CN104089835A - TC4焊接构件寿命Nf预测和可靠度R分析方法 - Google Patents

Abstract

TC4焊接构件寿命N_f预测和可靠度R分析方法，其中所述寿命N_{f --}预测包括以下步骤：（一）对TC4试样进行预处理，（二）对试样进行氩弧焊，（三）对进行疲劳试验，（四）测定材料损伤状态参数Do值，（五）测定试样的应力值σ₁，σ₂和σ₃，（六）再计算在设定温度T和应力σ下构件的使用寿命；所述可靠度R分析包括以下步骤：当初始损伤Do=0时，根据公式计算可靠度R，当初始损伤D₀不为0时，R=1-D，其中D为累积损伤量。本发明的优点：主要针对TC4的氩弧焊接构件；基于的疲劳损伤模型的预测；针对承受复杂载荷的构件；可用于服役过程中任一时刻的剩余寿命的计算和安全检测；本发明有很大的工程应用价值。

Description

TC4焊接构件寿命Nf预测和可靠度R分析方法

技术领域

本发明涉及一种焊接构件寿命预测和可靠度分析方法，特别是一种对TC4合金寿命的预测和可靠度分析方法。 

技术背景

TC4钛合金，即美国牌号的Ti₆Al₄V焊接构件，具有密度小、韧性好、比强度高、耐腐蚀和中低温性能好等特点，因此在众多钛合金中，TC4的应用最为广泛，用量超过全世界钛合金总量的50％。TC4是航空、航天、船舶、军事等领域的重要材料。比如在船舶舰艇领域就可应用于船体结构、推进系统、电力系统、电子信息系统及特种装置等多个方面。 

随着TC4钛合金使用的增加和其结构件形状的日趋复杂，关于TC4钛合金及其焊接结构疲劳性能的研究也越来越多，并与迅速发展的损伤理论相结合。 

与传统疲劳理论相比，连续疲劳损伤理论的优点是更符合试验观察到的疲劳过程的微观机理；损伤变量可以更直接地度量疲劳损伤过程；便于考虑疲劳损伤之间的耦合与相互影响。 

在总应力低于350 MPa的中小载荷范围。线性损伤模型预测的寿命偏于保守，这会造成生产成本和使用上的浪费。比如在250 MPa的线性损伤模型预测的寿命还不到真实寿命的10％，大大地降低了其经济效益。 而本发明的非线性损伤模型预测的损伤累积量明显小于线性预测值，其寿命预测与实际情况更为接近。因此，本发明在这范围有很大的工程应用价值。 

发明内容

为解决上述问题，本发明通过TC4钛合金焊接试样的疲劳试验，探索其非线性损伤模型，并利用该模型计算焊接构件寿命和可靠度。 

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是: 

一种对TC4焊接构件寿命N_f预测和可靠度R分析方法，即美国牌号的Ti₆Al₄V焊接构件寿命N_f预测和可靠度R分析，其特征在于：

其中，所述寿命Nf预测方法包括以下步骤：

（一）对TC4 试样进行预处理，所述预处理，首先将 TC4 试样清洗干净后放在稀释的 NaOH +酒精溶液中浸泡，然后将试样在室温下浸泡于HF + HNO₃+水的溶液中，再用冷水和丙酮分别漂洗干净。

（二）对试样进行氩弧焊，氩弧焊为采用对称施焊，焊缝高温区正反面采用氩气拖罩保护，经氩弧焊接的TC4构件焊缝质量符合GJB1718A中的Ⅰ级焊缝质量的要求。 

（三）对试样进行疲劳试验，TC4 焊接试样疲劳试验在 Instron － 1341 试验机上进行， 疲劳试验按照国家标准 GB /T305 1982《金属轴向疲劳实验方法》进行， 疲劳载荷采用正弦波循环，加载方式为轴向加载，试验环境为室温和标准大气压，通过疲劳试验得到 TC4 钛合金焊接件的疲劳极限 σ及S- N 曲线。 

该TC4钛合金焊接件的疲劳极限σ_-1为225 MPa，其S-N曲线图2所示。 

对疲劳损伤模型 进行改进创新： 

设t=1-D;则dD=d（1-t）=-dt；代入上式，并改变积分上下限分别为0与1-D₀

设u=，则du=d()=(β+1)t^βdt;即dt= ；代入上式，并改变积分限分别（1-D₀）^β+1与0；

设v=1-u；则du=d（1-v）=-dv；代入上式，并改变积分上下限分别为1-（1-D₀）^β+1与1；

所以有初始损伤d的构件寿命为：

证明成立。

（四）测定材料损伤状态参数Do值，采用公式 获得材料损伤状态参数Do值，其中V₁为采用它无损检测设备测量的超声波速率，V₀为尺寸无损伤构件的超声波速度。 

（五）测定试样的应力值σ₁，σ₂和σ₃ ，利用应力测定仪或者硬度计测应力。 

 （六）再根据公式计算在设定温度T和应力σ下构件的使用寿命，其中参数 ，σ_T为总应力，。 

 其中，所述可靠度R分析方法包括： 

（一）当初始损伤Do=0时，根据公式计算可靠度R，其中n为应力循环次数；

（二）当初始损伤Do不为0时，R=1-D，其中D为累积损伤量，任一时刻其累积损伤量D有，

。

本发明的优点：主要针对TC4的氩弧焊接构件；基于的疲劳损伤模型的预测；针对承受复杂载荷的构件；可用于服役过程中任一时刻的剩余寿命的计算和安全检测；本发明非线性损伤模型预测的损伤累积量明显小于线性预测值，其寿命预测与实际情况更为接近；本发明有很大的工程应用价值。 

附图说明

下面结合附图说明和实施例对本发明进一步说明 

图1是本发明预测焊接件寿命和可靠度的流程图；

图2是TC4钛合金焊接件S-N曲线；

图3是不同条件下得到不同的寿命N_f的情况。

具体实施方式

实施例

下面结合图示，进一步阐述本发明。 

图1是本发明预测TC4焊接件寿命和可靠度的流程图。 

在焊接件预处理阶段，首先将 TC4 试样清洗干净后放在稀释的 NaOH +酒精溶液中浸泡，然后将试样在室温下浸泡于HF + HNO₃+水的溶液中，再用冷水和丙酮分别漂洗干净。 

氩弧焊为采用对称施焊，焊缝高温区正反面采用氩气拖罩保护，经氩弧焊接的TC4构件焊缝质量符合GJB1718A中的Ⅰ级焊缝质量的要求。 

TC4 焊接试样疲劳试验在 Instron － 1341 试验机上进行， 疲劳试验按照国家标准 GB /T305 1982《金属轴向疲劳实验方法》进行。 疲劳载荷采用正弦波循环，加载方式为轴向加载，试验环境为室温和标准大气压。通过疲劳试验得到 TC4 钛合金焊接件的疲劳极限 σ及S- N 曲线如图2所示。 

对疲劳损伤模型 进行改进创新，得到焊接构件寿命预测公式为： 

，

式中，参数 ，σ_T为总应力，

。

  

当初始损伤Do=0时，根据公式计算可靠度R， n为应力循环次数。

当初始损伤Do不为0时，R=1-D，其中D为累积损伤量， 

任一时刻其累积损伤量D有，

设定总应力σT，参数A，用无损探测仪测量初始损伤Do，计算可靠度R，代入公式，得到N_f。

如图3所示： 

当总应力σ_T /MPa为320，参数A为0.0091，初始损伤Do为0.10%，可靠度R为99%时，寿命N_f为5040；

在相同总应力σ_T /MPa，参数A，初始损伤Do下，可靠度R为90%，那么得到的寿命N_f为9920；

在相同总应力σ_T /MPa，参数A下，初始损伤Do为0%（即没有初始损伤），可靠度R为95%，那么得到的寿命N_f为60845。

当总应力σ_T /MPa为250，参数A为0.0022，初始损伤Do为0.50%，可靠度R为99%时，寿命N_f为3167；在相同总应力σ_T /MPa，参数A，初始损伤Do下，可靠度R为90%，那么得到的寿命N_f为13228。 

当总应力σ_T /MPa为390，参数A为0.0172，初始损伤Do为0.00%，可靠度R为95%时，寿命为25246。 

从图3结果可以得出，当总应力σ_T /MPa、参数A、初始损伤Do相同，可靠度R越高，寿命N_f越低。 

Claims (1)

1.TC4焊接构件寿命N_f预测和可靠度R分析方法，即美国牌号的Ti₆Al₄V焊接构件寿命N_f预测和可靠度R分析，其特征在于：其中所述寿命N_f--预测包括以下步骤：

（一）对TC4 试样进行预处理；

（二）对试样进行氩弧焊；

（三）对试样进行疲劳试验；

（四）测定材料损伤状态参数Do值，

采用公式                                                获得材料损伤状态参数Do值，其中V₁为采用无损检测设备测量的超声波速率，V₀为尺寸无损伤构件的超声波速度；

（五）测定试样的应力值σ₁，σ₂和σ₃ ，

利用应力测定仪或者硬度计测应力；

（六）再根据公式计算在设定温度T和应力σ下构件的使用寿命，

其中参数，σ_T为总应力，

；

所述可靠度R分析包括以下步骤：

（一）当初始损伤Do=0时，根据公式计算可靠度R，其中n为应力循环次数；

（二）当初始损伤Do不为0时，R=1-D，其中D为累积损伤量，任一时刻其累积损伤量D有，

。