一种焊接结构超高周疲劳主S-N曲线拟合及寿命预测方法技术

一种焊接结构超高周疲劳主S

【技术实现步骤摘要】
一种焊接结构超高周疲劳主S
‑
N曲线拟合及寿命预测方法


[0001]本专利技术涉及焊接结构疲劳性能评估


技术介绍

[0002]自从人们开展焊接结构疲劳性能评估研究工作以来，焊接疲劳积累了大量的实验数据和理论模型，然而这些工作大都集中在低于105周次低周疲劳与105～107周次高周疲劳阶段，对于循环次数超过107以上的超高周疲劳行为研究不多。主要原因为：普通的疲劳试验机频率一般介于3～30Hz，完成一个试件108 循环周次的疲劳试验就需要1个月多的时间。完成一条焊接接头S
‑
N曲线的拟合则需要完成大数据量的试件试验，将消耗大量的时间和经济成本。
[0003]从实用的角度来看，获得焊接接头的超高周疲劳强度的唯一方法是超声疲劳试验技术。超声疲劳试验技术加载频率为20KHz，完成一个108循环周次的疲劳试验仅需运行14个小时，这样，建立一条直到109 次循环的焊接接头S
‑
N曲线是可行的。但由于存在外部环境，温度，焊接缺陷等因素导致焊接疲劳数据的分散性和较高的费用，导致通过疲劳试验得到的数据量非常有限。
[0004]随着计算机辅助技术的提高，利用计算机仿真技术解决焊接结构寿命评估问题已成为常用途径。基于焊接结构的特殊性，结构应力法被提出并被证明可以有效克服传统名义应力法接头类型少，有限元模型需要网格细化的问题，已被ASME 2007、NT 3199等焊接疲劳设计规范和指南所采用，广泛应用在焊接接头的疲劳寿命分析的量化指标中。
[0005]目前，焊接接头疲劳寿命评估的常用方法为BS、IIW标准的名义应力法，以及ASME标准的结构应力法。名义应力法获取标准接头的名义应力，然后采用传统S
‑
N曲线进行疲劳评估。结构应力法评估方法为准静态法，其按照准静态发获得焊接结构的静态结果，根据焊缝节点等效结构应力，最后通过主S
‑
N曲线获得焊缝疲劳寿命。
[0006]传统的名义应力法和结构应力法都没有考虑焊接结构的固有频率属性，无法适用于超声波共振超高周疲劳情况。名义应力法在评估焊接接头疲劳的时候具有受到有限元网格影响，接头类型有限的局限性。结构应力法的主S
‑
N曲线是统计小于107周次的疲劳试验数据并进行拟合的曲线，无法证明其能适用于大于107周次的超高周疲劳。由于振动疲劳的复杂性，目前未见有关于在超声波振动条件下进行超高周焊接接头主S
‑
N曲线拟合，以及疲劳寿命预测方法研究的报道。有研究焊接结构动态特性的模态叠加和频域方法，但是这些研究仍然采用了传统主S
‑
N曲线。模态叠加法的采用了有效质量，频域法采用了Dirlik 统计方法，这些方法对超声简谐振动统计会产生较大误差，不适用于超声振动疲劳预测。
[0007]因此，需要研究新的超高周疲劳预测方法，以及拟合新的超声疲劳超高周主S
‑
N曲线，以确定焊接结构的超高周安全疲劳强度。

技术实现思路

[0008]为解决上述问题，本专利技术提出了一种焊接结构超高周疲劳主S
‑
N曲线拟合及寿命
预测方法，通过该方法可以充分考虑到焊接接头本身的固有频率属性，对超声焊接接头的疲劳寿命做出有效评估。
[0009]本专利技术为实现上述目的所采用的技术方案是：
[0010]一种焊接结构超高周疲劳主S
‑
N曲线拟合及寿命预测方法，其特征在于：包括以下步骤：
[0011]步骤一：构建超声疲劳试验焊接结构件有限元模型；
[0012]步骤二：利用瞬态分析计算超声波焊接结构件节点力响应，进一步获得等效结构应力响应，再经雨流技术成为等效结构应力响应谱，具体如下：
[0013]2‑
1：有限元瞬态分析；
[0014]2‑
2：根据有限元结果获取有限元焊趾线处穿透焊缝厚度一侧截面节点力时域响应，该节点力瞬态响应时域值{F(t)}被定义为：
[0015]{F(t)}＝[K
e
]{U(t)}
ꢀꢀ
(1)
[0016]上式t为时间，{U(t)}为单元时域响应位移矩阵，[K
e
]为单元刚度矩阵；
[0017]2‑
3：根据上步结果，取得焊趾线处穿透焊缝板厚截面中性面(以下简称板厚中面)的瞬态响应结构应力，根据(1)式获得板厚中面上的结构应力σ
s
(t)和剪切结构应力τ
s
(t)瞬态响应时域值：
[0018][0019][0020]上式中σ
s
(t)、σ
m
(t)、σ
b
(t)、F
y
(t)分别是板厚中面上垂直焊趾线方向的结构应力、膜应力、弯曲应力、节点力的瞬态响应时间历程，M
x
(t)是焊缝板厚中面上沿着焊趾线方向的弯矩瞬态响应时间历程，τ
s
(t)、τ
m
(t)、τ
b
(t)、F
x
(t)分别是板厚中面上沿着焊趾线方向的剪切结构应力、剪切膜应力、剪切弯曲应力、剪切节点力的瞬态响应时间历程，M
y
(t)是焊缝板厚中面垂直焊趾线方向的弯矩瞬态响应时间历程，d是板厚，L是结构应力法中焊缝厚度截面中面节点距离矩阵；
[0021]2‑
5：获取板厚中面瞬态响应等效结构应力，
[0022]定义瞬态响应载荷比修正系数：
[0023][0024][0025][0026][0027]根据(2)至(7)，求得等效结构应力瞬态响应值：
[0028][0029][0030]上式中，S
σ
(t)是焊缝厚度中性面上垂直焊趾线方向的瞬态响应等效结构应力，S
τ
(t)是焊缝板厚中面上沿着焊趾线方向的瞬态响应等效结构应力，m为常数3.6；
[0031]当S
τ
(t)>S
σ
(t)/3时
[0032][0033]否则
[0034]S
e
(t)＝S
σ
(t)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(11)
[0035]β为基于疲劳测试的法向应力和基于测试的剪切应力之间疲劳强度的比值常数。
[0036]S
σ
(t)是垂直焊趾线方向的节点响应时域等效结构应力；
[0037]S
τ
(t)是沿着焊趾线方向的节点响应时域剪切等效结构应力；
[0038]S
e
(t)为节点瞬态响应的时域等效结构应力。
[0039]为减少计算量，超声疲劳(2)、(3)、(8)、(9)、(10)、(11)式可简化为：
[0040][0041][0042][0043][0044]当τ
u
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种焊接结构超高周疲劳主S
‑
N曲线拟合及寿命预测方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤一：构建超声疲劳试验焊接结构件有限元模型；步骤二：利用瞬态分析计算超声波焊接结构件节点力响应，进一步获得等效结构应力响应，再经雨流技术转换成为等效结构应力响应谱，具体如下：2
‑
1：有限元瞬态分析；2
‑
2：根据有限元结果获取有限元焊趾线处穿透焊缝厚度一侧截面节点力时域响应，该节点力瞬态响应时域值{F(t)}被定义为：{F(t)}＝[K
e
]{U(t)}
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)上式t为时间，{U(t)}为单元时域响应位移矩阵，[K
e
]为单元刚度矩阵；2
‑
3：根据上步结果，取得焊趾线处穿透焊缝板厚截面中性面的瞬态响应结构应力，根据(1)式获得板厚中面上的结构应力σ
s
(t)和剪切结构应力τ
s
(t)瞬态响应时域值：(t)瞬态响应时域值：上式中σ
s
(t)、σ
m
(t)、σ
b
(t)、F
y
(t)分别是板厚中面上垂直焊趾线方向的结构应力、膜应力、弯曲应力、节点力的瞬态响应时间历程，M
x
(t)是焊缝板厚中面上沿着焊趾线方向的弯矩瞬态响应时间历程，τ
s
(t)、τ
m
(t)、τ
b
(t)、F
x
(t)分别是板厚中面上沿着焊趾线方向的剪切结构应力、剪切膜应力、剪切弯曲应力、剪切节点力的瞬态响应时间历程，M
y
(t)是焊缝板厚中面垂直焊趾线方向的弯矩瞬态响应时间历程，d是板厚，L是结构应力法中焊缝厚度截面中面节点距离矩阵；2
‑
5：获取板厚中面瞬态响应等效结构应力，定义瞬态响应载荷比修正系数：定义瞬态响应载荷比修正系数：定义瞬态响应载荷比修正系数：定义瞬态响应载荷比修正系数：根据(2)至(7)，求得等效结构应力瞬态响应值：
上式中，S
σ
(t)是焊缝厚度中性面上垂直焊趾线方向的瞬态响应等效结构应力，S
τ
(t)是焊缝板厚中面上沿着焊趾线方向的瞬态响应等效结构应力，m为常数；当S
τ
(t)>S
σ
(t)/3时否则S
e
(t)＝S
σ
(t)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(11)β为基于疲劳测试的法向应力和基于测试的剪切应力之间疲劳强度的比值常数。S
σ
(t)是垂直焊趾线方向的节点响应时域等效结构应力；S
τ
(t)是沿着焊趾线方向的节点响应时域剪切等效结构应力；S
e
(t)为节点瞬态响应的时域等效结构应力；为减少计算量，超声疲劳(2)、(3)、(8)、(9)、(10)、(11)式可简化为：为减少计算量，超声疲劳(2)、(3)、(8)、(9)、(10)、(11)式可简化为：为减少计算量，超声疲劳(2)、(3)、(8)、(9)、(10)、(11)式可简化为：为减少计算量，超声疲劳(2)、(3)、(8)、(9)、(10)、(11)式可简化为：当τ
u
>S
u
/3时否则S
e
＝S
u
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(17)上式中，σ
su
、F
yu
、M
yu
、S
u
、I[r
σu
]分别为超声振动产生共振后，进入振幅一直保持最大的稳定状态，焊缝板厚中面上的垂直焊趾线的结构应力、节点力、剪切节点弯矩、等效结构应力和载荷比修正系数的瞬态响应值，τ
su
、F
xu
、M
xu
、τ
u
、I[r
τu
]分别为超声疲劳振动进入超声稳态，...

【专利技术属性】
技术研发人员：周韶泽，郭硕，陈秉智，兆文忠，
申请(专利权)人：大连交通大学，
类型：发明
国别省市：