CN112033795A - 一种带斜焊缝的双轴拉伸疲劳试验件优化设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及焊缝拉伸疲劳试验技术领域，公开了一种带斜焊缝的双轴拉伸疲劳试验件优化设计方法，以臂上带开缝的十字形双轴拉伸试验件为基础，中心试验区为一条与各十字臂轴线均成45度角的斜焊缝，针对试验件十字臂开缝的3个主要尺寸参数进行优化，通过有限元的方法对不同类型的试验件进行有限元模拟，针对中心试验区的斜焊缝上的应力水平及应力分布进行评估，得到评估指标C，运用评估指标C确定试验件优化设计方案，使得试验件能够有效反应出焊缝处的疲劳性能，该指标能够综合考虑焊缝处应力场大小及分布，从而对试验件主要尺寸参数的优化效果进行评价，本发明为带斜焊缝的双轴拉伸疲劳试验件设计提供了简便、有效的方法。

Description

一种带斜焊缝的双轴拉伸疲劳试验件优化设计方法
技术领域
本发明涉及焊缝拉伸疲劳试验技术领域，具体涉及一种带斜焊缝的双轴拉伸疲劳试验件优化设计方法。
背景技术
在现代航空、汽车和船舶工业中通常会运用环形焊接的方式将某一凸台构件固定在薄板上，而由于其焊接接头形状的特殊性，受到的载荷往往是拉剪复合载荷，因此环形焊缝处的疲劳破坏是复杂多变的。例如，航空发动机有许多类型的安装座，采用用电子束焊，氩弧焊等方式焊接在机匣外套上，其焊缝大多都是圆环状。在实际工作中，发动机机匣外壳会受到复杂载荷作用，使得机匣上安装座的环形焊缝承受多轴载荷状态，使得焊接接头处的疲劳破坏通常是受到拉剪复合载荷所导致的。因此，研究环形焊缝在拉剪复合载荷下的疲劳性能需要设计相应的疲劳试验件进行试验，优化改进试验件能够使得疲劳试验的数据更为准确，为增加试验成功率提供了有效的保障。
以往对多轴载荷作用下的疲劳性能的研究都是以单轴拉伸疲劳试验为主，但是传统单轴试验并不能较好地反应其应力应变的变化，且单轴试验的影响参数和变形路径也较为单一。采用多轴试验可以比较客观地反应研究目标在复杂应力下的应力应变状态，因此对于研究对象是环形焊缝来说，多轴疲劳试验使得研究其疲劳性能更具有针对性。早在二十世纪60年代就有学者(Shiratori和Ikegami，1967)就开始使用十字形双向拉伸试验件确定在双轴载荷作用下材料的初始和后继屈服面。此后，随着双轴拉伸试验机的发展，双轴拉伸试验开始逐渐应用广泛，十字形双向拉伸试验件的设计也产生了很多分支，诸如十字花型，中心减薄型以及臂上开缝型三类经典的试验件类型。第一类试验件中，较为典型的有Kreiβig和Müller学者所设计的试验件，他们均在相邻十字臂之间倒角上进行更改，使其变更为一个向内凹的缺口，以此达到减小倒角上的应力水平的效果。而对于第二类试验件，较为典型的有Ding试验件和Welsh试验件，都通过减薄中心试验区的厚度，来增大中心区域的应力水平，但是这类试验件往往达不到预期效果。现如今，第三类试验件被广泛应用在双轴拉伸试验件，Makinde试验件、Kuwabara试验件、Ferron试验件以及Wu试验件都是典型的臂上开缝十字双向拉伸试验件，通过在十字臂上开设若干细缝来增大中心区域的应力水平同时降低相邻十字臂之间倒角处的应力。由于十字形双向拉伸试验件需要对中心试验区的应力应变水平有着较高的要求，而影响中心试验区的尺寸参数较多，对于各类十字形拉伸试验件的优化设计研究一直以来是很多学者讨论的热点。
因此，带焊缝的十字形双轴拉伸疲劳试验件的优化设计可以为环形焊缝拉剪复合载荷下的疲劳寿命评估提供有效的试验手段，而如何设计出可有效反应应力应变的变化的试验件是本发明的重点。
发明内容
发明目的：针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种带斜焊缝的双轴拉伸疲劳试验件优化设计方法，以臂上带开缝的十字形双轴拉伸试验件为基础，中心试验区为一条与各十字臂轴线均成45°角的斜焊缝，针对试验件十字臂开缝的3个主要尺寸参数进行优化，使得试验件能够有效反应出焊缝处的疲劳性能，并提出了一个基于焊缝处应力场数值模拟的评估指标C，该指标能够综合考虑焊缝处应力场大小及分布，从而对试验件主要尺寸参数的优化效果进行评价。
技术方案：本发明提供了一种带斜焊缝的双轴拉伸疲劳试验件优化设计方法，包括如下步骤：
步骤1：以常见的十字形双轴拉伸疲劳试验件为基础，在臂上开缝；
步骤2：在十字形双轴拉伸疲劳试验件的中心试验区内设计一条与十字臂轴线呈45度的斜焊缝；
步骤3：以十字臂上开缝宽度w、开缝根部距中心试验区边缘距离D以及相邻开缝中心线距离比F(F＝l:b:c)为优化变量，通过改变这3个参数设计不同类型的试验件；
步骤4：通过有限元的方法对所述不同类型的试验件进行有限元模拟，观察中心试验区内斜焊缝处的应力水平及应力分布的变化，并以焊缝长度方向为基准建立局部极坐标系，提取焊缝上各节点的σρ，
Figure BDA0002695631430000021
σeq参量；
步骤5：针对中心试验区的斜焊缝上的应力水平及应力分布进行评估，得到评估指标C；
步骤6：根据所述评估指标C确定带斜焊缝的双轴拉伸疲劳试验件优化设计方案。
进一步地，在步骤2之前还包括将中心试验区的十字中心面上、下面厚度均匀减薄。
进一步地，所述步骤3中设计试验件时需要满足的设计原则为：设计原则1：中心试验区斜焊缝上的应力水平应相对较均匀；设计原则2：斜焊缝处的各方向的应力值与名义应力值差值较小；设计原则3：斜焊缝处的应力水平高于试验件其他部位。
进一步地，所述步骤4中极坐标系为以中心试验区焊缝中心为原点，焊缝长度方向为ρ轴，在中心试验区中心平面上与ρ轴正交的方向为
Figure BDA0002695631430000022
轴，中心试验区厚度方向为z轴建立的极坐标系。
进一步地，所述步骤5中的评估方法为基于改进的三维应力标准差数学判据模型，利用所述模型计算评估指标C，其主要包括：
1)根据所述极坐标系，中心试验区可视为以原点为中心，具有一定特征长度2p的矩形面，焊缝长度为2a，设试验区厚度为常量2t，为满足设计原则1，则需要满足的评估参数Ii为：
Figure BDA0002695631430000031
其中，i＝1、2、3、4，分别对应于σρ，
Figure BDA0002695631430000032
及σeq；si(p)表示的是各应力分量σρ，
Figure BDA0002695631430000033
及σeq的标准差s，
Figure BDA0002695631430000034
表示的是各应力分量σρ，
Figure BDA0002695631430000035
及σeq的均值，如i＝4时对应于
Figure BDA0002695631430000036
即为Mises等效σeq的均值，对于斜焊缝试验件
Figure BDA0002695631430000037
和si(p)分别由下式计算：
Figure BDA0002695631430000038
Figure BDA0002695631430000039
Figure BDA00026956314300000310
2)为了满足设计原则2，需要通过计算三个应力分量
Figure BDA00026956314300000311
的名义应力与中心试验区各应力分量的偏差大小
Figure BDA00026956314300000312
给出评估参数Jj的计算公式：
Figure BDA00026956314300000313
其中，j＝1、2、3，分别对应于σρ，
Figure BDA00026956314300000314
3)为了满足设计原则3，给出评估参数K的计算公式：
Figure BDA00026956314300000315
其中，P为惩罚因子，当(σeq)max出现在a/2以内时，P＝0；当(σeq)max出现在a/2与a之间时，P＝20；当(σeq)max出现在a以外时，P＝100；(σeq)max为最高Mises应力；
4)得到最终的评估指标C：
Figure BDA00026956314300000316
进一步地，所述步骤6中确定双轴拉伸疲劳试验件优化设计方案的方法为计算各试验件的评估指标C，根据C值越小越优的原则确定优化设计方案。
有益效果：
本发明以臂上带开缝的十字形双轴拉伸试验件为基础，中心试验区为一条与各十字臂轴线均成45°角的斜焊缝，针对试件十字臂开缝的3个主要尺寸参数进行优化，使得试验件能够有效反应出焊缝处的疲劳性能。并提出了一个基于焊缝处应力场数值模拟的评估指标C，该指标能够综合考虑焊缝处应力场大小及分布，从而对试件主要尺寸参数的优化效果进行评价。本发明为带斜焊缝的双轴拉伸疲劳试验件设计提供了简便、有效的方法。
附图说明
图1是双轴拉伸试验件基本结构示意图；
图2是双轴疲劳拉伸试验件优化流程图；
图3是不同开缝宽度w的等效应力云图；
图4是不同开缝根部与试验区边缘距离D的等效应力云图；
图5是不同开缝中线距离比例的等效应力云图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
为了进一步说明本发明的优化设计方法，以常见的十字形双轴拉伸疲劳试验件为基础，在其4个臂上开缝，来减少相邻夹持臂之间倒角的应力水平。本实施方式中，在各臂上开设有7条开缝，该7条开缝为对称结构，参见附图1。同时，为增加中心试验区的应力应变水平，在双轴拉伸疲劳试验件的中心试验区域上、下面厚度均匀减薄。在十字形双轴拉伸疲劳试验件的中心试验区内设计一条与十字臂轴线呈45度的斜焊缝。试验件设计尺寸如下：整体长宽为170mm；4个夹持臂的宽度为40mm；在每个夹持臂上开有7条缝；倒角R1为6mm；倒角R2为4mm；减薄区的过渡倒角为R3为8mm；试验件厚度为3mm，减薄区的厚度为0.6mm。
为了讨论十字形双轴疲劳拉伸试验件不同影响参数下试验件中心试验区斜焊缝的应力水平，讨论了三组情况：将夹持臂上的开缝宽度w设置为第一组对比变量，分别讨论w1、w2、w3为2、1.2以及0.4的情况下，开缝宽度对中心试验区斜焊缝的影响。将开缝的根部到中心减薄区边缘的距离D设置为第二组对比变量，分别讨论D1、D2、D3为1、2以及3的情况下，中心减薄区与开缝之间的距离对中心试验区斜焊缝的影响。将7根开缝中线距离比例F，本实施方式中，主要为l:b:c设置为第三组对比变量，分别讨论F1,2,3为1:1:1、2:2:1以及2:1:1的情况下，不同开缝组合对于中心试验区斜焊缝的影响。
通过ANSYS有限元软件对试验件模型进行网格划分和有限元计算，采用Solid185单元进行划分。采用高温合金GH4169的材料参数：E＝1.99×105MPa，ν＝0.3以及各项同性硬化模型参数。载荷条件设置为等轴载荷，即Fy：Fx＝1。选取中心试验区的45度方向的节点数据作为斜焊缝分析路径，通过选取该路径上的等效应力值从而获得评估的基本判据，以45度方向的焊缝长度方向为基准建立局部极坐标系，即以试验区焊缝中心为原点，焊缝长度方向为ρ轴，在试验区中心平面上与ρ轴正交的方向为
Figure BDA0002695631430000051
轴建立的极坐标系，提取焊缝上各节点的σρ，
Figure BDA0002695631430000052
σeq参量。针对中心试验区的斜焊缝上的应力水平及应力分布进行评估。
本发明评估方法为对Demmerle和Boehler提出的试验区三维应力标准差数学判据进行改进，以焊缝平面为基准建立二维应力标准差模型，综合考虑斜焊缝试验件设计需满足的3个主要原则，建立评估指标C的计算公式。
为达到试验目的，本实施方式中，设计试验件时需要满足的设计原则为：设计原则1：中心试验区斜焊缝上的应力水平应相对较均匀。设计原则2：斜焊缝处的各方向的应力值与名义应力值差值较小。设计原则3：斜焊缝处的应力水平高于试验件其他部位。
Demmerl和Boehler针对单一材料的双轴拉伸试验件设计提出了一个基于三维试验区应力标准差数学判据，将试验区划分成特征尺寸不同的一系列同心方块，并将同心方块中的应力分量按方块的体积求平均值。本发明在上述基础上进行改进，形成一个优化评估模型，该优化评估模型以中心试验区焊缝中心为原点，焊缝长度方向为ρ轴，在中心试验区中心平面上与ρ轴正交的方向为
Figure BDA0002695631430000053
轴，中心试验区厚度方向为z轴建立极坐标系。中心试验区可视为以原点为中心，具有一定特征长度2p的矩形面。设焊缝长度为2a，中心试验区厚度为常量2t，则矩形面的面积为：
Figure BDA0002695631430000054
每一个S(p)中，各应力分量σρ，
Figure BDA0002695631430000055
及Mises等效应力σeq的均值
Figure BDA0002695631430000056
和标准差si按下式计算：
Figure BDA0002695631430000057
Figure BDA0002695631430000058
当si(p)越小，表明应力分布越均匀。为了消除应力大小的影响，将各应力分量的标准差si(p)进行归一化处理，即除以Mises应力均值
Figure BDA0002695631430000061
然后沿焊缝中心向边界积分，从而可得到满足设计原则1的评估参数Ii定量计算公式为：
Figure BDA0002695631430000062
其中，2a为中心试验区的焊缝长度，i＝1、2、3、4，分别对应于σρ，
Figure BDA0002695631430000063
及σeq；si(p)表示的是各应力分量σρ，
Figure BDA0002695631430000064
及σeq的标准差s，
Figure BDA0002695631430000065
表示的是各应力分量σρ，
Figure BDA0002695631430000066
Figure BDA0002695631430000067
及σeq的均值；
为了满足设计原则2，需要通过计算三个应力分量σρ，
Figure BDA0002695631430000068
的名义应力与中心试验区各应力分量的偏差大小
Figure BDA0002695631430000069
与评估参数Ii同理，可给出评估参数Jj的计算公式：
Figure BDA00026956314300000610
其中，j＝1、2、3，分别对应于σρ，
Figure BDA00026956314300000611
对于设计原则3，可以通过评估最高Mises应力(σeq)max与Mises等效应力的平均值
Figure BDA00026956314300000612
的差异性，再设定一个惩罚因子P判定应力集中位置(当(σeq)max出现在a/2以内时，P＝0，；当(σeq)max出现在a/2与a之间时，P＝20；当(σeq)max出现在a以外时，P＝100)，从而给出评估参数K的计算公式：
Figure BDA00026956314300000613
将上述3种评估参数求和即可得到每种载荷状况下评估指标C：
Figure BDA00026956314300000614
根据评估指标C值越小越优的原则确定带斜焊缝的双轴拉伸疲劳试验件优化设计方案。
将获得的数据经过优化评估模型后计算得出如下表格：
Figure BDA00026956314300000615
Figure BDA0002695631430000071
根据表中评估指标C数值的大小，可以评估哪种优化参量下的试验件其中心试验区焊缝处的应力分布得到优化。从表中第1、2、3种试验件的评估指标C的变化中可以看出，随着开缝根部到减薄区边缘距离D减小，评估指标C也随之减小，从而焊缝处应力分布得到优化，这也与图3显示的规律一致。而从表中第1、4、5种试验件的评估指标C的变化中可以看出，随着开缝宽度w的增大，评估指标C的值随之减小，意味着在等轴加载下开缝宽度增大可以使焊缝处的应力分布得到优化，这也与图4显示的规律一致。最后根据第1、6、7种试验件的评估指标C的变化可知，F2的评估指标C是最低的，而F3的评估指标C是最高的，因此，若要优化试验件中心试验区焊缝处的应力分布，可以选择F2这种开缝形式。
上述试验数据均是基于等轴加载下，若要考虑更多加载条件，可以增设多种加载条件下的评估指标，并将不同加载条件下的评估指标C值加在一起，综合分析不同参量的影响规律。
因此，不难看出该优化设计方法对带斜焊缝的双轴拉伸疲劳试验件的优化设计是有效、可行的，虽然该具体实施方法中只为每种优化参数提供了3种参数变量，但是实际上是可以增加多种变量验证该优化方法的可行性。本发明为带斜焊缝的双轴拉伸疲劳试验件提高了试验成功率以及试验数据的有效性，具有重要的工程意义。
上述实施方式只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所做的等效变换或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种带斜焊缝的双轴拉伸疲劳试验件优化设计方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：以常见的十字形双轴拉伸疲劳试验件为基础，在臂上开缝；
步骤2：在十字形双轴拉伸疲劳试验件的中心试验区内设计一条与十字臂轴线呈45度的斜焊缝；
步骤3：以十字臂上开缝宽度w、开缝根部距中心试验区边缘距离D以及相邻开缝中心线距离比F(F＝l:b:c)为优化变量，通过改变这3个参数设计不同类型的试验件；
步骤4：通过有限元的方法对所述不同类型的试验件进行有限元模拟，观察中心试验区内斜焊缝处的应力水平及应力分布的变化，并以焊缝长度方向为基准建立局部极坐标系，提取焊缝上各节点的σρ，
Figure FDA0002695631420000011
σeq参量；
步骤5：针对中心试验区的斜焊缝上的应力水平及应力分布进行评估，得到评估指标C；
步骤6：根据所述评估指标C确定带斜焊缝的双轴拉伸疲劳试验件优化设计方案。
2.根据权利要求1所述的一种带斜焊缝的双轴拉伸疲劳试验件优化设计方法，其特征在于，在步骤2之前还包括将中心试验区的十字中心面上、下面厚度均匀减薄。
3.根据权利要求1所述的一种带斜焊缝的双轴拉伸疲劳试验件优化设计方法，其特征在于，所述步骤3中设计试验件时需要满足的设计原则为：设计原则1：中心试验区斜焊缝上的应力水平应相对较均匀；设计原则2：斜焊缝处的各方向的应力值与名义应力值差值较小；设计原则3：斜焊缝处的应力水平高于试验件其他部位。
4.根据权利要求3所述的一种带斜焊缝的双轴拉伸疲劳试验件优化设计方法，其特征在于，所述步骤4中极坐标系为以中心试验区焊缝中心为原点，焊缝长度方向为ρ轴，在中心试验区中心平面上与ρ轴正交的方向为
Figure FDA0002695631420000012
轴，中心试验区厚度方向为z轴建立的极坐标系。
5.根据权利要求4所述的一种带斜焊缝的双轴拉伸疲劳试验件优化设计方法，其特征在于，所述步骤5中的评估方法为基于改进的三维应力标准差数学判据模型，利用所述模型计算评估指标C，其主要包括：
1)根据所述极坐标系，中心试验区可视为以原点为中心，具有一定特征长度2p的矩形面，焊缝长度为2a，设试验区厚度为常量2t，为满足设计原则1，则需要满足的评估参数Ii为：
Figure FDA0002695631420000021
其中，i＝1、2、3、4，分别对应于σρ，
Figure FDA00026956314200000218
及σeq；si(p)表示的是各应力分量σρ，
Figure FDA0002695631420000024
及σeq的标准差s，
Figure FDA0002695631420000025
表示的是各应力分量σρ，
Figure FDA0002695631420000026
及σeq的均值，如i＝4时对应于
Figure FDA0002695631420000027
即为Mises等效σeq的均值，对于斜焊缝试验件
Figure FDA0002695631420000028
和si(p)分别由下式计算：
Figure FDA0002695631420000029
Figure FDA00026956314200000210
Figure FDA00026956314200000211
2)为了满足设计原则2，需要通过计算三个应力分量
Figure FDA00026956314200000212
的名义应力与中心试验区各应力分量的偏差大小
Figure FDA00026956314200000213
给出评估参数Jj的计算公式：
Figure FDA00026956314200000214
其中，j＝1、2、3，分别对应于σρ，
Figure FDA00026956314200000215
3)为了满足设计原则3，给出评估参数K的计算公式：
Figure FDA00026956314200000216
其中，P为惩罚因子，当(σeq)max出现在a/2以内时，P＝0；当(σeq)max出现在a/2与a之间时，P＝20；当(σeq)max出现在a以外时，P＝100；(σeq)max为最高Mises应力；
4)得到最终的评估指标C：
Figure FDA00026956314200000217
6.根据权利要求1至5任一所述的一种带斜焊缝的双轴拉伸疲劳试验件优化设计方法，其特征在于，所述步骤6中确定双轴拉伸疲劳试验件优化设计方案的方法为计算各试验件的评估指标C，根据C值越小越优的原则确定优化设计方案。
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