CN115081295B - 一种含高值焊接残余应力疲劳试样制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种含高值残余应力焊接构件疲劳试样的制备方法，包括：测量试样构件的实际焊接结构的残余应力作为试样试验结果；对所述试样构件进行三维建模并进行有限元分析，获得试样构件残余应力的试样仿真结果，验证试样仿真模型的精度；对试样仿真模型设置不同的分割宽度，切割为具有不同宽厚比的构件并测量构件的残余应力，从而获得多个切割构件残余应力试验结果；对仿真模型执行去除单元网格操作并进行仿真切割，获得仿真残余应力结果，将仿真结果与对应的试验结果对比，验证模型的准确性；将待测试构件导入步骤四验证的仿真模型，进行仿真并进行仿真切割，从而根据仿真数值分割并含高值残余应力焊接构件疲劳试样。
Description
技术领域
本发明涉及材料分析测试技术领域，具体涉及一种含高值残余应力焊接构件疲劳试样的制备方法。
背景技术
在焊接过程中，材料由于不均匀的受热和变形在构件中产生焊接残余应力。国内外学者的现有研究表明焊接残余应力对焊接构件疲劳性能有显著影响，高值拉伸焊接残余应力的存在会显著降低构件的疲劳寿命。但是，也有研究认为焊接残余应力对疲劳强度影响有限，这主要是实验采用小尺寸试样，其中的残余应力基本被释放，无法反应构件真实受力状态，对构件的疲劳寿命安全评估造成了极大地隐患。为此，一些学者采用含较高残余应力水平的试样进行研究表明高残余拉应力会明显降低构件的疲劳强度。然而，为了让研究的试样含高值残余应力，研究者采用了大尺寸甚至原始焊态试样，这对疲劳试验设备负载能力要求极高，消耗大量人力物力。所以受实际疲劳实验设备所限，疲劳试样尺寸不能很大。因此，为了保证实验顺利进行，同时又保留焊接构件中的残余应力，需要确定含残余应力疲劳试样的最小尺寸。与此同时，为了对比研究残余应力对焊接构件疲劳性能的影响，需要确定不含残余应力疲劳试样的最大尺寸。
以十字非承载接头为例，目前关于其疲劳性能的实验研究主要采用从焊接构件上切取或焊接小试样的方法。然而已有的疲劳标准中规定的试样尺寸并未明确考虑制备的试样中是否含高值焊接残余应力对实验结果的影响。标准ISO 14245-2012(Fatigue-Fatiguetesting of welded components-Guidance)中只是提到：焊接残余应力的性质和分布对疲劳性能有显著影响。因此，测量试样中的残余应力，特别是在疲劳裂纹萌生区域的残余应力是有用的。这种测量应该在未测试的试样上进行，因为循环加载或疲劳开裂的存在可能会重新分配原始残余应力。报告应完整描述测量过程，特别是测量区域的位置和尺寸。所以，确定一个试样尺寸包含有高值残余应力对于疲劳性能测试至关重要。
综上所述，研究残余应力对焊接构件疲劳寿命的影响需要在构件上合理取样。试样尺寸过小残余应力将释放，试样尺寸过大虽然保存了残余应力但是将导致选择实验设备难度大，实验成本增高。因此，有必要发明一种焊接构件疲劳试样制备方法，使研究人员可以通过改变试样尺寸获得含高值残余应力的疲劳试样。
发明内容
本发明的目的在于提供一种含高值残余应力焊接构件疲劳试样的制备方法，该方法制备的试样尺寸适当，制备重复性好，设计成本低，适用于常用的疲劳试验机，避免了疲劳机过载问题，应用于研究焊接残余应力对试样疲劳性能的影响。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种含高值残余应力焊接构件疲劳试样的制备方法，包括：
步骤一：选取具有接头的构件作为试样构件，在试样构件的焊趾或者其他热点位置使用应变片测量实际焊接结构的残余应力作为试样试验结果；确定所述试样构件焊缝长度与主板厚度的比值作为宽厚比；
步骤二：对所述试样构件进行三维建模并进行构件的焊接有限元仿真，获得所述试样构件残余应力的试样仿真结果，将获得的试样仿真结果与步骤一获得的试样试验结果对比，判断试样仿真模型是否在预设的15～20％精度范围内；如果符合，执行步骤三，如果不符合，返回步骤二，修改模型热源参数或者重新划分单元网格，直至满足精度要求，执行下一步；
步骤三：将试样沿其宽度方向的两个端部作为初始节点，以所述试样构件的宽厚比作为初始分割宽度，根据实际需要设置递增宽度值，沿宽度方向从外向内对称的对所述试样构件进行切割，直至分割后试样宽度值达到试样构件宽厚比为3:1为止；每次对称切割分割宽度后均使用应变片测量构件的残余应力，从而获得切割后不同宽厚比构件残余应力试验结果；
步骤四：对步骤二获得满足精度要求的试样仿真模型执行去除单元网格操作，并重新定义模型边界条件，按照步骤三的切割宽度对所述试样仿真模型进行仿真切割操作，得到具有不同“宽厚比”的构件，并获取每次切割后构件的仿真残余应力结果，即获得具有不同宽厚比试样的仿真残余应力结果，并将仿真结果与步骤三获得的对应的试验结果对比，验证模型准确性；如果符合，执行步骤五，如果不符合，返回步骤四，修改模型边界条件，直至满足精度要求，执行下一步；
步骤五：将待测试构件导入步骤四验证的仿真模型，进行仿真并进行仿真切割；对切割后不同宽厚比测试构件的残余应力峰值进行仿真分析；获得当仿真结果显示测试构件切割后宽厚比<10时，残余应力大幅释放的结论，从而根据仿真数值分割并含高值残余应力焊接构件疲劳试样。
进一步的，所述含高值残余应力焊接构件疲劳试样的制备方法适用于非承载十字接头、原始焊态接头或者切割后宽厚比≥10的疲劳试样。
与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：
本发明所述的含高值残余应力焊接构件疲劳试样的制备方法，试验设计成本低，制备重复性好；而且通过合理的尺寸设计，预防了为保留高值残余应力试样尺寸过大导致疲劳试验机过载问题，对于研究残余应力对焊接构件疲劳性能的影响有重要价值。
附图说明
图1为针对原始焊态十字非承载接头的数值模型；
图2为对十字非承载接头切割不同长度数值模型；
图3为切割不同宽度后试样残余应力分布。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案、有益效果及显著进步更加清楚，结合本发明实例中所提供的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所有描述的这些实施例仅是本发明的部分实施例，而不是全部的实施例；基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
下面描述的实施例以焊接构件中常见且应力分布较为复杂的十字非承载接头为例，试样宽度为160mm，主板厚度为8mm，试样构件焊缝长度与主板厚度的比值为20。首先借助试验测试与数值仿真的对比来验证仿真模型的准确性；然后通过数值仿真对试样不同特征尺寸(切割不同宽度)“宽厚比”进行仿真计算，然后确定出含高值焊接残余应力对应的试样宽厚比。
一种含高值残余应力焊接构件疲劳试样的制备方法，包括：
步骤一：将如图1所示的“宽厚比”为20的原始焊态十字非承载接头构件作为试样构件，在试样构件的焊趾或者其他热点位置使用应变片测量实际焊接结构的残余应力作为试样试验结果；其中，所述“宽厚比”指试样构件焊缝长度与主板厚度的比值。
步骤二：对所述试样构件进行三维建模，如采用Pro/Engineer,Solidworks；将建立的三维模型导入有限元分析软件中，将所述试样构件的底板分割成具有适当单元长度的单元网格并进行有限元分析，获得所述试样构件残余应力的试样仿真结果，将获得的试样仿真结果与步骤一获得的试样试验结果对比，判断试样仿真模型是否在预设的15～20％精度范围内；如果符合，执行步骤三，如果不符合，返回步骤二，修改模型热源参数或者重新划分单元网格，直至满足精度要求，执行下一步；所述现有的有限元分析软件包括LUSAS,MSC.Nastran，Ansys，Abaqus，LMS-Samtech，Algor，Femap/NX Nastran，Hypermesh，COMSOLMultiphysics，FEPG等。
步骤三：如图2所示，将试样仿真模型沿其宽度方向的两个端部作为初始节点，根据所述试样构件的“宽厚比”20mm为基础设置初始分割宽度为20mm，从两个端部向中间依次递增分割宽度，设置递增宽度值为20mm(递增宽度值是用户根据实际需要设置)，即，从两端部向内第二宽度为40mm，第三宽度为60mm，直至第x宽度值达到试样构件宽厚比为3:1为止。根据设置的分割宽度，沿宽度方向从外向内对称的对所述试样构件进行切割；每次切割对称的宽度后均使用应变片测量构件的残余应力，获得多个切割构件残余应力试验结果；即根据第一宽度值，分别从两个端部向内量取20mm宽度进行第一次切割，使用应变片测量剩余构件的残余应力；再根据第二宽度值向内量取40mm进行第二次切割，使用应变片测量剩余构件的残余应力，以此类推，直至根据第x宽度进行第x次切割后测量剩余构件的残余应力为止。本实施例为了测试方便选择相同的递增宽度值，随后的仿真步骤中与步骤三中的分割宽度保持一致。根据不同情况，可以设置不同的递增宽度值。
步骤四：对步骤二获得满足精度要求的试样仿真模型执行去除单元网格操作，并重新定义模型边界条件，按照步骤三获得的切割宽度对试样仿真模型进行仿真切割操作，得到具有不同“宽厚比”的构件，并获取每次切割后的仿真残余应力结果，并将仿真结果与步骤三获得的对应的试验结果对比，验证模型准确性，如果符合，执行步骤五，如果不符合，返回步骤四，修改模型边界条件，直至满足精度要求，执行下一步。
步骤五：经过两次验证，在仿真模型的精度符合要求后，将待测试构件导入步骤四验证的仿真模型，进行仿真并进行仿真切割；借助数值仿真的便利性通过仿真结果的云图直接提取切割后不同“宽厚比”测试构件的残余应力峰值并进行仿真分析；图3示出切割不同宽度后接头的横向残余应力峰值。可以发现，第一次切割就会有较多残余应力的释放，仿真结果显示当测试构件“宽厚比”<10时，残余应力会再次陡降。
通过上述步骤，针对非承载十字接头、原始焊态接头或者切割后“宽厚比”≥10的疲劳试样可以保持高值焊接残余应力。
对于非承载十字接头，除了原始焊态可以保留全部的焊接残余应力，试样一旦被切割就会释放残余应力，所以要尽量避免试样的切割。如果由于疲劳试验机的限制，那个切割后的“宽厚比”也应尽量>10，否者残余应力会被释放45％左右。依据以上结论得到的含高值焊接残余应力的特征“宽厚比”，制备相应的疲劳试样，从而应用于残余应力对焊接构件疲劳性能影响的相关探究。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非是对其的限制，尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换，而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，本领域技术人员根据本说明书内容所做出的非本质改进和调整或者替换，均属本发明所要求保护的范围。
Claims (3)
1.一种含高值残余应力焊接构件疲劳试样的制备方法，包括：
步骤一：选取具有接头的构件作为试样构件，在试样构件的焊趾或者其他热点位置使用应变片测量实际焊接结构的残余应力作为试样试验结果；确定所述试样构件焊缝长度与主板厚度的比值作为初始宽厚比；
步骤二：对所述试样构件进行三维建模并进行构件的焊接有限元仿真，获得所述试样构件残余应力的试样仿真结果，将获得的试样仿真结果与步骤一获得的试样试验结果对比，判断试样仿真模型是否在预设的15~20%精度范围内；如果符合，执行步骤三，如果不符合，返回步骤二，修改模型热源参数或者重新划分单元网格，直至满足精度要求，执行下一步；
步骤三：将试样沿其宽度方向的两个端部作为初始节点，以所述试样构件的初始宽厚比作为初始分割宽度，根据实际需要设置递增宽度值，沿宽度方向从外向内对称的对所述试样构件进行切割，直至分割后试样宽度值达到试样构件宽厚比为3:1为止；每次对称切割分割宽度后均使用应变片测量构件的残余应力，从而获得切割后不同宽厚比构件残余应力试验结果；
步骤四：对步骤二获得满足精度要求的试样仿真模型执行去除单元网格操作，并重新定义模型边界条件，按照步骤三的切割宽度对所述试样仿真模型进行仿真切割操作，得到具有不同“宽厚比”的构件，并获取每次切割后构件的仿真残余应力结果，即获得具有不同宽厚比试样的仿真残余应力结果，并将仿真结果与步骤三获得的对应的试验结果对比，验证模型准确性；如果符合，执行步骤五，如果不符合，返回步骤四，修改模型边界条件，直至满足精度要求，执行下一步；
步骤五：将待测试构件导入步骤四验证的仿真模型，进行仿真并进行仿真切割；对切割后不同宽厚比测试构件的残余应力峰值进行仿真分析；获得当仿真结果显示测试构件切割后宽厚比<10时，残余应力大幅释放的结论，从而根据仿真数值分割并含高值残余应力焊接构件疲劳试样。
2.根据权利要求1所述的含高值残余应力焊接构件疲劳试样的制备方法，其特征在于，所述含高值残余应力焊接构件疲劳试样的制备方法适用于非承载十字接头、原始焊态接头或者切割后宽厚比≥10的疲劳试样。
3.根据权利要求1所述的含高值残余应力焊接构件疲劳试样的制备方法，其特征在于，所述步骤五中“切割后不同宽厚比测试构件的残余应力峰值”是通过仿真结果的云图直接提取的。
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