CN114297893A - 一种焊接结构多轴疲劳失效寿命评估方法 - Google Patents

Abstract

一种焊接结构多轴疲劳失效寿命评估方法，属于机械结构诊断分析技术领域。利用有限元软件对待测定焊接结构进行不同加载情况下进行模拟，获得从焊趾到距焊趾40mm内所有应力张量的热点应力拟合曲线，计算得到焊趾热点应力区域内的平均应力作为等效热点应力。以最大剪应力幅所在平面为临界面，提出一种新的多轴寿命预测方法，不仅考虑到多轴疲劳的破坏机理，同时考虑焊接接头应力集中效应。利用得到的所有等效热点应力张量确定临界平面，计算临界平面上的剪应力幅值和法向应力幅值，代入寿命预测模型中，进而得到焊接接头的多轴疲劳失效寿命。

Description

一种焊接结构多轴疲劳失效寿命评估方法

技术领域

本发明涉及焊接疲劳结构分析方法和疲劳失效寿命预测方法，特别涉及一种焊接结构多轴疲劳失效寿命评估流程，属于机械结构诊断分析技术领域。

背景技术

在机械结构和焊接结构中，疲劳失效是一个普遍关注的问题。在实际的使用过程中，大多数机械部件都处于多轴循环载荷状态，容易使部件发生多轴疲劳破坏。同时由于在焊接过程中出现的焊接接头局部缺陷、接头几何尺寸的不连续性等种种原因，导致焊接接头处成为最容易发生疲劳失效的部位。据有关文献中统计，焊接结构失效70％-90％是由于焊接接头的疲劳破坏造成的。因此对焊接结构多轴疲劳破坏行为进行分析，评估接头处的复杂应力，建立完整的焊接结构疲劳失效寿命预测流程，对于保证结构的可靠性具有重要意义。

对于焊接结构疲劳失效寿命的评估，热点应力外推法结合修正的沃勒曲线MWCM法成为比较受欢迎的焊接接头多轴疲劳失效寿命预测流程。但外推法仅利用两点或三点获得焊接接头处的应力，往往不能很好反映出接头处的应力水平，且MWCM方法也没有考虑到焊接接头的应力集中效应。本发明首先利用积分法获得接头一定距离内的平均热点应力，然后考虑到应力集中，提出了一种新的基临界面法的多轴疲劳失效寿命预测模型，通过以上流程能很好的预测焊接接头的疲劳失效寿命，对焊接构件的安全服役具有理论意义和工程应用价值。

发明内容

本发明的目的在于在多轴载荷情况下，提高焊接接头的寿命预测精度，提出一种焊接接头的多轴疲劳失效寿命预测流程。通过积分的方法获得接头一定距离内的平均热点应力，同时考虑到多轴疲劳破坏机理，进而通过新的基于临界面的寿命预测模型获得焊接接头的疲劳失效寿命。

本发明所提供的焊接接头多轴疲劳失效寿命预测流程，其具体步骤如下：

步骤1)：利用有限元软件(例：ANSYS)对待测定焊接结构进行加载情况下的模拟，本发明的实例中加载包括纯拉伸、纯扭转、多轴比例加载、多轴非比例加载，其中非比例加载相位差取为90°。并且在焊趾部位进行局部网格细化，本发明的实例中焊趾处网格细化尺寸为0.1t×0.1t，其余位置网格尺寸为0.4t×0.4t，其中t焊接接头板厚。

步骤2)：本发明定义的平均热点应力是以焊趾热点应力区域的平均应力作为等效热点应力，不同于外推法利用两点或三点插值得到的应力；

步骤3)：提取从焊趾到距焊趾40mm内有限元各节点的热点应力张量σ：

其中，σ_x，σ_y，σ_z分别为第一、二、三主应力；τ_xy，τ_xz，τ_yz分别为xy、xz、yz平面的剪切应力；

步骤4)：对公式(1)中的六种应力分量分别拟合热点应力曲线，本发明以σ_x为例，得到与距离x相关的应力函数σ(x)，并采用公式(2)计算热点应力区域内σ_x的等效热点应力σ_eq,x：

其中引入了应力场强法中权函数的概念，认为公式(2)中权函数

代表着距离焊趾的距离不同，应力对疲劳破坏产生的权重应该不同；

其中，L为热点应力区域长度，在本发明的实例中L＝1.4t＝11.2mm；σ_max为峰值应力；

步骤5)：将公式(1)中的应力分量分别利用步骤4)计算，即可得到等效热点应力张量σ_eq：

其中，σ_eq,x，σ_eq,y，σ_eq,z分别为等效第一、二、三主应力；τ_eq,xy，τ_eq,xz，τ_eq,yz分别为xy、xz、yz平面的等效剪切应力。

步骤6)：本发明中基于临界面法的多轴疲劳失效寿命模型是以最大剪应力幅所在平面为临界面，利用该平面上的疲劳损伤参量：剪应力幅C_a，法向应力幅N_a，最大法向应力N_max来构造一个非线性组合形式的多轴疲劳准则，其中

是利用SWT公式对平均应力的修正：

材料参数λ可以在单轴扭转疲劳极限t_-1加载情况下求出，系数k可通过单轴拉伸疲劳极限f_-1加载条件下求出：

其中σ_σ为材料的屈服强度；

步骤7)：需考虑焊接结构的应力集中效应，引入修正系数K，k_σ,k_τ对应分别为焊接结构的法向和剪切应力集中系数。

综上推出一种基于临界面适用于焊接结构的多轴疲劳破坏准则：

步骤8)：使用本发明进行多轴疲劳失效寿命预测则必须先确定最大剪应力幅所在平面，利用公式(4)得到的等效热点应力张量σ_eq计算每个空间平面经历一个加载循环后的剪应力幅值及相应的正应力幅值，然后比较所有平面，确定最大剪应力幅所在平面；计算疲劳临界损伤平面上的剪应力幅值C_a与疲劳临界面上的法向正应力幅值N_a，利用公式(9)计算等效应力幅τ_eq：

步骤9)：利用本发明实例在纯扭下的试验数据，拟合应力－寿命公式(10)，得到τ′_f、b；并将公式(9)得到的τ_eq代入到拟合得到的寿命公式(10)中，便可计算出焊接接头的多轴疲劳失效寿命N_f。

τ_eq＝τ′_f(N_f)^b (10)

其中τ′_f是纯扭加载下的疲劳强度系数，b是纯扭加载下的疲劳强度指数，都是通过拟合得到。

本发明的优点在于：1.提出了一种焊接结构多轴疲劳失效寿命预测流程，该方法结合构件的实际工作条件。2.继承了传统热点应力法优点的基础上对现有的热点应力外推的插值方法做了修正，采用了焊趾部位的平均应力。3.提出了一种新的多轴寿命预测方法，不仅考虑到多轴疲劳的破坏机理和平均应力的影响，同时考虑焊接接头应力集中效应，具有一定的工程实际意义。

附图说明

图1本发明方法提供的焊接接头多轴寿命预测方法流程图。

图2本发明所采用的焊接模型几何尺寸示意图。

图3本发明所采用的热点应力拟合曲线图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步说明，但本发明并不限于以下实施例。

实施例1

如图1-图3所示，一种焊接结构多轴疲劳失效寿命预测流程具体实施方式如下：

步骤1)：利用有限元软件(例：ANSYS)对待测定焊接结构进行不同加载情况下的模拟，本发明的实例中包括纯拉伸、纯扭转、多轴比例加载、多轴非比例加载，其中非比例加载相位差取为90°。并且在焊趾部位进行局部网格细化，本发明的实例中焊趾处网格细化尺寸为0.1t×0.1t，其余位置网格尺寸为0.4t×0.4t。

其中t焊接接头板厚。

步骤2)：本发明定义的平均热点应力不同于外推法利用两点或三点插值得到的应力，而是以焊趾热点应力区域的平均应力作为等效热点应力。

步骤3)：提取从焊趾到距焊趾40mm内有限元各节点的热点应力张量σ：

其中，σ_x，σ_y，σ_z分别为第一、二、三主应力；τ_xy，τ_xz，τ_yz分别为xy、xz、yz平面的剪切应力。

步骤4)：对公式(1)中的应力分量分别拟合热点应力曲线，本发明以σ_x为例，得到与距离x相关的应力函数σ(x)，并采用公式(2)计算热点应力区域内σ_x的等效热点应力σ_eq,x：

其中引入了应力场强法中权函数的概念，认为公式(2)中权函数

代表着距离焊趾的距离不同，应力对疲劳破坏产生的权重应该不同。

其中，L为热点应力区域长度，在本发明的实例中L＝1.4t＝11.2mm；σ_max为峰值应力。

步骤5)：将公式(1)中的应力分量分别利用步骤4)计算，即可得到等效热点应力张量σ_eq：

其中，σ_eq,x，σ_eq,y，σ_eq,z分别为等效第一、二、三主应力；τ_eq,xy，τ_eq,xz，τ_eq,yz分别为xy、xz、yz平面的等效剪切应力。

步骤6)：本发明中基于临界面法的多轴疲劳失效寿命模型是以最大剪应力幅所在平面为临界面，利用该平面上的疲劳损伤参量：剪应力幅C_a，法向应力幅N_a，最大法向应力N_max来构造一个非线性组合形式的多轴疲劳准则，其中

是利用SWT公式对平均应力的修正：

材料参数λ可以在单轴扭转疲劳极限t_-1加载情况下求出，系数k可通过单轴拉伸疲劳极限f_-1加载条件下求出：

其中σ_σ为材料的屈服强度。

步骤7)：需考虑焊接结构的应力集中效应，引入修正系数K，k_σ,k_τ为焊接结构的法向和剪切应力集中系数。

综上推出一种基于临界面适用于焊接结构的多轴疲劳破坏准则：

步骤8)：使用本发明进行多轴疲劳失效寿命预测则必须先确定最大剪应力幅所在平面，利用公式(4)得到的等效热点应力张量σ_eq计算每个空间平面经历一个加载循环后的剪应力幅值及相应的正应力幅值，然后比较所有平面，确定最大剪应力幅所在平面。计算疲劳临界损伤平面上的剪应力幅值C_a与疲劳临界面上的法向正应力幅值N_a，利用公式(9)计算等效应力幅τ_eq：

步骤9)：利用本发明实例在纯扭下的试验数据，拟合应力－寿命公式(10)，得到τ′_f、b。并将公式(9)得到的τ_eq代入到拟合得到的寿命公式中，便可计算出焊接接头的多轴疲劳失效寿命N_f。

τ_eq＝τ′_f(N_f)^b (10)

其中τ′_f是纯扭加载下的疲劳强度系数，b是纯扭加载下的疲劳强度指数，都是通过拟合得到。

所述步骤4)拟合热点应力曲线所采用的形式为：

σ(x)＝px^q (11)

其中，p、q为拟合系数。

所述步骤4)等效热点应力公式求的是焊趾热点应力区域内的平均应力，改进了通过两点或三点外推法得到的热点应力，更加符合焊趾处的应力水平。

所述步骤4)L定义为热点应力区域长度，是通过拟合曲线与名义应力交点确定的。

所述步骤7)最终寿命预测模型选取最大剪应力幅值所在平面符合多轴疲劳破坏机理，选用SWT公式修正平均应力效果较好且不需要额外的材料参数。考虑到了不同相位下焊接结构的应力集中效应的影响，提出了包含法向和剪切应力集中系数的修正公式。同时在计算应力集中系数时，取的是在不同载荷情况下的平均值。

为了验证本发明提出的焊接结构多轴疲劳失效寿命预测流程准确性，将本方法计算所得的寿命预测结果与本发明应用实例的疲劳试验结果进行了对比，预测结果均在97.7％存活率之内，因此提出的寿命预测流程能够较好地预测多轴焊接接头的疲劳失效寿命。

Claims (3)

1.一种焊接结构多轴疲劳失效寿命评估方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1)：利用有限元软件对待测定焊接结构进行加载情况下的模拟，并且在焊趾部位进行局部网格细化；

步骤2)：定义平均热点应力是以焊趾热点应力区域的平均应力作为等效热点应力；

步骤3)：提取从焊趾到距焊趾40mm内有限元各节点的热点应力张量σ：

其中，σ_x，σ_y，σ_z分别为第一、二、三主应力；τ_xy，τ_xz，τ_yz分别为xy、xz、yz平面的剪切应力；

步骤4)：对公式(1)中的六种应力分量分别拟合热点应力曲线，本发明以σ_x为例，得到与距离x相关的应力函数σ(x)，并采用公式(2)计算热点应力区域内σ_x的等效热点应力σ_eq,x：

其中引入了应力场强法中权函数的概念，认为公式(2)中权函数

代表着距离焊趾的距离不同，应力对疲劳破坏产生的权重应该不同；

其中，L为热点应力区域长度；σ_max为峰值应力；

步骤5)：将公式(1)中的应力分量分别利用步骤4)计算，即可得到等效热点应力张量σ_eq：

其中，σ_eq,x，σ_eq,y，σ_eq,z分别为等效第一、二、三主应力；τ_eq,xy，τ_eq,xz，τ_eq,yz分别为xy、xz、yz平面的等效剪切应力；

步骤6)：本发明中基于临界面法的多轴疲劳失效寿命模型是以最大剪应力幅所在平面为临界面，利用该平面上的疲劳损伤参量：剪应力幅C_a，法向应力幅N_a，最大法向应力N_max来构造一个非线性组合形式的多轴疲劳准则，其中

是利用SWT公式对平均应力的修正：

材料参数λ可以在单轴扭转疲劳极限t_-1加载情况下求出，系数k可通过单轴拉伸疲劳极限f_-1加载条件下求出：

其中σ_σ为材料的屈服强度；

步骤7)：需考虑焊接结构的应力集中效应，引入修正系数K，k_σ,k_τ对应分别为焊接结构的法向和剪切应力集中系数；

综上推出一种基于临界面适用于焊接结构的多轴疲劳破坏准则：

步骤8)：使用本发明进行多轴疲劳失效寿命预测则必须先确定最大剪应力幅所在平面，利用公式(4)得到的等效热点应力张量σ_eq计算每个空间平面经历一个加载循环后的剪应力幅值及相应的正应力幅值，然后比较所有平面，确定最大剪应力幅所在平面；计算疲劳临界损伤平面上的剪应力幅值C_a与疲劳临界面上的法向正应力幅值N_a，利用公式(9)计算等效应力幅τ_eq：

步骤9)：利用本发明实例在纯扭下的试验数据，拟合应力－寿命公式(10)，得到τ′_f、b；并将公式(9)得到的τ_eq代入到拟合得到的寿命公式(10)中，便可计算出焊接接头的多轴疲劳失效寿命N_f；

τ_eq＝τ′_f(N_f)^b (10)

其中τ′_f是纯扭加载下的疲劳强度系数，b是纯扭加载下的疲劳强度指数，都是通过拟合得到。

2.按照权利要求1所述的一种焊接结构多轴疲劳失效寿命评估方法，其特征在于，步骤(1)中的加载包括纯拉伸、纯扭转、多轴比例加载、多轴非比例加载，其中非比例加载相位差取为90°。

3.按照权利要求1所述的一种焊接结构多轴疲劳失效寿命评估方法，其特征在于，步骤4)拟合热点应力曲线所采用的形式为：

σ(x)＝px^q (11)

其中，p、q为拟合系数。

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