾处应变值与平均应变值进行比较，即测得焊趾处的应力集中系数。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤三中万能拉伸机的拉伸载荷为试样抗拉强度的5％～10％。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤五中将步骤四的焊趾处应变值与平均应变值进行比较，是采用如下公式进行的：其中，σ_max为最大应力值，σ_av为平均应力值。其它与具体实施方式一相同。
本发明内容不仅限于上述各实施方式的内容，其中一个或几个具体实施方式的组合同样也可以实现发明的目的。
通过以下实施例验证本发明的有益效果：
实施例1
本实施例是利用应变片电测的方法测量上述采用不同衬垫MAG焊16mm钢板焊趾处 应力集中系数。贴片方式如图4、5和6所示。
试验采用CM-1J-20型电阻应变仪如图7所示，试验过程中，通过拉伸机图8分别给试样一定较小载荷。
本实施例的一种测量厚板对接接头焊趾处应力集中的方法，它是按照以下步骤进行的：
一、首先从对接厚板接头中截取标准拉伸试样，对拉伸试样侧面进行打磨，并采用丙酮擦拭去除油污，以保证接下来应变片粘贴牢固；
二、在步骤一处理后的拉伸试样一侧面均匀粘贴若干应变片，保证应变片的轴线与拉伸方向一致，使各应变片横向连线位于焊趾的咬边处，每个应变片之间距离大于2mm；其中，焊趾的咬边处为焊趾的应力集中最严重处，即截面变化最剧烈处；
三、将应变片与应变仪连接，在室温下通过万能拉伸机缓慢拉伸试样，，拉伸力不应太大(在弹性区间即可)，控制拉伸力使试样各处均发生完全的弹性变形，考虑到应力集中效应，拉伸载荷应为试样抗拉强度的5％～10％；
四、在某一载荷下保持力不变的前提下，记录各应变片的示数，过抛物插值方法进行外推拟合，在X＝0处的应变值，即为焊趾处应变值；
五、将试样正面余高、背面焊趾去除，沿拉伸方向贴应变片基片，在与步骤四相同的载荷条件下，可测得试样在此拉伸力下的平均应变值，然后将步骤四的焊趾处应变值与平均应变值进行比较，即测得焊趾处的应力集中系数；
其中，步骤五中将步骤四的焊趾处应变值与平均应变值进行比较，是采用如下公式进行的：其中，σ_max为最大应力值，σ_av为平均应力值。
本实施例的试验结果如下表1、表2所示，
表1 A型焊趾试样

表2 B型焊趾试样

本实施例利用抛物线外推线对数据进行拟合，结果如图9所示。
由数据拟合结果，经计算可得有渗铜试样与无渗铜试样的抛物线插值基函数分别为；4.4714X²-92.062X+1372.6；2.8451X²-54.819X+937.45。对此，由抛物线的性质可以推出，当X＝0处取得最大应变，经核算两种试样均在X＝0处及应力集中处取得最大值，有渗铜试样与无渗铜试样应变分别为1372.6与937.45，由此根据应力集中系数(K_T)的定义，即其中，σ_max为最大应力值，σ_av为平均应力值；可以算得铜衬垫试样与陶瓷衬垫试样的应力集中系数分别为2.25，1.57。