CN110991104B - 焊接空间网架节点焊缝风致多轴高周疲劳损伤评定方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种焊接空间网架结构节点焊缝风致多轴高周疲劳损伤评定方法，属于结构工程领域，包括：对网架结构进行风荷载作用下的响应时程分析；建立各焊接节点的有限元模型，将网架结构各杆件的内力时程作为边界条件，分析节点疲劳危险点处的等效应力时程，采用雨流计数对等效应力时程进行计数，找出各个全循环起始时刻，确定循环个数及其对应的原始剪应力和正应力时程；在确定的各循环中搜索临界面，统计临界面上的最大剪应力及最大正应力幅值，根据幅值比得到疲劳参数及各循环内的疲劳失效次数，根据所有循环内的疲劳失效次数得到所有循环内的疲劳损伤量以及总体疲劳寿命。本发明方法不仅易于实现，而且能够正确评定网架结构的疲劳性能。
Description
技术领域
本发明属于结构工程技术领域，更具体地，涉及一种焊接空间网架结构节点焊缝在风荷载作用下的疲劳损伤评定方法。
背景技术
焊接空间网架结构多用于展览馆、体育馆、剧院等，是一类应用非常广泛的土木工程结构。它由杆件通过节点，按照一定规律组成的网状空间杆系结构，由圆钢管与焊接空心球节点连接成整体结构。风荷载是此类结构的主要设计荷载，在三维随机风场作用下，管球焊接节点处于复杂多轴应力状态下，产生的疲劳损伤形式是多轴高周疲劳。2004年，法国戴高乐机场候机厅发生垮塌，事故调查结果表明：存在初始裂纹的节点焊缝在风荷载作用下，疲劳损伤不断累积导致结构破坏。因此，研究焊接空间网架结构节点焊缝在风荷载作用下的疲劳损伤评定方法对掌握该结构的疲劳性能保证其风致安全有重要的意义。
对焊接空间网架结构内力分析表明，焊接空心球节点空间网架结构的疲劳性能取决于节点疲劳，而该节点的疲劳问题又主要是管球连接的疲劳；从结构疲劳试验结果来看，疲劳断口大多数发生在节点部分的焊缝和钢管端部。但是，目前对焊接空间网架结构风致疲劳分析方法几乎没有涉及到节点焊缝的疲劳分析，更没有考虑网架结构风致疲劳的多轴高周特点，主要集中在网架结构杆件的疲劳分析，这些研究的思路是：首先获得杆件材料应力疲劳寿命的S-N曲线，建立网架结构的有限元模型，分析在随机风荷载作用下的应力时程，然后采用雨流计数法得到应力循环史，最后借助Miner线性累积损伤准则来计算出疲劳损伤因子，判断疲劳寿命。由于焊接接头的疲劳性能远低于母材，当循环周次在5×106(高周)条件下，焊接接头的疲劳强度仅为母材的50％左右。焊接对焊接节点的疲劳性能造成极大影响，疲劳强度相较母材下降很多；而且网架结构焊接节点截面形状复杂，焊缝处存在着应力集中，在随机风荷载作用下，易出现疲劳损伤，随着疲劳损伤程度加剧会导致节点焊缝处裂缝进一步扩展，危及结构使用安全。因此，采用现有分析方法测定结构疲劳会与实际出现较大偏差；使得分析测定结构疲劳性能和寿命偏于不安全。
综上所述，焊接空间网架结构在风荷载作用下，疲劳损伤发生在节点焊缝处，考虑节点焊缝焊材的疲劳参数，以及节点高周多轴的疲劳特性，正确评定网架结构的疲劳，对保障此类结构的风致安全有着十分重要的意义。因此，提出适用于焊接网架结构节点焊缝风致高周多轴疲劳损伤评定方法是目前亟待解决的问题。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提出了一种焊接空间网架结构节点焊缝风致多轴高周疲劳损伤评定方法，由此解决现有分析方法测定结构疲劳会与实际出现较大偏差，使得分析测定结构疲劳性能和寿命偏于不安全的技术问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种焊接空间网架结构节点焊缝风致多轴高周疲劳损伤评定方法，包括：
建立网架结构的有限元模型，并根据作用在所述网架结构上的风荷载对所述网架结构进行风荷载作用下的响应时程分析；
采用子结构分析法建立各焊接节点的三维实体有限元模型，并将分析得到的所述网架结构各杆件的内力时程作为对应焊接节点的三维实体有限元模型的边界条件，分析各焊接节点疲劳危险点处的等效应力时程，采用雨流计数对所述疲劳危险点处的等效应力时程进行计数，找出各个全循环起始时刻，确定循环个数及每个循环对应的原始剪应力和正应力时程；
在确定的每个循环中，搜索每个循环范围内对应的临界面位置，统计各循环对应的临界面上的最大剪应力幅值及最大正应力幅值，然后根据所述最大剪应力幅值与所述最大正应力幅值的比值，从已获得的多轴疲劳参数中查找各循环内取对应比值时的疲劳参数，进而得到各循环内的疲劳失效次数，根据所有循环内的疲劳失效次数得到所有循环内的疲劳损伤量以及总体疲劳寿命。
优选地，在从已获得的多轴疲劳参数中查找各循环内取对应比值时的疲劳参数之前，所述方法还包括：
设计空心钢管对焊试件，并考虑焊接过程存在的缺陷，在所述试件中加有高温陶瓷片模拟焊接缺陷，然后进行所述试件的单轴拉压和扭转高周疲劳试验，获得单轴拉压S-N曲线和扭转的S-N曲线，采用双参数修正临界面法获得所述试件的多轴疲劳参数和多轴预测疲劳寿命公式。
优选地，所述采用雨流计数对所述疲劳危险点处的等效应力时程进行计数，找出各个全循环起始时刻，包括：
对各焊接节点疲劳危险点处的等效应力时程进行波峰波谷识别，得到只含有波峰和波谷的等效应力时程，对波峰波谷历程进行雨流计数，得到全循环个数，以对各个全循环的起止时刻进行识别，并记录各个全循环起止时刻，根据各个全循环的起止时刻截取出各个全循环对应的原始应力历程。
优选地，所述在确定的每个循环中，搜索每个循环范围内对应的临界面位置，包括：
在确定的每个循环中，将各全循环对应的原始应力历程进行坐标转换，通过旋转坐标轴的方式从0度到360度搜索确定每个全循环中的临界面的位置。
优选地，由得到各循环内的疲劳失效次数，其中，Nf表示各循环内的疲劳失效次数，Δτ表示对应全循环内的临界面上的最大剪应力幅值，/>Δσ表示对应循环内的临界面上的最大正应力幅值，τA,Ref(ρ)与kτ(ρ)表示对应全循环中的疲劳参数，由试验数据拟合得到，NA表示参考剪应力τA,Ref对应的循环次数。
优选地， 其中，/>
优选地，由确定总体疲劳寿命，其中，n表示全循环个数，Di表示第i个全循环产生的疲劳损伤，/>Δσi表示第i个全循环内的临界面上的最大正应力幅值，Δτi表示第i个全循环内的临界面上的最大剪应力幅值，τA,Ref(ρi)与kτ(ρi)表示第i个全循环中的疲劳参数。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：本发明通过建立网架结构的有限元模型，并根据作用在网架结构上的风荷载对网架结构进行风荷载作用下的响应时程分析；采用子结构分析法建立各焊接节点的三维实体有限元模型，并将分析得到的网架结构各杆件的内力时程作为对应焊接节点的三维实体有限元模型的边界条件，分析各焊接节点疲劳危险点处的等效应力时程，采用雨流计数对疲劳危险点处的等效应力时程进行计数，找出各个全循环起始时刻，确定循环个数及每个循环对应的原始剪应力和正应力时程；在确定的每个循环中，搜索每个循环范围内对应的临界面位置，统计各循环对应的临界面上的最大剪应力幅值及最大正应力幅值，然后根据最大剪应力幅值与最大正应力幅值的比值，从已获得的多轴疲劳参数中查找各循环内取对应比值时的疲劳参数，进而得到各循环内的疲劳失效次数，根据所有循环内的疲劳失效次数得到所有循环内的疲劳损伤量以及总体疲劳寿命。不仅易于实现，而且能够正确评定网架结构的疲劳性能。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种网架结构节点焊缝风致高周多轴疲劳损伤评定方法的流程示意图；
图2是本发明实施例1提供的一种空间网架结构；
图3是本发明实施例1提供的一种节点22的精细化有限元模型；
图4是本发明实施例1提供的一种节点22的边界条件；
图5是本发明实施例1提供的一种节点22的von Mises等效应力分布图；
图6是本发明实施例1提供的一种节点22的σxx正应力时程；
图7是本发明实施例1提供的一种节点22的σyy正应力时程；
图8是本发明实施例1提供的一种节点22的σzz正应力时程；
图9是本发明实施例1提供的一种节点22的σxy剪应力时程；
图10是本发明实施例1提供的一种节点22的σxz剪应力时程；
图11是本发明实施例1提供的一种节点22的σyz剪应力时程；
图12是本发明实施例1提供的一种A组试件加工过程；
图13是本发明实施例1提供的一种B组试件加工过程；
图14是本发明实施例1提供的一种拉压试件详图；
图15是本发明实施例1提供的一种扭转试件详图；
图16是本发明实施例1提供的一种A组拉压S-N曲线；
图17是本发明实施例1提供的一种B组拉压S-N曲线；
图18是本发明实施例1提供的一种A组扭转S-N曲线；
图19是本发明实施例1提供的一种B组扭转S-N曲线；
图20是本发明实施例1提供的一种A组试件修正的曲线；
图21是本发明实施例1提供的一种B组试件修正的曲线。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
在三维随机风场作用下，管球焊接节点处于复杂多轴应力状态下，产生的疲劳损伤形式是多轴高周疲劳。焊接空心球节点空间网架结构无论从内力分析还是疲劳试验结果来看，其疲劳性能是取决于节点疲劳，而该节点的疲劳问题又主要是管球连接的疲劳。但是，目前对焊接空间网架结构风致疲劳分析方法几乎没有涉及到节点焊缝的疲劳分析，更没有考虑网架结构风致疲劳的多轴高周特点。因此，本发明提出，首先，考虑焊接节点特点设计焊接试件进行单轴拉伸和扭转疲劳试验，基于修正的临界面法获得焊材的多轴疲劳参数；同时，建立网架结构的有限元模型，基于风洞试验或模拟获得作用在网架结构上的风荷载，对结构进行风荷载作用下的响应时程分析。再采用子结构分析法建立焊接节点的三维实体有限元模型，将获得的网架结构各杆件的内力时程作为边界条件，分析节点疲劳危险点处的等效应力时程，采用雨流计数对疲劳危险点的等效应力时程进行计数，找出各个全循环起始时刻，确定循环个数及其对应的原始剪应力和正应力时程；然后，在确定的每个循环中，采用从0度到360度搜索的方式确定临界面，统计临界面上的最大剪应力幅值及Δτ正应力幅值Δσ，得到最后，根据ρ值，用修正的临界面法获得对应的疲劳参数，计算得到此循环内的疲劳失效次数Nf，统计所有循环内的疲劳失效次数Nf。然后利用Miner线性准则计算得到所有循环内的疲劳损伤量以及总体疲劳寿命。本发明提出的方法不仅易于实现，而且能够正确评定网架结构的疲劳性能。
下面结合附图和实例1对本发明作进一步的详细说明，便于清楚了解本发明，但它们不对本发明构成限定。
分析空间网格结构焊接球节点的多轴高周疲劳寿命实际上是对焊接球节点焊缝进行多轴高周疲劳寿命进行分析。以实例1网架结构模型为例，具体说明实施步骤和方法。
根据本发明提出的方法如图1所示，第一步，获得节点焊缝危险点处的应力时程。
采用ANSYS建立如图2所示的网架结构有限元模型，网架结构中各钢管采用Beam188/189单元，焊接球节点简化为Beam188/189单元的连接点。
整体网架结构模型建立之后，采用子结构分析方法，以22节点为例建立子模型。将22节点取出建立精细化的焊接球节点模型，其中焊接球的内径为138mm，外径为150mm，钢管直径126mm，内径110mm。钢管长度取杆全长的十分之一，如图3所示。
将风洞试验或用风荷载模拟方法得到的风荷载时程作用在网架结构上进行时程分析。取出与22节点相连接的五根杆件杆端的内力及位移时程作为精细化模型的边界条件，如图4所示，节点连接了五根杆件，精细化实体节点模型杆端长度可取杆长的1/10，网格划分采用ANSYS四面体网格划分。从整体网架结构获得节点22处杆端的轴力、剪力、弯矩、扭矩、位移时程，通过MPC184刚性梁单元，将其作用到各杆端作为焊接球节点模型的边界条件。
通过有限元分析得到的球节点表面的等效应力分布云图，如图5所示。等效应力最大的点N1545即为该节点的危险点，该点处六个方向的应力时程如图6至图11所示，其中，图6是节点22的σxx正应力时程；图7是节点22的σyy正应力时程；图8是节点22的σzz正应力时程；图9是节点22的σxy剪应力时程；图10是节点22的σxz剪应力时程；图11是节点22的σyz剪应力时程。
根据本发明提出的方法如图1所示，第二步，采用试验方法获得试件的多轴疲劳参数。
为了实现未熔合焊接缺陷的模拟，在焊缝中加入耐高温陶瓷片，采用的是99％氧化铝陶瓷，主要成分为Al2O3，热膨胀系数0.000003，导热率27.3W/m.k，耐1500～1600摄氏度的高温。
为了保证焊缝处全都为焊材，避免出现母材。采用超切的方式，将圆棒中间加工至图纸规定尺寸以下，如图12所示中间段直径为10mm，然后用焊材将整个环形槽填满，中间做打孔处理，孔的直径为12mm，这样每边各留有1mm的加工余量，在精密车床上可以做到将中间焊缝处的母材全部切去，保证中间焊缝处全部为焊材，如图12所示。无焊接缺陷记作A组试件，有焊接缺陷记作B组试件。
对于B组带有焊接缺陷的试件的加工，同A组试件的加工过程略有不同，B组试件的加工如图13所示，首先在凹槽处施焊，施焊高度为2mm，目的是保证焊材的内壁位置超过中心孔外壁位置，且能保证该处焊缝外表面处于接近1/2壁厚的位置。具体实现方式为首先进行无差别焊接，当杆件中间直径最小处大于14mm时停止施焊，利用精密车床将多余焊料切去直至直径保持在14mm±0.1mm，然后用焊丝固定氧化铝耐高温陶瓷片进行施焊，直至焊满，后续工艺同A组试件。
图14和图15所示分别为单轴拉压试件和单轴扭转试件的详图，表1为A组拉伸疲劳试验记录，表2为B组拉伸疲劳试验记录，表3为A组扭转疲劳试验记录，表4为B组扭转疲劳试验记录。
表1 A组拉伸疲劳试验记录
| 编号 | 应力(Mpa) | 加载力(KN) | 寿命(转) | 备注 |
| A1-5 | 187.5 | 26.65 | 3000000 | 未断 |
| A1-6 | 212.5 | 30.09 | 261470 | |
| A1-7 | 200 | 27.98 | 87209 | 发热 |
| A1-8 | 200 | 28.09 | 879967 | |
| A1-9 | 194 | 27.52 | 3000000 | 未断 |
| A1-10 | 212.5 | 29.85 | 1264865 | |
| A1-11 | 225 | 31.98 | 153236 | |
| A1-12 | 237.5 | 33.22 | 664945 | |
| A1-13 | 200 | 28.32 | 3000000 | 未断 |
| A1-14 | 225 | 31.86 | 461320 | |
| A1-15 | 237.5 | 33.42 | 219117 | |
| A1-16 | 250 | 34.48 | 252417 | |
| A1-17 | 262.5 | 37.02 | 49320 | 发热 |
| A1-18 | 262.5 | 36.87 | 16180 | |
| A1-19 | 200 | 28.26 | 188767 | |
| A1-14 | 225 | 31.86 | 461320 | |
| A1-15 | 237.5 | 33.42 | 219117 |
表2 B组拉伸疲劳试验记录
将发热和不合理数据剔除之后，应用最小二乘法模拟得出的拉压S-N曲线如图16、图17所示。
表3 A组扭转疲劳试验记录
| 序号 | 应力，MPa | 寿命 | 备注 |
| 1 | 175 | 20130 | |
| 2 | 175 | 20739 | |
| 3 | 150 | 201072 | |
| 4 | 125 | 2000000 | 未断 |
| 5 | 137.5 | 2000000 | 未断 |
| 6 | 167.5 | 43282 | |
| 7 | 144 | 1315031 | |
| 8 | 144 | 891069 | |
| 9 | 150 | 162578 |
表4 B组扭转疲劳试验记录
| 序号 | 应力，MPa | 寿命 | 备注 |
| 1 | 150 | 30547 | |
| 2 | 150 | 117624 | |
| 3 | 156.5 | 38113 | |
| 4 | 156.5 | 15196 | |
| 5 | 144 | 361864 | |
| 6 | 144 | 972538 | |
| 7 | 167.5 | 20872 | |
| 8 | 167.5 | 6415 | |
| 9 | 137.5 | 2000000 | 未断 |
| 10 | 137.5 | 2000000 | 未断 |
应用最小二乘法模拟得出的扭转S-N曲线如图18、图19所示。
单轴拉伸疲劳试验中，临界面与横截面呈45°夹角，临界面上的剪应力幅值正应力幅值/>单轴扭转疲劳试验中，临界面与横截面呈0°夹角，因此平面上的剪应力τθ＝0°＝τ，该平面上的正应力σθ＝0°＝0。得到A组试件的修正的/>曲线和B组试件的修正的/>曲线，如图20、图21所示。
求得的疲劳参数如表5、表6所示。
表5 A组试件疲劳参数
| 应力状态 | 比值ρ | 反向斜率kτ | 参考剪应力范围ΔτA,Ref/Mpa |
| 单轴扭转 | 0 | 17.565 | 133.97 |
| 单轴拉伸 | 1 | 19.76 | 103.27 |
表6 B组试件疲劳参数
| 应力状态 | 比值ρ | 反向斜率kτ | 参考剪应力范围ΔτA,Ref/Mpa |
| 单轴扭转 | 0 | 31.89 | 137.73 |
| 单轴拉伸 | 1 | 21.81 | 99.54 |
根据本发明提出的方法如图1所示，第三步，采用雨流计数法获得危险点的每个循环的起始点。
由于风荷载是随机过程，因此结构在风荷载作用下的响应也是随机的，因空间网架结构在随机风荷载作用下发生疲劳损伤时，其临界面上的应力是不断变化的，而且临界面的位置也是在不断发生变化的，如果采用唯一确定的临界面来计算多轴疲劳寿命，会存在临界面强化的问题，不符合实际情况。因此，提出了用雨流计数法对危险点的等效应力时程进行计数，从而寻找每个循环的起始点的方法确定每个循环中的原始应力时程。这样在每个循环中确定临界面，进行疲劳分析，避免在整个时间范围内用一个临界面导致的临界面强化问题。
根据von Mises等效应力的表达式：
得到疲劳危险点的等效应力时程σeq(t)。对等效应力时程σeq(t)进行雨流计数循环统计得到各个全循环。从第一个全循环开始至最后一个全循环结束，找出对各个全循环对应的起始点位置，通过该次全循环起始点位置截取出原始应力历程。
将上述六个方向的应力采用式(1)计算出其等效应力，得到焊接球节点疲劳危险点的等效应力时程之后，对其进行波峰波谷识别，得到只含有波峰和波谷的应力时程。对波峰波谷历程进行雨流计数，得到55个全循环，对55个全循环的起止时刻进行识别，并记录起止时刻。
以第一个全循环为例：第一个全循环的起止时刻，即四点雨流计数法中统计出的第一个全循环选取的四个点中的第一个点和第四个点在原始应力历程中对应的位置，分别用v1和v2表示，通过计算可知v1＝13，v2＝19，步长0.1s，即第一个全循环在对应的原始应力历程位于第1.3s与1.9s之间。其余全循环的起始点位置确定同理第一个全循环。
根据本发明提出的方法如图1所示，第四步，在确定的全循环中，搜索临界面，计算该循环的多轴高周疲劳寿命。
采用坐标轴转换法找出每个循环范围内对应的临界面位置，统计得到临界面上的最大剪应力幅值和最大正应力幅值，得到：
将式(2)代入式(3)和式(4)便可得到该全循环范围内的多轴疲劳参数ΔτA,Ref(ρ1)以及kτ(ρ1)。
然后将Δτ1、ΔτA,Ref(ρ1)以及kτ(ρ1)代入式(5)，可得到该全循环应力状态下的多轴高周疲劳寿命：
其中，ΔτA,Ref(ρ1)以及kτ(ρ1)分别为该全循环中对应的疲劳参数，Δτ1为该全循环对应的原始应力历程中临界面上的最大剪应力时程，NA表示参考剪应力τA,Ref对应的循环次数，
以第一个全循环为例：找到第一个全循环的原始应力历程之后，将其进行坐标转换，通过旋转坐标轴的方式令θ和每次增加1°，可以得到不同θ和/>组合值下的/>的值，最终形成一个360×360的矩阵，从这个矩阵中找出/>最大的值，这个最大值在360×360的矩阵中的位置为(184，140)。因此临界面的位置为θ＝184°，/>的平面。
找到临界面以后，计算得出该面上的最大正应力与剪应力幅值，进而计算出已知ρ1计算得到ΔτA,Ref＝2.0429，kτ＝19.2012，将这两个疲劳参数代入式(5)得出第一个全循环内的疲劳寿命Nf＝4.98×109次。
根据本发明提出的方法如图1所示，第五步，根据Miner线性准则，计算该循环的疲劳损伤量。
根据Miner线性准则，因此第一个全循环对应的疲劳损伤量，
将算出的Nf代入上式即可得到该全循环的疲劳损伤量，通过MATLAB程序编程得到第一个全循环的疲劳损伤参量D1＝2.00×10-10。
计算得到第一个循环作用下产生的疲劳损伤量之后，其余循环作用下的疲劳损伤量计算与其相同。因此总体疲劳寿损伤D通过下式计算，
式中n为雨流计数统计得到的全循环数，Di为单次全循环产生的疲劳损伤。焊接球节点在风荷载作用下产生的疲劳损伤值，
最终计算得到D＝1.48×10-8，疲劳寿命71年。
如果考虑焊接缺陷的焊接球节点，计算其多轴疲劳损伤量，与计算焊接完好时的多轴疲劳损伤量思路一致，只是利用存在焊接缺陷试件的单轴高周拉伸和扭转疲劳试验得到的单轴疲劳损伤参数，然后利用本发明的方法计算该节点的疲劳损伤量。
以22节点为例，根据考虑焊接缺陷，计算得到的ΔτA,Ref＝2.0340，kτ＝24.3857，将这两个疲劳参数代入式(5)得出第一个全循环内的疲劳寿命Nf＝4.68×109。
根据Miner线性准则，计算得到第一个全循环的疲劳损伤量D1＝2.14×10-10。计算得到第一个循环作用下产生的疲劳损伤量之后，其余循环作用下的疲劳损伤量计算与其相同。最终计算得到D＝1.58×10-8，疲劳寿命67年。
其他节点的疲劳损伤量计算过程与节点22相同。在风荷载作用下的56节点以及61节点的疲劳损伤值及疲劳寿命如表7所示。
表7各节点焊缝处疲劳损伤
在服役期间，网架结构各节点焊缝处都出现了疲劳损伤，疲劳寿命都低于100年。尤其是当存在焊接缺陷时，各节点的多轴疲劳寿命又有不同程度的降低。因此，网架结构的疲劳寿命取决于节点焊缝处，节点焊缝又可能存在焊接缺陷，分析网架结构的疲劳损伤应采用本发明提出的方法，得到的结构疲劳损伤符合实际工程情况。
需要指出，根据实施的需要，可将本申请中描述的各个步骤/部件拆分为更多步骤/部件，也可将两个或多个步骤/部件或者步骤/部件的部分操作组合成新的步骤/部件，以实现本发明的目的。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种焊接空间网架结构节点焊缝风致多轴高周疲劳损伤评定方法，其特征在于，包括：
建立网架结构的有限元模型，并根据作用在所述网架结构上的风荷载对所述网架结构进行风荷载作用下的响应时程分析；
采用子结构分析法建立各焊接节点的三维实体有限元模型，并将分析得到的所述网架结构各杆件的内力时程作为对应焊接节点的三维实体有限元模型的边界条件，分析各焊接节点疲劳危险点处的等效应力时程，采用雨流计数对所述疲劳危险点处的等效应力时程进行计数，找出各个全循环起始时刻，确定循环个数及每个循环对应的原始剪应力和正应力时程，其中包括3个正应力时程和3个剪应力时程；
在确定的每个循环中，搜索每个循环范围内对应的临界面位置，统计各循环对应的临界面上的最大剪应力幅值及最大正应力幅值，然后根据所述最大剪应力幅值与所述最大正应力幅值的比值，从已获得的多轴疲劳参数中查找各循环内取对应比值时的疲劳参数，进而得到各循环内的疲劳失效次数，根据所有循环内的疲劳失效次数得到所有循环内的疲劳损伤量以及总体疲劳寿命；
所述在确定的每个循环中，搜索每个循环范围内对应的临界面位置，包括：
在确定的每个全循环中，将各全循环对应的原始应力历程进行坐标转换，通过旋转坐标轴的方式从0度到360度搜索确定每个全循环中的临界面的位置；
由得到各循环内的疲劳失效次数，其中，Nf表示各循环内的疲劳失效次数，Δτ表示对应全循环内的临界面上的最大剪应力幅值，/>Δσ表示对应全循环内的临界面上的最大正应力幅值，τA,Ref(ρ)与kτ(ρ)表示对应全循环中的疲劳参数，由试验数据拟合得到，τA,Ref(ρ)表示参考剪应力，kτ(ρ)表示反向斜率，NA表示参考剪应力τA,Ref对应的循环次数。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在从已获得的多轴疲劳参数中查找各循环内取对应比值时的疲劳参数之前，所述方法还包括：
设计空心钢管对焊试件，并考虑焊接过程存在的缺陷，在所述试件中加有高温陶瓷片模拟焊接缺陷，然后进行所述试件的单轴拉压和扭转高周疲劳试验，获得单轴拉压S-N曲线和扭转的S-N曲线，采用双参数修正临界面法获得所述试件的多轴疲劳参数和多轴预测疲劳寿命公式。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述采用雨流计数对所述疲劳危险点处的等效应力时程进行计数，找出各个全循环起始时刻，包括：
对各焊接节点疲劳危险点处的等效应力时程进行波峰波谷识别，得到只含有波峰和波谷的等效应力时程，对波峰波谷历程进行雨流计数，得到全循环个数，以对各个全循环的起止时刻进行识别，记录各个全循环起止时刻，根据各个全循环的起止时刻截取出各个全循环对应的原始应力历程。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，
其中，
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，由确定总体疲劳寿命，其中，n表示全循环个数，Di表示第i个全循环产生的疲劳损伤，Δσi表示第i个全循环内的临界面上的最大正应力幅值，Δτi表示第i个全循环内的临界面上的最大剪应力幅值，τA,Ref(ρi)与kτ(ρi)表示第i个全循环中的疲劳参数。
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