[發明專利]一種用于焊接接頭疲勞極限評估的熱邊界條件控制方法

在審

• 申請號: 202011148848.0
• 申請日: 2020-10-23
• 公開（公告）號: CN112284942A
• 公開（公告）日: 2021-01-29
• 發明（設計）人: 劉雪松;郭少飛;張紅霞;閆志峰;方洪淵
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工業大學
• 主分類號: G01N3/32
• 分類號: G01N3/32;G05D23/19
• 代理公司: 哈爾濱龍科專利代理有限公司 23206
• 代理人: 高媛

本發明公開了一種用于焊接接頭疲勞極限評估的熱邊界條件控制方法，屬于焊接接頭疲勞性能評估試驗方法技術領域。本發明通過劃定一個統一大小的采樣窗口，以部分試件作為溫度演化的分析目標。基于線性偏微分方程邊值問題的疊加原理將測量得到的原始溫度數據拆分成兩部分：邊界條件引起的溫升和能量耗散引起的溫升。在此基礎上，進一步將能量耗散引起的溫升用于疲勞性能評定，并提供了相應的數據處理方法。本發明公開的熱邊界控制方法在保證了焊接接頭疲勞極限評估結果準確性和實驗周期短的基礎上，其顯著優勢在于不再需要像現有技術那樣安裝額外的溫度控制設備，并且在理論上能達到理想的控制效果。相較于現有技術具有顯著的新穎性和先進性。

技術領域

本發明涉及一種用于焊接接頭疲勞極限評估的熱邊界條件控制方法，屬于焊接接頭疲勞性能評估試驗方法技術領域。

背景技術

焊接作為一種重要的先進制造技術被廣泛應用于工業生成的各個方面。在工程結構的服役過程中焊接接頭通常要承受反復施加的循環載荷。因此，焊接接頭的疲勞性能對于整體結構的承載能力來說至關重要。在設計和生產制造之前必須對焊接接頭的疲勞性能進行有效的評估。

疲勞過程可以看作是在循環載荷作用下材料內部熱力學狀態的不可逆演化。根據非平衡熱力學，任何不可逆過程都不可避免地伴隨著能量耗散。能量耗散和疲勞損傷演化之間存在著緊密的聯系，并會引起材料溫度的升高。能量耗散引起的溫度升高已經被證明可以被用來對材料的疲勞性能進行有效的評估。這種基于材料在疲勞過程中自身溫度升高的疲勞性能評估方法被稱為“溫度方法”。目前，很多研究表明溫度方法同樣適用于焊接接頭疲勞性能的評估。相較于傳統的統計學方法，溫度方法一個顯著的優勢在于能在較短的時間內獲取接頭的疲勞性能。

溫度方法只考察由材料自身能量耗散引起得溫度升高。然而，除了材料自身的能量耗散之外，邊界條件同樣會對試件的溫度造成影響。邊界條件變化所導致的試件溫度變化與疲勞損傷無關。這部分溫升會對采用溫度方法的疲勞性能評估結果造成干擾。因此，在基于溫度升高的疲勞性能評估中，必須減小甚至去除邊界條件變化所造成的影響，否則難以保證結果的可信度。

在實際的疲勞試驗過程中，邊界條件通常是隨時間變化的。為了使熱邊界條件在疲勞試驗過程中保持一致，一些研究者通過在疲勞試驗機的夾具上安裝循環冷卻裝置來抑制試件兩端的溫度升高，例如Facchinetti等人在論文《Identification of Self-HeatingPhenomena Under Cyclic Loadings Using Full-Field Thermal and KinematicMeasurements:Application to High-Cycle Fatigue of Seam Weld Joints》中所采取的方法。然而，通過實驗方法控制熱邊界條件的方法需要付出相當大成本來購置和安裝額外的溫度控制設備。并且，加裝在夾具外圍的溫度控制裝置需要先對夾具整體進行冷卻，然后再實現對夾持在夾具內部試件的冷卻。這種間接的溫度控制方法所能達到的實際效果有限。綜上，現有技術通過實驗方法控制熱邊界條件的成本較高且效果不理想。這一問題為現有基于溫度升高的疲勞性能評估技術的實際應用增添了諸多困難，并且仍然有可能會造成不可靠的評估結果。

發明內容

本發明的目的是為了解決上述現有技術存在的問題，即現有技術通過實驗方法控制熱邊界條件的成本較高且效果不理想。進而提供一種溫度數據處理方法來實現對熱邊界條件的控制，即一種用于焊接接頭疲勞極限評估的熱邊界條件控制方法。

本發明的目的是通過以下技術方案實現的：