CN105740551B - 一种焊缝疲劳寿命预测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种焊缝疲劳寿命预测方法。本发明的焊缝疲劳寿命预测方法，先通过有限元软件分析获得焊缝单元节点的节点力和力矩，然后根据做功相等原理由焊缝单元节点力和力矩计算得到相应的线性力、力矩，并通过转换计算得到焊缝厚度方向上的法向结构应力、剪切结构应力，根据裂纹在厚度方向上的实际扩展角度对其进行修正，通过经过修正的法向结构应力、剪切结构应力计算得到相应的等效的应力强度因子，从而得到在实践裂纹扩展路径上的平均等效的应力强度因子，并将其作为焊缝疲劳寿命的评价参量。本发明的方法不需要解大规模的矩阵方程，从而大大提高了计算效率；而且，本发明的方法具有计算效率高、预测精度高的优点。

Description

一种焊缝疲劳寿命预测方法

技术领域

本发明涉及焊接领域，具体涉及一种焊缝高精度疲劳寿命预测方法。

背景技术

焊接结构具有接头强度高、设计灵活性大、密封性好、易于加工连接、成品率高和易于实现自动化等优点,目前在工程生产上，焊接是最主要的连接方法，焊接结构的重量已占钢铁总产量的一半以上，工业发达国家的这一比例已经接近70％。焊接连接在汽车工业也被广泛应用，是汽车车架和底盘的主要连接方式之一。焊接结构的疲劳强度决定了焊接构件的耐久性。据统计，近年来汽车车架和底盘的疲劳问题85％与焊接结构有关。所以，我们在汽车研发的早期运用计算机辅助分析的手段，对汽车焊接结构进行疲劳寿命预测，能够有效降低研发成本，缩短汽车研发开发周期，从而提高研发汽车的市场竞争力。

目前，焊缝疲劳寿命预测普遍采用基于标准结构细节S-N曲线的名义应力法，然而在使用该方法进行焊缝疲劳寿命预测时，经常会面临以下的困难：(1)由于实际焊接结构几何形状的复杂性，导致名义应力无法明确的定义，且名义应力法不能充分利用有限元技术；(2)美国ASME标准中给出的焊缝接头类型通常是有限的，然而实际结构的焊缝接头类型、制造工艺及承载模式却比较复杂，因此对于设计标准中不存在的焊缝接头，很难选取疲劳强度的S-N曲线，通常此时都无法按照标准选取，从而不能保证疲劳寿命的预测精度。因此，该方法计算效率低下、预测精度偏低。

发明内容

针对现有的焊缝疲劳寿命预测方法所存在的模拟受力与实际情况不符、预测精度偏低等问题，本发明提出了一种新的焊缝疲劳寿命预测方法，其能够准确反映实际受理情况，更精准地预测出焊缝的疲劳寿命。

具体而言，本发明提供一种焊缝疲劳寿命预测方法，其特征在于，所述方法包括下述步骤：

(1)、基于焊缝的构造建立焊缝单元的有限元模型；

(2)、利用所述有限元模型计算所述焊缝上各焊缝单元节点的节点力及力矩；

(3)、基于所述节点力及力矩计算所述焊缝上各焊缝单元节点的线性力和力矩；

(4)、基于所述线性力和力矩，计算所述焊缝上沿焊缝厚度方向的法向结构应力和剪切结构应力；

(5)、基于所述法向结构应力和剪切结构应力计算等效的应力强度因子；

(6)、基于所述等效的应力强度因子计算平均等效应力强度因子；

(7)、以所述平均等效应力强度因子作为所述焊缝疲劳寿命的评价参量，对疲劳试验数据进行线性回归分析，获得相应的疲劳强度曲线；

(8)、基于所述疲劳强度曲线对所述焊缝的疲劳寿命进行预测。

优选地，所述步骤2)包括在整体坐标系(x,y,z)下计算所述焊缝上各焊缝单元节点的节点力及力矩，并通过坐标变换转化为各焊缝单元节点局部坐标系(x′,y′,z′)下的节点力和力矩。

优选地，所述步骤3)包括将所述焊缝在局部坐标系下的节点力和力矩通过下式转化成节点线性力和力矩f_y、f_z、m_x：

式中：F₁、F₂、F₃…F_n-1为焊缝单元节点在y′方向上的节点力；f₁、f₂、f₃…f_n-1为焊缝单元节点在y′方向上的线性力；l₁、l₂、l₃…l_n-1为焊缝上单元的边界长度。

优选地，所述步骤4)包括基于下式计算所述焊缝上沿焊缝厚度方向的法向结构应力和剪切结构应力：

其中，σ_s为焊缝厚度方向上的法向结构应力；τ_s为焊缝厚度方向上的剪切结构应力，σ_m＝f_y′/t σ_b＝6M_x′/t² τ_m＝f_x′/t τ_b＝6M_y′/t²。

优选地，所述步骤(6)包括基于下式计算等效应力强度因子。

ΔK_Ⅰ为I型应力强度因子，ΔK_II为Ⅱ型应力强度因子。

需要说明的是上面所提到的术语焊缝单元指的是在有限元或是有限元软件中用来模拟实际焊缝的有限元单元网格。

在本发明的焊缝疲劳寿命预测中，先通过有限元软件分析获得焊缝单元节点的节点力和力矩，然后根据做功相等原理由焊缝单元节点力和力矩计算得到相应的线性力、力矩，并通过转换计算得到焊缝厚度方向上的法向结构应力、剪切结构应力，并根据裂纹在厚度方向上的实际扩展角度对其进行修正，由此经过修正的法向结构应力、剪切结构应力计算得到相应的等效的应力强度因子，从而得到在实践裂纹扩展路径上的平均等效的应力强度因子，并将其作为焊缝疲劳寿命的评价参量。

有益效果

本发明基于断裂学理论来预测焊缝的裂纹扩展寿命，在焊缝厚度方向的法向结构应力的基础上将剪切结构应力也计入考虑，并综合法向结构应力和剪切结构应力获得等效的应力强度因子以及平均等效应力强度因子，最后基于平均等效应力强度因子来预测焊缝寿命。

由于本发明的方法利用有限元法计算焊缝单元的节点力和力矩不需要解大规模的矩阵方程，从而大大提高了计算效率；而且，本发明的预测方法同时考虑了焊缝厚度方向上的法向结构应力及剪切结构应力并经过计算得到平均等效的应力强度因子，因此该预测方法具有计算效率高、预测精度高的优点。

附图说明

图1示出了本发明实施例的预测方法流程图；

图2示出了对焊缝进行受力分析的分析图，图2中(a)为在整体坐标系下各部位的受力情况，其中，(x,y,z)为整体坐标系，σ_m、σ_b分别为法向结构应力中的膜应力成分和弯应力成分，σ_x为x向正应力成分，τ_y为法向剪切应力，τ_z为横向剪切应力，t母板件厚度；(b)为在局部坐标系下对焊缝上节点的受力分析，(x’,y’,z’)为局部坐标系，σ_s为法向结构应力，τ_s为剪切结构应力，τ_z为z，方向的剪切应力，t母板件厚度；(c)为焊缝上各个节点的受力情况，E₁，E₂，E₃，.....，Ei代表焊缝单元，n₁，n₂，n₃，……，n_i代表焊缝单元节点，(x,y,z)为整体坐标系，(x’,y’,z’)为局部坐标系。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例进行更详细描述。

实施例1

图1示出了本实施例中所采用的预测方法的具体流程，下面进行详细介绍。

1、剪切结构应力的定义及计算

首先，根据整车的3D数模及焊缝数据建立整车及焊缝有限元模型。利用该有限元模型，通过线弹性有限元软件直接计算并输出焊缝上各节点在整体坐标系下的节点力及力矩(对NASTRAN软件定义关键字GPFORCE)，再通过坐标变换转化为各节点局部坐标系下的节点力和力矩。图2中(x,y,z)为整体坐标系，(x′,y′,z′)为局部坐标系。

将焊缝局部坐标系下的节点力和力矩根据做功相等原理通过下式转化成节点线性力和力矩f_y、f_z、m_x：

式中：F₁、F₂、F₃…F_n-1为节点在y′方向上的节点力；f₁、f₂、f₃…f_n-1为节点在y′方向上的线性力；l₁、l₂、l₃…l_n-1为焊缝上单元的边界长度。节点的线性力矩也可由节点力矩通过相同的转换矩阵得到。

可计算：σ_m＝f_y′/t σ_b＝6M_x′/t² τ_m＝f_x′/t τ_b＝6M_y′/t²

则定义：

式中：σ_s为焊缝厚度方向上的法向结构应力；τ_s为焊缝的剪切结构应力，式中，m和b是标记序号。

2、焊缝的疲劳寿命预测

根据断裂力学理论可知，ⅠⅡ型应力强度因子分别由下式计算：

其中，为应力强度因子对应膜应力的几何修正系数，a代表裂纹长度，t_r代表临界裂纹长度；为应力强度因子对应弯应力的几何修正系数；为应力强度因子对剪切应力的修正系数，表达式如下：

式中：C₀＝1.12152，C₁＝-3.04507，C₂＝10.49184，C₃＝-36.6678，C₄＝110.099，C₅＝-255.68184，C₆＝421.97167，C₇＝-440.50866，C₈＝199.37326，C₉＝123.93056，C₁₀＝-237.97164，C₁₁＝136.17068，C₁₂＝-28.91005；

根据Broke等人的研究工作，等效的应力强度因子由下式计算：

其中β为跟材料延展性相关的系数，Swellam等人提出对低碳钢β可取2，高碳钢β可取3；

假定疲劳断裂临界裂纹长度t_r≈t,则疲劳裂纹从a＝0开始至扩展到a＝t时断裂，则可取整个裂纹扩展过程中的平均应力强度因子为：

将该平均等效应力强度因子作为焊缝疲劳寿命的评价参量，对不同材料、不同形式接头焊缝的与其疲劳试验数据进行线性回归分析，可以得到一条相关性良好的曲线，实际分析中可用这条曲线对焊缝的疲劳寿命进行有限元法预测。

综上所述，本发明在模拟焊缝单元的受力时，在已有焊缝厚度方向上的法向结构应力的基础上，定义并计算焊缝厚度方向上的剪切结构应力，并在焊缝疲劳寿命预测时考虑的单元的受力情况更契合实际情况，从而提高焊缝疲劳寿命的预测精度。

本发明采用基于焊缝单元节点力和力矩得到的一个平均等效应力强度因子作为焊缝疲劳寿命的评价参量，由有限元方法计算得到焊缝单元节点力和力矩不需要解大规模的矩阵方程，且焊缝疲劳寿命计算中考虑裂纹实际扩展路径的影响，因此计算效率及预测精度相对较高。

虽然上面结合本发明的优选实施例对本发明的原理进行了详细的描述，本领域技术人员应该理解，上述实施例仅仅是对本发明的示意性实现方式的解释，并非对本发明包含范围的限定。实施例中的细节并不构成对本发明范围的限制，在不背离本发明的精神和范围的情况下，任何基于本发明技术方案的等效变换、简单替换等显而易见的改变，均落在本发明保护范围之内。

Claims (4)

1.一种焊缝疲劳寿命预测方法，其特征在于，所述方法包括下述步骤：

(1)、基于焊缝的构造建立所述焊缝上焊缝单元的有限元模型；

(2)、利用所述有限元模型计算所述焊缝上各焊缝单元节点的节点力及力矩；

(3)、基于所述节点力及力矩计算所述焊缝上各焊缝单元节点的线性力和力矩；

(4)、基于所述线性力和力矩，计算所述焊缝上沿焊缝厚度方向的法向结构应力和剪切结构应力；

(5)、基于所述法向结构应力和剪切结构应力计算等效的应力强度因子；

(6)、基于所述等效的应力强度因子计算平均等效应力强度因子；

(7)、以所述平均等效应力强度因子作为所述焊缝疲劳寿命的评价参量，对疲劳试验数据进行线性回归分析，获得相应的疲劳强度曲线；

(8)、基于所述疲劳强度曲线对所述焊缝的疲劳寿命进行预测，

其中，所述步骤(5)包括基于下式计算等效应力强度因子：

ΔK_Ⅰ为I型应力强度因子，ΔK_||为Ⅱ型应力强度因子，其中，β为与材料延展性相关的系数，

Ⅰ和Ⅱ型应力强度因子分别由下式计算：

其中，为应力强度因子对应膜应力的几何修正系数，a代表裂纹长度，t_r代表临界裂纹长度；为应力强度因子对应弯应力的几何修正系数；为应力强度因子对剪切应力的修正系数，σ_m＝f_y′/t， σ_b＝6M_x′/t²，τ_s为焊缝的剪切结构应力。

2.根据权利要求1所述的焊缝疲劳寿命预测方法，其特征在于，所述步骤2)包括在整体坐标系(x,y,z)下计算所述焊缝上各焊缝单元节点的节点力及力矩，并通过坐标变换转化为各焊缝单元节点局部坐标系(x′,y′,z′)下的节点力和力矩。

3.根据权利要求2所述的焊缝疲劳寿命预测方法，其特征在于，所述步骤3)包括将所述焊缝在局部坐标系下的节点力和力矩通过下式转化成节点线性力和力矩f_y、f_z、M_x：

式中：F₁、F₂、F₃…F_n-1为焊缝单元节点在y′方向上的节点力；f₁、f₂、f₃…f_n-1为焊缝单元节点在y′方向上的线性力；l₁、l₂、l₃…l_n-1为焊缝上单元的边界长度。

4.根据权利要求3所述的焊缝疲劳寿命预测方法，其特征在于，所述步骤4)包括基于下式计算所述焊缝上沿焊缝厚度方向的法向结构应力和剪切结构应力：

其中，σ_s为焊缝厚度方向上的法向结构应力；τ_s为焊缝厚度方向上的剪切结构应力，σ_m＝f_y′/t σ_b＝6M_x′/t² τ_m＝f_x′/t τ_b＝6M_y′/t²。