一种焊接接头疲劳裂纹萌生寿命预测方法技术

本发明专利技术涉及焊接疲劳分析技术领域，公开了一种焊接接头疲劳裂纹萌生寿命预测方法，包括如下步骤：(1)测试各区域的表面显微硬度，焊接残余应力；(2)获得焊接接头各区域抗拉强度值；(3)确定焊接接头衰减系数和焊接接头等效抗拉强度(4)计算焊接接头的等效疲劳极限；(5)确定S

【技术实现步骤摘要】
一种焊接接头疲劳裂纹萌生寿命预测方法


[0001]本专利技术涉及焊接疲劳分析
，具体涉及一种焊接接头疲劳裂纹萌生寿命预测方法。

技术介绍

[0002]焊接技术作为传统的金属连接手段，广泛应用于造船、潜艇、桥梁、工程机械等不同工业制造领域中，焊接接头由于组织不均匀、几何不连续、内部缺陷、残余应力等因素影响，成为焊接结构中“薄弱环节”。疲劳失效是承受循环载荷焊接结构的主要失效形式之一，机械装备及工程结构中承受循环载荷的焊接结构部件很多，例如飞机、船体、桥梁、铁道车辆、输油管道、压力容器等，这些焊接结构在承受交变应力时，虽然最大应力低于强度极限，但仍会在循环为作用下产生断裂，即疲劳失效。据资料统计，在焊接结构的失效中，有80％左右是由于焊接接头的疲劳断裂造成的，因此提前预测焊接结构的疲劳寿命，对保障焊接结构在服役周期内的安全性，具有重要的意义。
[0003]焊接结构的疲劳寿命评估通常从两个方面出发，即实验法与数值法，实验法是通过疲劳试验获取加载应力与构件寿命之间的关系，是疲劳寿命表征的基本方法；数值法需要通过有限元方法分析构件材料性能、局部几何形状、载荷条件与寿命之间的内在力学关系，对大型焊接结构难以适用。目前国内针对焊接接头的疲劳强度评估标准以疲劳试验累积的数据为基础，通过进行疲劳试验来获取载荷寿命数据进而得到疲劳强度设计曲线，然而这一方法需耗费大量的人力、物力和时间，因而在实际工程运用中不可行。如果能够通过现场测试评价实际焊接接头的机械性能就能预测得到焊接结构的疲劳寿命将对焊接结构疲劳寿命评估具有重要的意义。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于提供一种焊接接头疲劳裂纹萌生寿命预测方法，解决了通过试验来获取载荷寿命数据需耗费大量的人力、物力和时间的问题。
[0005]为了实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：
[0006]1.一种焊接接头疲劳裂纹萌生寿命预测方法，包括如下步骤：
[0007](1)采用便携式显微硬度仪测试焊接接头焊缝区、热影响区、母材区各区域的表面显微硬度Hv，采用连续球压痕压入法测试焊接残余应力σ
r
；
[0008](2)利用钢材的抗拉强度与显微硬度的定量关联关系，通过步骤(1)中各区域显微硬度测试值获得焊接接头各区域抗拉强度值σ
b
；
[0009](3)通过步骤(1)焊接接头残余应力测试值及分布范围确定焊接接头衰减系数，将步骤(2)获得的抗拉强度值σ
b
乘以残余应力衰减系数得到焊接接头各区域修正后的抗拉强度，将焊缝区、热影响区、母材区三者修正后的抗拉强度的最小值作为修正后的焊接接头等效抗拉强度σ
eb
；
[0010](4)基于步骤(1)中获得的热影响区显微硬度值Hvz和步骤(3)中获得的等效抗拉
强度值σ
eb
计算焊接接头的等效疲劳极限σ
R
；
[0011](5)确定S
‑
N曲线参数，S为疲劳寿命预测应力幅值，N为疲劳寿命，其中，包括预测曲线的斜率b、第一拐点的应力幅值σ1和第二拐点的应力幅值σ2；
[0012](6)通过超高周疲劳下应力幅值、抗拉强度及显微硬度计算疲劳寿命预测曲线第二拐点应力幅值σ2下的疲劳寿命N2；
[0013](7)计算得第一拐点应力幅值下的疲劳寿命N1；
[0014](8)通过以上步骤求得的疲劳寿命预测曲线参数，得到应力幅值与疲劳寿命关联方程，根据关联方程绘制S
‑
N曲线；
[0015](9)确定焊趾位置的应力值，计算或测试距离焊趾一定位置的应力，推算得到焊趾位置的应力；
[0016](10)通过步骤(7)和步骤(9)所获得的第一拐点应力幅值下的疲劳寿命N1和焊趾位置的应力值预测焊接接头的疲劳裂纹萌生寿命。
[0017]优选的，所述步骤(1)中在沿焊接接头焊缝区、热影响区、母材区各区域长度方向测试5个点，取5点平均值作为该测试区域的显微硬度值Hv；在沿焊缝长度方向中间部位测试5个点，同样取5点平均值作为该测试区域的残余应力值σ
r
。
[0018]优选的，所述步骤(4)中定义疲劳极限对应的疲劳周次为1
×
109次，基于热影响区显微硬度值H
vz
和等效抗拉强度值σ
eb
，通过以下公式(1)求得焊接接头在应力比R＝
‑
1情况下的等效疲劳极限σ
‑1；
[0019][0020]优选的，所述步骤(5)中确定预测曲线的斜率b、第一拐点的应力幅值σ1和第二拐点的应力幅值σ2，根据焊接接头的形式确定曲线第二直线段的斜率b；预测曲线中第一拐点的应力幅值σ1取0.8σ
eb
，第二拐点的应力幅值σ2取0.5σ
eb
。
[0021]优选的，所述步骤(6)中采用Murakami
‑
Wang模型对超高周疲劳下应力幅值与疲劳寿命、抗拉强度及显微硬度的关系进行计算，Murakami
‑
Wang模型如下公式(2)所示：
[0022][0023]式中，σ
a
为应力幅值、σ
b
为超高周疲劳下的抗拉强度；
[0024]将第二拐点应力幅值σ2代入，即可获得第二拐点应力幅值下的疲劳寿命N2，如公式(3)所示；
[0025][0026]优选的，所述步骤(7)中通过公式(4)、(5)、(6)求寿命预测曲线第一拐点循环次数N1；
[0027][0028][0029][0030]优选的，通过求得的疲劳寿命预测曲线参数a、b、c、N1，得到如公式(7)所示的应力幅值与疲劳寿命关联方程，根据关联方程绘制S
‑
N曲线。
[0031]σ
a
＝a(N+N1)
b
+c(7)。
[0032]优选的，计算或测试距离焊趾一定位置的应力，推算得到焊趾位置的应力，通过贴片法测得距离焊趾位置0.4t、0.9t和1.4t位置处的工作应力(此处t为壁厚)，通过以下公式(8)获得焊趾位置处的等效应力σ
h
；
[0033]σ
h
＝2.52σ
0.4t
‑
2.24σ
0.9t
+0.72σ
1.4t
(8)。
[0034]优选的，将获得的焊趾位置处等效应力σ
h
代入应力幅值与疲劳寿命关联方程公式(7)中得到热点应力
‑
疲劳裂纹萌生曲线，获得该焊接接头的疲劳裂纹萌生寿命；相反，基于特定的疲劳裂纹萌生寿命及测试得到的显微硬度值，获得等效热点应力值。
[0035]本专利技术的有益效果：
[0036]本专利技术公开了一种焊接接头疲劳裂纹萌生寿命预测方法，利用该方法提前预测焊接结构的疲劳寿命，对保障焊接结构在服役周期内的安全性，具有重要的意义本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种焊接接头疲劳裂纹萌生寿命预测方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)采用便携式显微硬度仪测试焊接接头焊缝区、热影响区、母材区各区域的表面显微硬度Hv，采用连续球压痕压入法测试焊接残余应力σ
r
；(2)利用钢材的抗拉强度与显微硬度的定量关联关系，通过步骤(1)中各区域显微硬度测试值获得焊接接头各区域抗拉强度值σ
b
；(3)通过步骤(1)焊接接头残余应力测试值及分布范围确定焊接接头衰减系数，将步骤(2)获得的抗拉强度值σ
b
乘以残余应力衰减系数得到焊接接头各区域修正后的抗拉强度，将焊缝区、热影响区、母材区三者修正后的抗拉强度的最小值作为修正后的焊接接头等效抗拉强度σ
eb
；(4)基于步骤(1)中获得的热影响区显微硬度值Hvz和步骤(3)中获得的等效抗拉强度值σ
eb
计算焊接接头的等效疲劳极限σ
R
；(5)确定S
‑
N曲线参数，S为疲劳寿命预测应力幅值，N为疲劳寿命，其中，包括预测曲线的斜率b、第一拐点的应力幅值σ1和第二拐点的应力幅值σ2；(6)通过超高周疲劳下应力幅值、抗拉强度及显微硬度计算疲劳寿命预测曲线第二拐点应力幅值σ2下的疲劳寿命N2；(7)计算得第一拐点应力幅值下的疲劳寿命N1；(8)通过以上步骤求得的疲劳寿命预测曲线参数，得到应力幅值与疲劳寿命关联方程，根据关联方程绘制S
‑
N曲线；(9)确定焊趾位置的应力值，计算或测试距离焊趾一定位置的应力，推算得到焊趾位置的应力；(10)通过步骤(7)和步骤(9)所获得的第一拐点应力幅值下的疲劳寿命N1和焊趾位置的应力值预测焊接接头的疲劳裂纹萌生寿命。2.根据权利要求1所述的一种焊接接头疲劳裂纹萌生寿命预测方法，其特征在于，所述步骤(1)中在沿焊接接头焊缝区、热影响区、母材区各区域长度方向测试5个点，取5点平均值作为该测试区域的显微硬度值Hv；在沿焊缝长度方向中间部位测试5个点，同样取5点平均值作为该测试区域的残余应力值σ
r
。3.根据权利要求1所述的一种焊接接头疲劳裂纹萌生寿命预测方法，其特征在于，所述步骤(4)中定义疲劳极限对应的疲劳周次为1
×
109次，基于热影响区显微硬度值H
vz
和等效抗拉强度值σ
eb
，通过以下公式(1)求得焊接接头在应力比R＝
‑
1情况下的等效疲劳极限σ...

【专利技术属性】
技术研发人员：罗云，蒋文春，解学方，张倩，董志龙，贾广成，胡效东，张显程，
申请(专利权)人：中国石油大学华东，
类型：发明
国别省市：