[發明專利]含錯位高強低匹配承載十字焊接接頭疲勞定量分析方法

在審

• 申請號: 202211257837.5
• 申請日: 2022-10-13
• 公開（公告）號: CN115455792A
• 公開（公告）日: 2022-12-09
• 發明（設計）人: 宋威;滿錚;徐杰;石端虎
• 申請（專利權）人: 徐州工程學院;中國礦業大學
• 主分類號: G06F30/23
• 分類號: G06F30/23;G06F119/04
• 代理公司: 徐州市三聯專利事務所 32220
• 代理人: 周愛芳

本發明公開了一種含錯位承載型十字焊接接頭疲勞性能定量分析方法，屬焊接技術領域。基于局部評估方法的微結構支撐效應引入修正參數的基本思路建立疲勞解析模型，具體方法是：（1）確定十字焊接接頭疲勞壽命和包括錯位程度的承載接頭局部幾何形狀參數；（2）通過有限元分析方法確定各參數模型下潛在失效區域的平均應變能密度；（3）基于理想疲勞解析模型引入平均應變能修正參數k_m量化分析不同程度錯位的影響；步驟四：疲勞解析模型誤差分析及矯正；（4）：基于疲勞解析模型的失效轉變區域預測和疲勞壽命分析。該方法基于平均應變能理論，解析模型可靠度高，能分析不同承載狀態下焊根和焊趾的疲勞失效區域和疲勞壽命變化。

技術領域

本發明涉及焊接接頭疲勞壽命分析方法，具體是一種含錯位高強低匹配承載十字焊接接頭疲勞性能定量分析方法，屬于焊接技術領域。主要適用于軸和角混合錯位的承載十字焊接接頭，即用于混合錯位的焊接接頭定量分析。

背景技術

承載十字焊接接頭廣泛應用于橋梁、船舶和海洋平臺及工程機械等領域結構件中，特別在關鍵結構中起到決定性的連接和承載作用。在輕量化工程結構的制造中，對于精度要求較高的承載十字形焊接接頭，由于焊接制造工藝、結構約束條件及復雜結構特征的多重作用，會出現位移錯位或角錯位等不同特征的焊接結構缺陷，對整體焊接結構的可靠性及安全服役造成巨大威脅。

目前，不同的疲勞設計標準中，已通過簡單的疲勞強度修正公式納入不同類型錯位對疲勞強度的影響分析。對于典型焊接接頭而言，不同標準根據不同的接頭形式采用了相應的S-N曲線及疲勞強度等級。但對于錯位的影響無法通過簡化的修正公式或者疲勞等級曲線對疲勞強度準確的分析。盡管基于S-N曲線的疲勞評估方法不斷改進，但某些標準的結果和評估程序的可靠性仍然保守并具有局限性，需結合具體接頭形式及局部幾何特征進行。

焊接接頭的疲勞強度取決于失效區域的局部應力場，缺口應力強度因子(NSIF)作為有效的疲勞損傷參數，用于評估焊接接頭的疲勞壽命。基于NSIF的Williams公式可以準確描述缺口區域的應力分布，但是，NSIF的計算需要缺口尖端精細的網格劃分以及處理過程中大量的計算資源，并且由于缺口不同張開角度對應的NSIF單位不同使得接頭的疲勞特征參數不能直接進行評估。平均應變能(SED)方法是基于NSIF在奇異性區域準確描述疲勞失效行為的有效替代方法。

綜上所述，針對承載接頭存在的不同錯位類型會造成疲勞強度和疲勞壽命顯著降低等問題，基于SED修正系數的方法分析錯位對疲勞性能的影響，量化分析疲勞失效行為和疲勞壽命可以有效提高焊接結構使用的安全性。

發明內容

本發明的目的是提供一種含錯位承載型十字焊接接頭疲勞性能定量分析方法，以解決不同類型錯位影響下，對于承載十字焊接接頭的疲勞失效區域和疲勞壽命的定量分析。

本發明采用的技術方案是：一種含錯位承載型十字焊接接頭疲勞性能定量分析方法，基于焊接接頭的疲勞強度取決于失效區域的局部應力場，受到載荷狀態和局部幾何參數變化的影響，平均應變能基于缺口應力強度因子能夠準確描述局部應力狀態且顯著減少分析過程的計算，主要從SED方法的角度進行分析，通過建立相應的缺口特征解析模型，實現不同缺口張開角的疲勞指示參數的快速化確定及準確性對比分析，通過分析平均應變能在S-N曲線中的應用，最終獲得承載十字接頭的疲勞壽命分析；具體包括如下步驟：

步驟一：確定十字焊接接頭疲勞壽命和包括錯位程度的承載接頭局部幾何形狀參數：分別獲取承載接頭高周疲勞壽命N和承載接頭局部幾何形狀參數，承載接頭局部幾何形狀參數包括焊接接頭的幾何參數主板厚度T、副板厚度t、接頭焊接大小h、熔覆率p、軸錯位大小e、角錯位大小a，所述參數用于有限元解析模型的建立和解析模型的定量分析；

步驟二：通過有限元計算方法確定各參數模型下潛在失效區域的平均應變能密度基于十字焊接接頭試樣特征建立二維有限元解析模型，極坐標系下線彈性均質模型某點的應變能由下式確定：