结合S-N曲线和断裂力学的焊接结构疲劳寿命分析

针对焊接结构的疲劳裂纹演化过程,将焊接结构的疲劳寿命定义为裂纹萌生寿命N_i和裂纹扩展寿命N_p之和,提出一种结合S-N曲线和断裂力学理论的疲劳寿命分析方法.采用等效结构应力法和99%下限主S-N曲线计算焊接结构的裂纹萌生寿命,并将这一阶段结束时的裂纹看作为半椭圆表面裂纹.采用Paris裂纹扩展模型和半椭圆表面裂纹应力强度因子ΔK计算裂纹扩展寿命N_p.参照某起重机走行梁的疲劳试验结果进行对比和验证研究.结果表明,等效结构应力可以较好地表征复杂焊接结构的裂纹萌生特性,结合S-N曲线和断裂力学的疲劳寿命计算结果与试验结果具有较好的一致性.     

几何参数对梯形波纹腹板梁疲劳性能的影响

梯形波纹腹板梁是一种力学性能优良的新型焊接结构,相关研究表明腹板波纹几何参数对其基本力学性能影响明显,但目前对其疲劳性能的影响研究较少。针对梯形波纹腹板梁,采用参数化有限元建模法建模,以南侧焊趾处的倾斜段和疲劳危险点作为疲劳薄弱环节,以等效结构应力变程作为疲劳评定参量,研究腹板厚度t、倾斜角θ、过渡圆半径r和波高hr等几何参数对疲劳薄弱环节的影响规律。结果表明:倾斜角θ是影响梯形波纹腹板梁疲劳性能的最关键几何参数,生产制造中建议倾斜角θ选择范围在27°~37°;其他几何参数对梯形波纹腹板梁疲劳性能的影响不大,但必须结合实际制造工艺和倾斜角θ的取值进行综合考虑。     

焊接结构主S-N曲线拟合方法及软件开发

主S-N曲线法是当前焊接结构疲劳计算的新方法,在焊接结构疲劳分析中被广泛采用. 该方法以等效结构应力为核心参量,实现了以一条S-N曲线计算不同载荷模式和焊接形式结构的疲劳寿命. 依据主S-N曲线法,利用不同材料和焊接形式的疲劳试验建立了焊接结构疲劳试验数据库. 考虑厚度、弯曲比及多轴应力等修正参量的影响,采用最小二乘法原理,研究了不同主S-N曲线方程的拟合方法及其标准差. 在此基础上,开发了主S-N曲线拟合方法的专用软件. 基于VC++编程环境实现了名义应力、结构应力、等效结构应力、剪切结构应力、多轴结构应力及初始裂纹修正等主要计算功能. 基于该软件,完成了试验数据的多参量的对比分析,为研究焊接结构疲劳寿命评估及影响因素分析提供了技术基础.     

网格不敏感结构应力的焊接疲劳数据分布

为分析网格不敏感结构应力的焊接疲劳S-N数据分布具有高收敛性的机理,基于钛合金焊接接头疲劳试验数据,分别基于名义应力、主S-N曲线法中的结构应力及等效结构应力建立焊接疲劳数据坐标,并以最小二乘法拟合S-N曲线,应用粗糙集分析方法,以接头类型、相对板厚、载荷比、应力比等焊接疲劳主要影响因素作为条件属性,以疲劳数据对于S-N曲线的偏离度作为决策属性,对基于三种应力的焊接疲劳数据分布规律对比分析.结果表明,基于网格不敏感等效结构应力所建立的S-N数据分布更为集中和均匀,在预测焊接接头疲劳寿命方面具有更高的准确性.     

基于平均等效应力强度因子的焊缝疲劳寿命预测

目前普遍应用的焊缝疲劳仿真分析方法主要有名义应力法和结构应力法,针对两种方法的应用局限性及未考虑剪切结构应力导致的预测精度不高等问题,提出了一种新的高精度焊缝疲劳寿命预测方法。该方法是以断裂力学为理论基础,通过有限元软件提取焊缝周围节点的节点力及力矩,并通过一系列计算得到整个裂纹扩展路径上的平均等效应力强度因子ΔKeq,并将其作为本文中焊缝疲劳寿命预测方法的评价参数。通过对DP800GI和HSLA350GI两种高强钢材料的搭接接头进行疲劳试验,并将ΔKeq与试验所得的疲劳寿命数据进行双对数回归分析,得到的一条主ΔKeq-N曲线作为焊缝的疲劳寿命预测曲线,并与目前的名义应力法和结构应力法进行预测精度对比,得出本文中的焊缝疲劳寿命预测方法的预测精度高于目前的名义应力法和结构应力法。     

焊接结构模态结构应力法程序开发及工程应用

主S-N曲线法作为疲劳计算的新方法在焊接结构疲劳分析中被广泛采用.为了实现该方法在试验载荷下基于稳态动力学计算结果开展焊接结构疲劳寿命预测,首先引入台架模型作为边界条件,实现将试验载荷作为仿真分析的输入,基于模态叠加法的稳态动力学理论获得较准确的焊缝动态响应.其次在主S-N曲线法的准静态计算流程基础上,扩展其内涵,提出基于模态结构应力叠加的动态结构应力计算方法,该方法将稳态动力学计算的模态坐标与焊缝的模态结构应力进行叠加,实现动态结构应力计算及动态等效结构应力计算,再采用主S-N曲线进行寿命评估预测.进一步开发了焊接结构模态结构应力法疲劳评估软件,基于该软件开展了车体疲劳评估和疲劳试验对比.结果表明,该方法比传统方法更能有效地识别出动态加载下车体的疲劳破坏部位,验证了该方法在试验动态载荷加载下开展焊接结构疲劳评估的有效性和优越性,为研究焊接结构疲劳寿命评估理论和拓展主S-N曲线法提供了技术基础.     

含咬边缺陷的组焊牵枕结构疲劳寿命定量评估

组焊牵枕结构是重载铁路货车的主要承载部件,在焊接过程中枕梁与纵向梁对接焊缝产生了咬边缺陷,由于咬边缺陷已经存在,疲劳裂纹的扩展过程将是决定牵枕结构服役寿命的主要阶段. 基于等效结构应力法,提出了定量评估含咬边缺陷的组焊牵枕结构疲劳寿命的新方法. 该方法是在Paris公式中,通过积分上下限的设定,推导了计算焊接缺陷引起的疲劳寿命的缩减影响I(r)1/m公式,利用该公式,对含咬边缺陷的牵枕结构寿命进行了计算,为验证计算结果,进一步对该牵枕结构进行了疲劳试验. 结果表明,含3 mm初始裂纹时,计算结果为18.1万次,与试验结果的17万次吻合较好,同时也证明了基于等效结构应力法的I(r)1/m修正公式,对含焊接缺陷构件的疲劳寿命评估是合理有效的.     

某构件焊缝疲劳开裂的寿命预测方法应用对比

某轨道车辆的一个横向减振器座的焊缝在服役过程中出现了疲劳裂纹.?为了找到疲劳开裂的原因,在获得疲劳载荷谱的情况下,分别采用名义应力法、热点应力法以及结构应力法对开裂焊缝进行了疲劳寿命数值仿真计算.?数值仿真计算的结果表明,与名义应力和热点应力法相比较,结构应力法的计算结果最符合实际情况,且在焊缝应力集中的识别能力上,结...     

不锈钢车体点焊接头疲劳特性分析

为获取不锈钢车体点焊结构的疲劳特性,提出了一种用于点焊疲劳寿命评估的S-N曲线和P-S-N曲线. 首先,对点焊试件进行拉剪疲劳试验,得到点焊试件的疲劳寿命. 然后,建立点焊试件体单元和壳单元有限元模型,并将仿真结果与准静态试验结果对比,验证了壳单元有限元模型的准确性. 之后,基于Rupp法得到点焊试件的等效结构应力,并根据等效结构应力和试验寿命得到点焊试件在不同应力比下的S-N曲线. 为了消除应力比对S-N曲线的影响,基于Goodman修正法将非对称循环下的结构应力当量为对称循环下的结构应力,得到了点焊试件的基本S-N曲线. 最后,根据三种方法绘制出了点焊的P-S-N曲线,对比得到基于破坏率的方法一和基于等效寿命的方法三能够较为准确地预测点焊的真实寿命,为点焊结构的设计及寿命预测提供一定的参考.     

复杂焊接接头多轴疲劳强度评估的等效热点应力法

基于焊缝本身引起的非线性分布应力自平衡的性质,在板厚方向非线性分布应力大小为零的位置(零点位置)定义等效热点应力,提出一种新的能够用于复杂焊接接头多轴疲劳应力评价方法.首先,分析了零点位置的影响因素和变化规律,建立了确定零点位置的拟合方程.然后,和公开发表的试验数据以及现有的热点应力法有限元计算结果进行了对比.结果表明,等效热点应力法和现有的热点应力法具有很好的一致性,而且能够在一定程度上考虑厚度效应对疲劳强度的影响,具有更高的精度.文中方法还能够和多轴疲劳理论相结合,用于焊接接头的多轴疲劳强度评估.     

Combine S-N curve and fracture mechanics for fatigue life analysis of welded structures

Based on the evolution of fatigue cracks in welded structures, the fatigue life of welded structures was defined as the sum of the crack initiation life N_i and the crack propagation life N_p. Correspondingly, a fatigue-life analysis method combining S-N curves and fracture mechanics theory was proposed. The equivalent structural stress method and the lower 99% boundary of the master S-N curve were used to evaluate N_i, and cracks at the end of the initiation stage were considered as semi-elliptical surface cracks. Moreover, Paris equation and the stress intensity factor range of the cracks were used to evaluate N_p. Furthermore, the fatigue test results obtained from the running girder of cranes were used as a reference for comparison and verification of the results. The results revealed that the equivalent structural stress is a good indicator for the crack initiation behavior of complex welded structures. In addition, the predicted fatigue life corresponded closely to the testing life.     

焊接结构超高周疲劳主S-N曲线拟合及寿命预测方法

超声波疲劳试验是获得焊接接头超高周疲劳强度的实用方法.?目前还没有有效方法能够预测和评估任意焊接接头形式的超声超高周疲劳寿命.?文中提出了一种超声简谐共振条件下,评估焊接接头疲劳寿命的瞬态结构应力法,以及超声超高周疲劳主S-N曲线拟合方法.?基于已公开的300个焊接接头试验数据,拟合了铝合金焊接接头20?kHz超高周主...     

基于改进条件邻域熵的接头疲劳寿命影响因素分析

引入监督策略对粒化条件邻域熵进行改进,提出基于监督粒化的条件邻域熵属性约简算法. 在4个公开的数据集上对算法性能进行了试验. 结果表明,所提出的算法具有较高的约简率和分类准确率. 建立了基于该算法的铝合金焊接接头疲劳寿命影响因素分析模型,并基于互信息理论分析了焊接接头疲劳寿命各影响因素之间的耦合关系. 分析结果表明,应力集中系数受接头类型与焊接方法影响最大,受焊脚长度影响最小,说明在计算应力集中系数时接头类型与焊接方法的影响需要重点考虑;等效结构应力范围对于接头疲劳寿命影响的权重为0.461 2,名义应力范围的权重为0.347 3,说明经过应力修正之后,等效结构应力范围相较于名义应力范围对接头疲劳寿命影响的权重值增加,因而能更准确的预测接头的疲劳寿命.     

气孔对铝合金焊接接头超长疲劳寿命的影响

采用超声疲劳试验方法对铝合金5052-H32焊接接头进行疲劳试验,研究其在超长寿命区间(107~109周次)的疲劳强度及失效机理.结果表明,相同疲劳寿命下焊接接头疲劳强度较母材下降了73.3%,在超高周疲劳区间仍然会发生疲劳破坏;断口观察发现焊接缺陷(气孔)是诱发疲劳裂纹萌生的主要原因.为揭示焊接缺陷对焊接接头疲劳裂纹萌生及扩展的影响,采用有限元技术分析了气孔对应力集中系数和裂纹尖端应力强度因子的影响.最后讨论了焊接缺陷对疲劳寿命的影响机制及裂纹扩展特性.     

超声冲击改进地铁车辆焊接裂纹修复质量的探究

目的 针对地铁车辆车体、转向架构架疲劳裂纹频发的问题,探索超声冲击工艺增强焊接结构件疲劳强度的机理和可行性.方法 分别利用机械打磨和不同工艺参数的超声冲击处理SMA490BW钢焊接对接接头,借助应力分析仪、金相显微镜、超声疲劳机、扫描电镜等,综合分析试样的应力分布、接头形貌、晶粒组织、疲劳寿命以及断口形貌,以对比不同处理方式的强化效果.结果 超声冲击处理可有效改善对接接头的应力集中,细化表层晶粒,并调整表面应力场的分布,将焊接残余拉应力转为较大的残余压应力.在工艺参数1.5 A/10 min的冲击下,试样可获得最高平均寿命3.35×107周次,是机械打磨试样的3.8倍,是原始试样的10倍,且疲劳断裂失效模式不变.结论 超声冲击通过表面改性,显著提高焊接结构的疲劳寿命,且优于机械打磨方法.超声冲击法高度契合车辆裂纹修复的需求,但相关标准、设备、工艺不够完善,建议对超声冲击方法进一步探索,并最终将其纳入地铁车辆裂纹修复工艺.