CN103017944B - 焊缝纵向力的测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种焊缝纵向力的测量方法，它包括以下步骤：步骤一、选取一形状为扁平长方体的实验材料，将实验材料长度方向一端固定，并对实验材料进行单侧堆焊，记录下焊接线能量Q；步骤二、等待焊接后的实验材料恢复至室温，测量此时实验材料的横向最大挠度v0；步骤三、计算实验材料挠度与焊缝纵向方向外力关系式；步骤四、把步骤二测量的横向最大挠度v0代入上述关系式中，即可求得在该焊接线热量条件下的焊缝纵向力。本发明一种焊缝纵向力的测量方法，它利用挠度与纵向力的关系，通过方便测量的横向最大挠度求出材料的纵向力，极大地简化了实际测量纵向力的过程。
Description
技术领域
本发明涉及一种计量技术领域的方法，具体是一种焊缝纵向力（Tendon Force）的测量方法。
背景技术
焊接广泛应用于桥梁、船舶、航空等制造业，是一种高效灵活的连接方式。然而，焊接带来的残余变形不仅使构件承载能力降低，而且在工作载荷作用下残余变形引起的附加弯矩和应力集中现象是焊接结构早期失效的主要原因，也是造成焊接结构疲劳强度降低的原因之一。因此，焊接残余变形预测对实际工程有很大意义。
固有应变法是一种近年来兴起的一种近似预测大型复杂焊接构件变形的方法，有很大的应用意义和发展前途。固有应变法在预测焊缝纵向变形时需要知道焊缝的纵向固有应变，由固有应变中理论公式：
其中为焊缝纵向力（Tendon Force），为材料弹性模量，为焊缝纵向应变，为焊缝横向积分量，为焊缝纵向积分量。
可知，若想获得材料在不同焊接条件下的焊缝纵向力（Tendon Force），则可通过上式求的焊缝纵向固有应变。目前实际测量焊缝纵向力（Tendon Force）的方法还没有，主要通过测量焊缝中的残余应力来推算，测量方法十分繁杂；也有通过热弹塑性有限元方法进行理论预测。
发明内容
本发明的目的在于克服上述不足，提供一种焊缝纵向力的测量方法，运用挠度与纵向力的关系，通过测量焊后试件横向最大挠度，得到一定焊接条件下材料的焊缝纵向力。
本发明的目的是这样实现的：一种焊缝纵向力的测量方法，所述方法包含如下步骤：
步骤一、选取一形状为扁平长方体的实验材料，将实验材料长度方向一端固定，并对实验材料进行单侧堆焊，焊接方向为由实验材料固定端至实验材料自由端，记录下焊接线能量Q；
步骤二、等待焊接后的实验材料恢复至室温，测量此时实验材料的横向最大挠度v0；
步骤三、计算实验材料挠度与焊缝纵向方向外力关系式，具体为：
首先测定实验材料具体尺寸（包括长度、高度和厚度）、弹性模量、轴向惯性矩；
其次，将上述测定值代入焊接力学中弯矩与挠度关系式，其中，v为实验材料横向挠度，M为弯矩，E为实验材料弹性模量，I为实验材料轴向惯性矩；
最后，求解微分方程，得到焊缝纵向力与横向最大挠度的关系式，其中x0为最大挠度v0对应的x值；
步骤四、把步骤二测量的横向最大挠度v0代入上述焊缝纵向力与横向最大挠度的关系式中，即可求得在该焊接线热量条件下的焊缝纵向力。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明一种焊缝纵向力的测量方法，它利用挠度与纵向力的关系，通过方便测量的横向最大挠度求出材料的纵向力，极大地简化了实际测量纵向力的过程。
附图说明
图1为本发明实施例中试件的弹性模量随温度变化曲线图。
图2为分别测量本发明实施例中试件在四种不同线能量堆焊情况下模型的挠度与线能量关系图。
图3为将试件受理简化为自由端受集中载荷，另一端为刚性固定的方法示意图。
图4为将图3端部载荷力向试件中心简化为集中力和集中弯矩的方法示意图。
图5为本发明实施例中焊接线能量与挠度的理论关系图。
图6为将图2中通过热弹塑性有限元分析方法所得到的挠度与线能量关系与图5所示的理论关系进行比较的结构示意图。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
本实施例包括如下步骤：
步骤一、选取长为a=270mm，高为h=100mm，宽为b=9mm的钢块为实验材料，将实验材料一端固定，实验材料的弹性模量随温度变化如图1所示。对实验材料进行单侧堆焊，堆焊线能量分别为63.0kJ/m，100.8kJ/m，163.8kJ/m，259.0kJ/m；
步骤二、等待实验材料恢复至室温，分别测量不同线能量堆焊情况下模型的最大挠度，最大挠度v与线能量Q关系如图2所示；
步骤三、计算实验材料挠度与焊缝纵向方向外力关系式，根据焊接力学知识将试件受力简化为自由端受集中载荷，另一端为刚性固定，如图3所示，再将端部载荷力向试件中心简化为集中力和集中弯矩，如图4所示，由焊接力学知识推导如下：
弯矩：
（1）；（2）
（其中为自由端挠度）
总弯矩：
（3）
将（3）式代入挠度与弯矩方程式（4）
（4）
（其中为试件沿x轴方向挠度）
得
（5）
令
（6）
将（6）代入（5）得
（7）
解方程式（7）得特解
（8）
设方程式（7）通解为
（9）
边界条件为
（10）
（11）
（12）
将边界条件代入解的表达式（8）+(9)得最终解
（13）
将材料参数E、I、a、h及最大挠度对应的x值（设为x0）代入式（13），可以得到焊缝纵向力 FT与最大挠度v0的关系式（14）
（14）
为验证此方法可行性，应用文献“Tendon Force 的概念及计算方法”（《造船技术》2004年第4期）中给出的焊接线能量与焊缝纵向力关系公式求得不同焊接线能量情况下的焊缝纵向力，将这些焊缝纵向力分别代入（14）式，得到焊接线能量Q与最大挠度v0的理论计算关系，如图5所示。
将图2中得到的实验测量结果与图5的理论计算结果相比对，如图6所示，非常吻合，说明此方法可行。
Claims (1)
1.一种焊缝纵向力的测量方法，其特征在于：所述方法包含如下步骤：
步骤一、选取一形状为扁平长方体的实验材料，将实验材料长度方向一端固定，并对实验材料进行单侧堆焊，焊接方向为由实验材料固定端至实验材料自由端，记录下焊接线能量Q；
步骤二、等待焊接后的实验材料恢复至室温，测量此时实验材料的横向最大挠度v0；
步骤三、计算实验材料挠度与焊缝纵向方向外力关系式，具体为：
首先测定实验材料具体尺寸、弹性模量、轴向惯性矩；
其次，将上述测定值代入焊接力学中弯矩与挠度关系式 ，其中，x为实验材料沿x轴方向的坐标位置，v为实验材料横向挠度，M为弯矩，E为实验材料弹性模量，I为实验材料轴向惯性矩；
最后，求解微分方程，得到焊缝纵向力与横向最大挠度的关系式，其中x0为最大挠度v0对应的x值，FT为焊缝纵向力，a为实验材料的长度，h为实验材料的高度；
步骤四、把步骤二测量的横向最大挠度v0代入上述焊缝纵向力与横向最大挠度的关系式中，即可求得在该焊接线热量条件下的焊缝纵向力。
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