殘余應力對水下耐壓結構典型焊接接頭疲勞強度的影響

張沛心，李良碧

殘余應力對水下耐壓結構典型焊接接頭疲勞強度的影響

張沛心，李良碧

江蘇科技大學船舶與海洋工程學院，江蘇鎮江212003

水下耐壓結構典型焊接接頭模型常采用高強度鋼建造，對焊接殘余應力較為敏感，因此有必要針對殘余應力對其疲勞強度的影響進行相關研究。采用ANSYS的APDL語言編程，通過數值模擬分析得到典型焊接接頭的焊接殘余應力；并基于局部應力—應變法，對水下耐壓結構典型焊接接頭考慮與不考慮殘余應力這2種情況下結構的疲勞壽命進行數值分析。研究發現：典型焊接接頭在凹錐面焊縫附近其殘余應力最大，壽命最短；其壽命周期為104，屬低周疲勞范圍；隨著外載荷的增加，疲勞壽命最小值也隨之減小；殘余應力的存在會明顯降低典型焊接接頭的疲勞壽命。

水下耐壓結構；高強度鋼；焊接接頭；殘余應力；疲勞強度；疲勞壽命；數值模擬

網絡出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1755.TJ.20150128.1201.004.html

期刊網址：www.ship-research.com

引用格式：張沛心，李良碧.殘余應力對水下耐壓結構典型焊接接頭疲勞強度的影響［J］.中國艦船研究，2015，10（1）：51-57，67. ZHANG Peixin，LI Liangbi.Influences of residual stress on the fatigue strength of the typical welded joint of the underwater pressure structure［J］.Chinese Journal of Ship Research，2015，10（1）：51-57，67.

0　引言

隨著海洋工程領域的快速發展，海洋資源的開發利用已逐漸由淺海向深海發展，水下耐壓結構得到了越來越多的應用。另外，隨著其作業深度的增加，對耐壓結構強度的要求也越來越高。因此，在進行水下耐壓結構的設計時，為滿足強度要求，越來越多的高強度鋼被應用。但是，高強度鋼在水下耐壓結構中的應用，在提高其承載能力的同時也帶來了疲勞方面的問題［1］。錐柱耐壓殼（圖1）常用于水下耐壓結構的過渡部位，在其凸錐環焊縫處較易發生疲勞斷裂［2］：一方面，是因為此焊接部位常處于耐壓結構幾何不連續的位置，易產生應力集中；另一方面，由于高強度鋼在焊接過程中會產生較大的殘余應力，當其與外載荷產生的工作應力相疊加時，將使結構的焊接部位變得非常危險。因此，針對水下耐壓結構焊縫處的典型焊接接頭模型，進行殘余應力對疲勞強度影響的相關研究對評估水下耐壓結構的安全性具有非常重要的意義。

圖1　錐柱耐壓殼及典型焊接接頭Fig.1　Cone-cylinder pressure hull and the typical welded joints

近年來，國內外諸多學者針對焊接殘余應力對疲勞強度的影響進行了研究。Paquet等［3］通過疲勞試驗研究了殘余應力對不銹鋼焊接試件高周疲勞強度的影響；卞如岡等［4］針對錐柱結合殼處殘余應力對疲勞壽命的影響進行了定量計算分析；黃小平等［5］提出了一種能考慮焊接殘余應力影響的焊接結構疲勞壽命的計算方法。

但是，此類研究大都是采用疲勞試驗的方法來考慮殘余應力對疲勞強度的影響，試驗過程繁瑣且造價較高；而國內外采用數值模擬方法進行的相關研究又大多集中于中、低強度鋼的高周疲勞強度研究［6-7］，針對殘余應力對高強度鋼典型焊接接頭疲勞強度的影響研究卻很少。因此，本文將選取錐柱耐壓殼凸錐和凹錐環焊縫處的典型焊接接頭作為研究對象，采用數值模擬方法，針對典型焊接接頭殘余應力對疲勞強度的影響進行研究分析，得到不同外載荷作用時考慮與不考慮殘余應力這2種情況下典型焊接接頭的疲勞強度。本文的研究將明確高強度鋼焊接殘余應力在水下耐壓結構疲勞強度及疲勞壽命評估時的影響作用，可為下一步進行典型焊接接頭殘余應力的試驗測量及其低周疲勞試驗奠定相關理論基礎。

1　有限元分析基本理論

1.1低周疲勞強度有限元分析理論基礎

疲勞強度分析的最終目的是確定結構的疲勞壽命。水下耐壓結構典型焊接接頭隨著工作循環次數的增大、構件的復雜化和循環應力的相對增大，會產生相當數量的塑性變形，這就使得結構的壽命相對降低，這種類型的疲勞通常稱為低周疲勞［8］。處理此類疲勞的方法稱作應變壽命法或局部應力—應變法。

局部應力—應變法結合材料的循環應力—應變曲線，通過彈塑性有限元分析和其他計算方法，將構件上的名義應力譜轉換成危險部位的局部應力—應變譜，然后根據危險部位的局部應力—應變歷程估算壽命。局部應力—應變法的應用需要材料的σ-ε曲線（應力—應變曲線）和ε-N曲線（應變—壽命曲線）。

1）σ-ε曲線。

局部應力—應變法中，循環載荷下的應力—應變關系為［9］：

式中：ε為應變；εe為彈性階段應變；εp為塑性階段應變；σ為應力；E為彈性模量；K′為循環強度系數；n′為循環應變硬化指數。

2）ε-N曲線。

局部應力—應變法中常用的ε-N關系式為Manson-Coffin公式［10］：

1.2殘余應力有限元分析理論基礎

1.2.1焊接溫度場

焊接是金屬融化、冷卻、凝固和收縮的過程，因此，要預測焊接過程產生的殘余應力和變形，首先需要明確接頭處溫度的變化。焊接過程是一種非線性高溫瞬態傳熱的過程，遵守能量守恒定律和傅立葉定理。由文獻［11］可知焊接過程的溫度控制方程為：

式中：-Q為求解域內的熱源強度；T為溫度場分布函數；ρ，C，λ，t分別為材料的密度、比熱容、導熱率和傳熱時間，且ρ，C，λ都是隨溫度變化的參數；x，y，z為焊接件的空間坐標。

1.2.2焊接應力場

焊接應力場彈塑性變形的根本原因是由于溫度場的存在，焊接殘余應力的產生是由于在焊接過程中材料在高溫下發生了塑性變形。材料在塑性狀態的應力—應變關系為［11］：

式中：dσ為應力增量；dε為應變增量；dT為溫度增量；D為彈性或彈塑性矩陣；C為由材料性能隨溫度變化導出的向量。

2典型焊接接頭模型及載荷工況

2.1幾何模型

在制作典型焊接接頭時，選用與實際結構相同的焊絲及施焊工藝。考慮到錐柱耐壓殼結構的特殊性，將板材進行對接焊；為了消除邊緣效應對焊縫區域疲勞強度的影響，在遠離焊縫位置處進行切割與打磨，加工至如圖2所示的尺寸。

圖2模型幾何尺寸Fig.2　Dimesions of the model

2.2有限元模型

為了較準確地模擬典型焊接接頭的試驗試件及焊接過程，并綜合考慮疲勞強度分析和殘余應力分析這2個方面，對模型進行建模與網格劃分。在用有限元軟件MSC.Patran和ANSYS建立了有限元模型后，采用相同的方法劃分網格：

1）均選用六面體實體單元劃分網格，并采用由二維網格映射到三維網格的方法。

2）由于焊縫處為研究的重點部位，因此，焊縫附近應力較集中區域的網格劃分應比較密集，其網格大小為5 mm×5 mm×4.4 mm，而遠離焊縫區域的網格劃分則較稀疏。

3）根據高強度鋼厚板多層多道焊的焊接原理，將焊縫沿厚度方向分為5層［12］。有限元模型如圖3所示。

為便于后續表示，將典型焊接接頭焊縫的兩面分別定義為凸錐面和凹錐面（圖3）。對于水下耐壓結構，典型焊接接頭的凸錐面表示耐壓結構凸錐的外表面，凹錐面則表示凸錐的內表面；對于耐壓殼的凹錐處，則反之。

圖3有限元模型Fig.3　Finite element model

2.3材料屬性

典型焊接接頭材料選用某高強度鋼，考慮到實際的焊接過程，選擇焊接材料時會盡量與母材相匹配，一般為相似相容的物質。為了簡化有限元模擬方法并保證模擬的精度，本文假定焊縫材料與母材材料相同，物理特性取為一致。某高強度鋼的部分機械性能如表1所示。由于高強度鋼的相關疲勞性能參數未知，故對材料進行試驗獲得了其疲勞性能參數，如表2所示，其中，Kf為疲勞缺口系數。

表1某高強度鋼機械性能Tab.1Mechanical properties of high strength steel

表2某高強度鋼疲勞性能參數Tab.2Parameters of fatigue properties of high strength steel

2.4計算載荷

水下耐壓結構在服役過程中，其凸錐折角的焊縫處承受較大的拉應力，容易發生疲勞破壞。另外，由于本文選取的典型焊接接頭是要進行后續疲勞試驗的試件模型，考慮到目前疲勞試驗機的噸位問題，故暫不考慮周向應力的影響，而主要模擬沿耐壓結構軸向的應力特點及焊接殘余應力對疲勞的影響。基于以上考慮，在模型右端面施加了軸向（即垂直焊縫方向）拉伸載荷，載荷作用面如圖3所示。載荷的大小由所研究典型焊接接頭的最大應力決定。為確保本文的研究具有工程實用價值，本文選取典型焊接接頭最大軸向拉應力σxmax分別為0.8σs，0.85σs，0.9σs和0.95σs時的4種危險工況進行疲勞壽命分析，這4種工況如表3所示。

表3　載荷工況Tab.3Loading conditions

3　不考慮殘余應力時的疲勞強度分析

在典型焊接接頭疲勞強度研究中，較為傳統的方法主要是不考慮焊接殘余應力對其疲勞強度的影響。因此，本文將參考文獻［13］中對高強度鋼疲勞強度的模擬方法，首先對不考慮殘余應力時典型焊接接頭的疲勞強度進行有限元分析。

3.1應力分析

首先，采用有限元分析求解器MSC.Nastran對典型焊接接頭模型不同外載荷作用下的應力進行有限元分析，確定疲勞熱點部位。進行應力分析時，在模型兩端角邊上分別施加不同的位移約束。模型左端：ux=uy=uz=0，θx=0；模型右端：uy=uz=0，并在模型右端面施加軸向拉伸載荷（圖3）。由于耐壓結構凸錐處的軸向應力σx是影響結構疲勞強度的主要應力，因此，本文在分析疲勞強度時將重點分析典型焊接接頭σx對疲勞壽命的影響。

進行有限元分析后，可得到σx的分布云圖。由于不同工況下的應力分布云圖相似，故本文僅列舉工況1下σx的分布云圖，如圖4所示。

由圖4可以看出：

1）典型焊接接頭在凸錐面的焊縫附近表現為壓應力，在凹錐面焊縫附近表現為拉應力。應力的最大值為拉應力，出現在靠近載荷作用端凹錐面的焊縫附近，且越靠近焊縫區域，應力梯度越大，而在遠離焊縫的區域，應力梯度則較小。

圖4　工況1下的σx云圖Fig.4　The stress contours of x direction in condition 1

2）由于模型的幾何對稱性，典型焊接接頭的凹錐面表示錐柱耐壓殼結構凸錐（圖1）的內表面或凹錐的外表面，此處的焊縫及其附近區域是疲勞熱點區域，疲勞裂紋多在此處萌生并擴展，從而導致結構的失效斷裂。

3.2不考慮殘余應力的疲勞熱點循環應力

根據局部應力—應變法的基本原理，進行結構應力分析后即可確定其疲勞熱點處的循環應力。當未考慮殘余應力時，作用在典型焊接接頭模型上的疲勞熱點循環應力最大值σmax即為模型在加載過程中的軸向應力最大值，循環最小應力σmin=0。將載荷形式設為鋸齒波，得到不同工況下典型焊接接頭疲勞熱點處的循環應力曲線如圖5所示（本文只畫出了3個循環載荷下的應力曲線，其余均相同）。

圖5　不考慮殘余應力的疲勞熱點循環應力曲線Fig.5　Cyclic stress curves of fatigue hot-spot without the residual stress

3.3疲勞壽命云圖

本文基于局部應力—應變法，對典型焊接接頭的疲勞壽命進行數值預報。將MSC.Nastran的應力計算結果導入MSC.Fatigue中，設置求解參數：輸入表1和表2中的各項參數和疲勞熱點循環應力曲線后，對典型焊接接頭模型進行疲勞強度分析。

進行有限元分析后，得到不同工況下典型焊接接頭的疲勞壽命分布云圖。由于各工況下的結果云圖相似，故本文僅列舉出了工況1的疲勞壽命云圖，如圖6所示（圖中量值單位為MPa）。

圖6　工況1的疲勞壽命云圖Fig.6　Fatigue life contours of condition 1

由圖6可以看出：

1）典型焊接接頭在不同工況下的疲勞壽命最小值均發生在焊接接頭凹錐面的焊縫附近區域處，此處即為模型首先發生疲勞斷裂的區域。

2）結合圖4可知，凹錐面焊縫附近的軸向拉應力值最大。由此可見，對于此類呈一定角度的對接焊的典型焊接接頭，焊縫處的軸向拉應力是影響結構疲勞壽命的危險應力。

3.4不考慮殘余應力時的疲勞壽命

不同工況下的疲勞壽命計算結果如表4所示。為清楚地表示典型焊接接頭疲勞壽命隨載荷的變化率，將表4中的結果繪制成了曲線，如圖7所示。

表4　有限元分析結果Tab.4Results of finite element analysis

圖7　不考慮殘余應力時的疲勞壽命曲線Fig.7　Fatigue life curve without residual stress

由表4和圖7可以看出：

1）隨著外載荷的變化，典型焊接接頭疲勞壽命的變化較大，隨著外載荷的增加，疲勞壽命最小值隨之減少。

2）外載荷越小，疲勞壽命的變化幅度越大，當外載荷引起的最大應力為0.8σs和0.85σs這2種工況下時，疲勞壽命的變化幅度最大。

3）本文研究的典型焊接接頭的疲勞壽命周期為104次，為典型的低周疲勞，因此，本文基于局部應力—應變法計算高強度鋼典型焊接接頭疲勞壽命的方法是合理可行的。

4　考慮殘余應力時的疲勞強度分析

4.1初始焊接殘余應力

本文參考文獻［12］中高強度鋼厚板多層多道焊殘余應力的模擬方法，基于熱—彈塑性理論，采用有限元軟件ANSYS的APDL語言編制焊接殘余應力數值模擬程序，對典型焊接接頭的初始焊接殘余應力以及施加不同外載荷后的焊接殘余應力進行模擬計算。

模擬過程中，采用生死單元技術模擬多道焊的焊接過程，為減少焊接變形，對5層焊道采用中間—正—反—正—反的交替焊的焊接順序。并采用間接耦合法進行數值模擬分析，即先進行熱分析，然后將熱分析單元Solid 70轉化為結構分析單元Solid 45，進行結構應力分析。進行有限元模擬后，得到典型焊接接頭焊縫附近的軸向初始焊接殘余應力σ的分布規律如圖8所示。

圖8　初始焊接殘余應力Fig.8　The initial residual stresses

由圖8可以看出：

1）典型焊接接頭的軸向初始焊接殘余應力在焊縫附近處較大，且在凹錐面焊縫附近為焊接殘余拉應力，在凸錐面焊縫附近為焊接殘余壓應力。

2）殘余應力最大值出現在凹錐面焊縫附近，為453.1 MPa的拉應力，約為0.53σs。結合圖4可知，若結構的工作應力與焊接殘余應力相疊加，將使結構凹錐面焊縫處變得更加危險。

4.2施加不同外載后的殘余應力

典型焊接接頭的焊接過程結束后，在其一端加軸向拉伸載荷，載荷的大小及作用方式與不考慮殘余應力時的4種工況相同。在加載過程中，由載荷引起的結構應力將與焊接殘余應力相疊加從而產生一個總的結構應力；當外載荷撤銷后，焊接殘余應力會因為結構的局部塑性變形而得到一定程度的釋放，外載荷越大，殘余應力釋放得越多，但釋放后殘余應力的數值仍較大。有限元模擬結果如表5所示。

表5　不同外載荷下軸向焊接殘余拉應力最大值Tab.5Maximum axial welding residual stresses under different loads

4.3考慮殘余應力時的疲勞熱點循環應力

根據局部應力—應變法的基本原理和初始殘余應力的研究結果可知，在考慮殘余應力對低周疲勞強度的影響時，典型焊接接頭的疲勞熱點循環應力會發生改變。由有限元分析結果可知：在考慮殘余應力時，疲勞循環載荷作用下的循環最大應力σmax即為加載過程中由疲勞載荷引起的、結構應力與焊接殘余應力相疊加產生的總的軸向結構應力的最大值，循環最小應力σmin即為疲勞載荷作用后典型焊接接頭軸向焊接殘余應力的最大值。

各工況下的疲勞熱點循環應力大小如表5所示。將載荷形式仍設為鋸齒波，在不同工況下，典型焊接接頭疲勞熱點處的循環應力曲線如圖9所示。

4.4考慮殘余應力時的疲勞壽命

將考慮殘余應力時的疲勞熱點循環應力曲線輸入MSC.Fatigue中，用Intiation模塊再次對典型焊接接頭進行疲勞強度分析，得到考慮殘余應力時典型焊接接頭的疲勞壽命如表6所示。

由表6可以看出，當考慮殘余應力時，典型焊接接頭的疲勞壽命隨著外載荷的增加逐漸減小，疲勞壽命周期仍為104次。

圖9　考慮殘余應力的疲勞熱點循環應力曲線Fig.9　Cyclic stress curves of fatigue hot-spot with the residual stress

序號工況1工況2工況3工況4外載荷最大值Fmax/t 12.5 13.1 13.8 14.5壽命L/次2.18×1041.79×1041.56×1041.39×104

4.5結果對比及分析

為了分析殘余應力對典型焊接接頭疲勞強度的影響，將表4和表6的疲勞壽命結果分別繪制成曲線進行對比，如圖10所示。

圖10　疲勞壽命結果對比Fig.10　Comparison of the fatigue life results

由圖10可以看出：

1）在不同外載荷作用下，典型焊接接頭的疲勞壽命變化規律大致相同，疲勞壽命均隨著外載荷的增加而減小。

2）當外載荷大小相同時，與不考慮焊接殘余應力時的疲勞壽命相比，考慮焊接殘余應力時的疲勞壽命明顯要低。因此，在評估水下耐壓結構典型焊接接頭的疲勞強度時，需要考慮焊接殘余應力的影響。

5　結論

本文針對水下耐壓結構典型焊接接頭殘余應力對疲勞強度的影響進行了數值模擬研究，主要得到以下結論：

1）對于本文所研究的水下耐壓結構典型焊接接頭，在不同軸向拉應力的作用下，應力最大值為拉應力，發生在凹錐面的焊縫附近區域，此處同時也是焊接殘余拉應力最大值發生的位置；在不同外載荷作用下，焊接接頭疲勞壽命最小值均發生在此處。

2）軸向拉應力是影響典型焊接接頭疲勞壽命的主要應力。典型焊接接頭凹錐面（即錐柱耐壓殼凸錐的內表面與凹錐的外表面）的焊縫附近區域應作為水下耐壓結構疲勞強度研究的熱點區域。

3）典型焊接接頭的疲勞壽命周期為104次，屬低周疲勞，此數值可為預測水下耐壓結構的疲勞壽命提供參考。

4）典型焊接接頭在考慮焊接殘余應力時，其疲勞壽命與不考慮焊接殘余應力時的相比明顯小。因此，對于此類高強度鋼的典型焊接接頭，在進行疲勞強度分析時需考慮殘余應力的影響。

5）但由于典型焊接接頭模型并不能完全反映水下耐壓結構的真實應力狀態，因此，在后續的研究中應逐步明確典型焊接接頭的應力狀態與耐壓結構真實應力狀態之間的關系，以便對水下耐壓結構的疲勞強度做進一步的研究。

［1］冷建興，尹強，丁榮華，等.980鋼焊接節點疲勞試驗［J］.船舶力學，2003，7（2）：81-83. LENG Jianxing，YIN Qiang，DING Ronghua，et al.Fa?tigue testing in welded joint of 980-grade steels［J］. Journal of Ship Mechanics，2003，7（2）：81-83.

［2］侯維廉，王金桃，王炳生.潛艇耐壓結構錐柱結合殼段模型在淡水介質下的外壓疲勞試驗研究［J］.艦船性能研究，1985（2）：78-86.

［3］PAQUET D，LANTEIGNE J，BERNARD M，et al.Char?acterizing the effect of residual stresses on High Cycle Fatigue（HCF）with induction heating treated stainless steel specimens［J］.International Journal of Fatigue，2014，59：90-101.

［4］卞如岡，崔維成，萬正權，等.焊接殘余應力對疲勞壽命影響的定量研究［J］.船舶力學，2011，15（7）：776-783. BIAN Rugang，CUI Weicheng，WAN Zhengquan，et al. A quantitative study on the effect of welding residual stresses on fatigue life［J］.Journal of Ship Mechanics，2011，15（7）：776-783.

［5］黃小平，崔維成，石德新.潛艇錐柱結合殼焊趾表面裂紋疲勞壽命計算［J］.船舶力學，2002，6（4）：62-68. HUANG Xiaoping，CUI Weicheng，SHI Dexin.Calcula?tion of fatigue life of surface cracks at weld toe of sub?marine cone-cylinder shell［J］.Journal of Ship Me?chanics，2002，6（4）：62-68.

［6］張曉飛，李良碧，李永正.AH32鋼T型焊接接頭疲勞強度的實驗與數值模擬［J］.艦船科學技術，2013，35（6）：57-60. ZHANG Xiaofei，LI Liangbi，LI Yongzheng.Research of test and simulation on fatigue strength of T welded joint for AH32 steel［J］.Ship Science and Technology，2013，35（6）：57-60.

［7］WILLIAMS J J，DENG X，CHAWLA N.Effect of resid?ual surface stress on the fatigue behavior of a low-alloy powder metallurgy steel［J］.International Journal of Fa?tigue，2007，29（9）：1978-1984.

［8］李良碧，羅廣恩，王自力.大深度載人潛水器疲勞壽命有限元分析［J］.江蘇科技大學學報（自然科學版），2006，20（3）：1-5. LI Liangbi，LUO Guang'en，WANG Zili.Fatigue life analysis of deep manned submersible by using finite el?ement method［J］.Journal of Jiangsu University of Sci?ence and Technology（Natural Science Edition），2006，20（3）：1-5.

［9］鄭飛，何玉懷，蘇彬.低周疲勞壽命預測模型分析［J］.實驗室研究與探索，2007，26（10）：189-196. ZHENG Fei，HE Yuhuai，SU Bin.Analysis of low cycle fatigue life prediction models［J］.Research and Explo?ration in Laboratory，2007，26（10）：189-196.

［10］劉康林，黃小平.預測低周疲勞壽命的一種新方法［J］.船舶力學，2010，14（1/2）；101-105. LIU Kanglin，HUANG Xiaoping.A new method for low cycle fatigue life prediction［J］.Journal of Ship Mechanics，2010，14（1/2）：101-105.

［11］賈坤榮，劉軍，岳珠峰.厚板焊接溫度場和殘余應力場的數值模擬［J］.熱加工工藝，2009，38（17）：102-105. JIA Kunrong，LIU Jun，YUE Zhufeng.Numerical sim?ulation of temperature and residual stress fields in thick plate EBM welding［J］.Hot Working Technolo?gy，2009，38（17）：102-105.

［12］孫文婷，萬正權.對接焊殘余應力的有限元分析［J］.船舶力學，2007，11（1）：94-101. SUN Wenting，WAN Zhengquan.Finite element anal?ysis of butt-welding residual stresses［J］.Journal of Ship Mechanics，2007，11（1）：94-101.

［13］羅廣恩，李良碧，王自力，等.帶初始裂紋的潛艇典型焊接節點試件疲勞壽命分析［J］.華東船舶工業學院學報（自然科學版），2005，19（5）：1-4. LUO Guang'en，LI Liangbi，WANG Zili，et al.Fatigue life prediction of typical welded joint of submarine structure with surface crack［J］.Journal of East China Shipbuilding Institute（Natural Science Edition），2005，19（5）：1-4.

［責任編輯：盧圣芳］

Influences of Residual Stress on the Fatigue Strength of the Typical Welded Joint of the Underwater Pressure Structure

ZHANG Peixin，LI Liangbi
College of Marine and Shipbuilding Engineering，Jiangsu University of Science and Technology，Zhenjiang 212003，China

The Typical welded joint of the underwater pressure structure is often built with high strength steel that is sensitive to residual stress.Therefore，it is necessary to study the influences of residual stress on the fatigue strength of the typical welded joint.In this paper，numerical simulation on the welding residu?al stress of the typical welded joint is conducted based on the ANSYS APDL language.Then，using the lo?cal stress-strain method，the numerical analysis for the fatigue strength in both cases of ignoring and con?sidering the residual stress is carried out.The results show that the maximum residual stress and the short?est life cycle of the joint both occur near the welding line of the concave cone.Specifically，the fatigue life cycles are 104，which belongs to the category of low-cycle fatigue.Meanwhile，the fatigue life decreases as the fatigue load increases，which indicates that the existence of the residual stress reduces the fatigue life of the typical welded joint significantly.

underwater pressure structure；high strength steel；welded joint；residual stress；fatigue strength；fatigue life；numerical simulation

U661.4

A

10.3969/j.issn.1673-3185.2015.01.008

2014-06-16

網絡出版時間：2015-1-28 12:01

國家自然科學基金資助項目（51479084，51109110）；國家重點基礎研究發展計劃（973計劃）資助項目（2013CB036100）

張沛心，女，1991年生，碩士生。研究方向：焊接結構的疲勞強度。E?mail：JUSTZPX@sina.com

李良碧（通信作者），女，1971年生，博士，副教授。研究方向：焊接殘余應力及疲勞強度。E?mail：liniangbi@163.com