CN110580370A - 一种基于能量耗散理论的点焊接头疲劳寿命分析方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及点焊接头疲劳寿命分析方法技术领域，尤其涉一种基于能量耗散理论的点焊接头疲劳寿命分析方法，包括以下步骤：S1建立能量耗散模型；S2确定参数和S3结果分析，本方法可以方便的预测点焊接头疲劳寿命，操作过程方便简单，通过对比分析可以发现，疲劳寿命预测值与相应的疲劳寿命试验值非常接近，多组验证试验的疲劳寿命预测值与相应的疲劳寿命试验值之间的误差均在20%以内，且预测误差最大值仅为16.98%。
Description
技术领域
本发明涉及点焊接头疲劳寿命分析方法技术领域，尤其涉及一种基于能量耗散理论的点焊接头疲劳寿命分析方法。
背景技术
疲劳过程中所产生的能量，一部分是作为热量耗散掉的，另一部分使试件的微观结构发生变化，直接体现疲劳裂纹扩展过程的是试件或结构的微观结构变化。
对于高应力低周疲劳问题而言，整体上呈现出显著的塑性变形，塑性应变能的释放是其疲劳破坏的根本原因；对于低应力高周疲劳行为，宏观上处于弹性阶段，从能量耗散的角度看，虽然用于微观结构变化的能量只占到了结构中能量耗散的很小的一部分，但是局部范围内的微塑性应变累积是诱导高周疲劳破坏发生的决定性因素。现有的研究成果大多数集中于疲劳产生的热量，而与导致裂纹扩展的本质没有建立起必然的联系，大多数模型只能对特定情况下的特定试件适用，通用性较差。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术中存在的缺点，而提出的一种基于能量耗散理论的点焊接头疲劳寿命分析方法。
为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
一种基于能量耗散理论的点焊接头疲劳寿命分析方法，包括以下步骤：
S1建立能量耗散模型：
体积为V的疲劳试样，其每一周次内的由温度变化所引起的内能Ut可表示为：
式中f为载荷频率，ρ为材料密度，c为材料比热容；
疲劳试样在每个周期所消耗机械能W几乎等于因温度上升所引起的内能变化Ut，W可表示为：
根据疲劳试样断裂所需的总机械能Wf为一个定值，Wf和疲劳寿命Nf存在如下关系：
体积V可以定义为：
建立基于能量耗散理论的点焊接头疲劳寿命预测模型：
其中ρ和c为材料参数，又由于N＝t·f，那么可以得到模型式可改写为：
其中将Ef定义为异种材料点焊接头疲劳过程的能量特征系数，为温度梯度；
S2确定参数：通过试样的几何尺寸获得D和t1，通过监测点焊接头熔合区和塑性环表面得到温度梯度
S3结果分析：根据能量耗散模型对点焊接头疲劳寿命进行预测。
优选的，所述S1中，D为点焊接头表面熔核直径，t1为疲劳试样的平均厚度。
优选的，所述S1中，当疲劳寿命Nf超过5x104时，材料在每一个周期中所消耗的机械能W几乎是恒定的。
优选的，所述疲劳试样为SUS301L奥氏体不锈钢和Q235B低碳钢。
优选的，所述平均能量特征系数Ef可以通过剪切拉伸疲劳试验进行确定。
优选的，所述剪切拉伸疲劳试验为：通过升降法确定疲劳试样点焊接头在指定寿命循环下的疲劳极限，所述指定寿命为2×106次。
本发明的有益效果是：
本发明提出的方法：
1、本方法可以方便的预测点焊接头疲劳寿命，操作过程方便简单。
2、通过对比分析可以发现，疲劳寿命预测值与相应的疲劳寿命试验值非常接近，多组验证试验的疲劳寿命预测值与相应的疲劳寿命试验值之间的误差均在20％以内，且预测误差最大值仅为16.98％，疲劳寿命的试验值与预测值之间具有较高的一致性，因此，本方法所建立的基于能量耗散理论的SUS301L-Q235B点焊接头疲劳寿命预测模型具有较高的真实性与有效性。
附图说明
图1为本发明提出的一种基于能量耗散理论的点焊接头疲劳寿命分析方法的实施例中Test1试验组的相对温度演化曲线。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
一种基于能量耗散理论的点焊接头疲劳寿命分析方法，包括以下步骤：
S1建立能量耗散模型：
体积为V的疲劳试样，其每一周次内的由温度变化所引起的内能Ut可表示为：
式中f为载荷频率，ρ为材料密度，c为材料比热容；
疲劳试样在每个周期所消耗机械能W几乎等于因温度上升所引起的内能变化Ut，W可表示为：
根据疲劳试样断裂所需的总机械能Wf为一个定值，Wf和疲劳寿命Nf存在如下关系：
体积V可以定义为：
建立基于能量耗散理论的点焊接头疲劳寿命预测模型：
其中ρ和c为材料参数，又由于N＝t·f，那么可以得到模型式可改写为：
其中将Ef定义为异种材料点焊接头疲劳过程的能量特征系数，为温度梯度；
S2确定参数：通过试样的几何尺寸获得D和t1，通过监测点焊接头熔合区和塑性环表面得到温度梯度
S3结果分析：根据能量耗散模型对点焊接头疲劳寿命进行预测。
进一步的，D为点焊接头表面熔核直径，t1为疲劳试样的平均厚度。
进一步的，当疲劳寿命Nf超过5x104时，材料在每一个周期中所消耗的机械能W几乎是恒定的。
进一步的，疲劳试样为SUS301L奥氏体不锈钢和Q235B低碳钢。
进一步的，平均能量特征系数Ef可以通过剪切拉伸疲劳试验进行确定。
进一步的，剪切拉伸疲劳试验为：通过升降法确定疲劳试样点焊接头在指定寿命循环下的疲劳极限，所述指定寿命为2×106次。
本实施例中，试验选用SUS301L奥氏体不锈钢和Q235B低碳钢材料制备点焊接头疲劳试样，分别将四组点焊接头疲劳试样设定为试验组Test1-4，其分组情况和尺寸参数表1所示：
下表为表1
通过升降法确定SUS301L奥氏体不锈钢和Q235B低碳钢点焊接头指定寿命为2×106次循环下的疲劳极限，建立了能量耗散模型后，通过确定模型中的温度梯度就可以预测SUS301L-Q235B点焊接头的疲劳寿命。为此，将详细分析四个试验组疲劳试样的温度演化规律，并进行相应阶段的能量耗散分析。如图1所示，给出了Test1试验组中的一个点焊接头疲劳试样在2.8KN循环载荷作用下，加载1637078 次发生疲劳断裂所得到的相对温度演化曲线。从(a)到(e)为五个关键时间节点，并以此将整个温度演化历程划分为四个阶段：
下表为表2：SUS301L奥氏体不锈钢和Q235B低碳钢点焊工艺参数：
第一阶段，从(a)到(b)，一旦试验开始加载，SUS301L-Q235B 点焊接头疲劳试样表面温度就会以快速且温度的速度上升，这是一种微观尺度物理变化的宏观表现。从微观尺度来看，材料的塑性变形是位错运动的反映，并且塑性变形的大小与位错的数量有关。在外部循环加载作用下，材料内部的可移动位错首先开始运动。然而，对于本文研究对象SUS301L-Q235B点焊接头，一方面，在加载之前，可移动的位错数较少；此外，由于载荷水平低于屈服强度，材料不会发生宏观塑性变形，当位错遇到晶界、亚晶界和沉淀相时，其移动将受到阻碍。在循环加载的早期阶段，由于加载时间短，位错源的快速传播没有实现。在这种情况下，微观结构的变化是有限的，几乎不会产生微裂纹的内表面，因此在材料内部积聚储能ΔUs是非常小的。因此，材料消耗的大部分机械能用于温度的上升，因此第一阶段显示出较高的温度上升速率。
第二阶段，从(b)到(c)，呈现出一个短暂的下降过程。这一现象至今未形成统一的确切物理含义解释。对于一个未受损的试样，可以认为其处于局部无序的原子状态，而它整体上呈现出一个有序状态。当从外部加载时，试样从一个相对无序的状态转变为一个更加有序的状态。从热力学的角度来看，试样从非稳态到稳态的过程需要消耗能量，从而导致了温度的下降过程。第二阶段很短，以至于在其他载荷水平的温度演化过程中没有出现，特别是承受较高载荷的疲劳试样温度演化曲线中。
第三阶段，从(c)到(d)，温度以相对恒定的速度增长。由于热对流、热辐射和热传导的存在，当疲劳加载时间足够长时，试样表面与外界环境之间会产生一个较大的温度差，它会加速试样表面的热量损失。然而如前所述，当材料处于绝热状态时，试样产生的热量不会因热对流、热辐射和热传导而耗散，在本文的疲劳试验中，封闭的实验室环境几乎可以看作是绝热条件。疲劳试件所消耗的机械能完全转化导致试件表面温度升高的材料内能变化Ut。综上所述，第三阶段温度达到一个动态平衡状态，温度上升速度近似是一个恒定值，并且第三阶段的温度梯度可以通过线性拟合得到。当试样发生疲劳断裂时，断裂位置的温度达到了整个温度演化过程的峰值。这一阶段占据了整个疲劳寿命的绝大部分，特别是较高载荷水平作用下的疲劳过程。
第四阶段，从(d)到(e)，试样表面温度在发生疲劳断裂后逐渐降低。这是一个自然冷却的过程，
加载水平对于温度梯度的影响具有决定作用，温度梯度随着载荷水平的增大而增大，由图1所示的温度变化曲线图线性拟合得到其各加载水平下四个疲劳试验组的温度梯度。根据公式为了分别获得四个试验组的能量特征系数Ef。
模型验证
为了验证模型的真实性与有效性，分别选用与前文四组试验组试验条件及几何参数完全相同的点焊接头疲劳试样进行验证试验。每个试验组进行三组验证试验，获得其疲劳寿命试验值与预测值的对比结果见表3，其中预测误差δ定义为：
下表为表3
如前所述，根据所建立的基于能量耗散理论的点焊接头疲劳预测模型，一旦获得了不同几何参数点焊接头所对应的平均能量特征系数，就可以进行点焊接头疲劳寿命的快速预测。Test1～4试验组每组选取三个试样，共12个点焊接头进行验证试验，根据疲劳试验获得疲劳寿命试验值及根据基于能量耗散理论获得的疲劳寿命预测值分别列于表表3中。通过对比分析可以发现，疲劳寿命预测值与相应的疲劳寿命试验值非常接近，根据公式计算 12组验证试验的预测误差，列于表3最右侧一列，12组验证试验的疲劳寿命预测值与相应的疲劳寿命试验值之间的误差均在20％以内，且预测误差最大值仅为16.98％，疲劳寿命的试验值与预测值之间具有较高的一致性，因此，本文所建立的基于能量耗散理论的 SUS301L-Q235B点焊接头疲劳寿命预测模型具有较高的真实性与有效性。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种基于能量耗散理论的点焊接头疲劳寿命分析方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1建立能量耗散模型：
体积为V的疲劳试样，其每一周次内的由温度变化所引起的内能Ut可表示为：
式中f为载荷频率，ρ为材料密度，c为材料比热容；
疲劳试样在每个周期所消耗机械能W几乎等于因温度上升所引起的内能变化Ut，W可表示为：
根据疲劳试样断裂所需的总机械能Wf为一个定值，Wf和疲劳寿命Nf存在如下关系：
体积V可以定义为：
建立基于能量耗散理论的点焊接头疲劳寿命预测模型：
其中ρ和c为材料参数，又由于N＝t·f，那么可以得到模型式可改写为：
其中将Ef定义为异种材料点焊接头疲劳过程的能量特征系数，为温度梯度；
S2确定参数：通过试样的几何尺寸获得D和t1，通过监测点焊接头熔合区和塑性环表面得到温度梯度
S3结果分析：根据能量耗散模型对点焊接头疲劳寿命进行预测。
2.根据权利要求1所述的一种基于能量耗散理论的点焊接头疲劳寿命分析方法，其特征在于，所述S1中，D为点焊接头表面熔核直径，t1为疲劳试样的平均厚度。
3.根据权利要求1所述的一种基于能量耗散理论的点焊接头疲劳寿命分析方法，其特征在于，所述S1中，当疲劳寿命Nf超过5x104时，材料在每一个周期中所消耗的机械能W几乎是恒定的。
4.根据权利要求1所述的一种基于能量耗散理论的点焊接头疲劳寿命分析方法，其特征在于，所述疲劳试样为SUS301L奥氏体不锈钢和Q235B低碳钢。
5.根据权利要求1所述的一种基于能量耗散理论的点焊接头疲劳寿命分析方法，其特征在于，所述平均能量特征系数Ef可以通过剪切拉伸疲劳试验进行确定。
6.根据权利要求5所述的一种基于能量耗散理论的点焊接头疲劳寿命分析方法，其特征在于，所述剪切拉伸疲劳试验为：通过升降法确定疲劳试样点焊接头在指定寿命循环下的疲劳极限，所述指定寿命为2×106次。
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