复杂焊接结构随机振动疲劳寿命预测方法技术

本发明专利技术公开了一种复杂焊接结构随机振动疲劳寿命预测方法，包括：建立焊接系统的有限元模型；确定系统的边界条件和动力学方程，将的边界条件引入的动力学方程；在载荷输入点施加不同的外部激励载荷，进行扫频计算，获得该外部激励载荷下的节点力-位移传递函数，通过节点力计算膜应力和弯曲应力，得到通过计算焊缝处等效结构应力的传递函数；对每个载荷输入进行傅氏变换，获得每个外部激励载荷的功率谱和载荷之间的互功率谱；根据每个外部激励载荷的功率谱、互功率谱和等效结构应力传递函数得出等效结构应力功率谱；使用Dirlik法获得等效结构应力概率密度函数，统计单位应力变化范围及发生的频次；利用焊缝结构的主S-N曲线，预测焊缝振动的疲劳寿命。

【技术实现步骤摘要】
复杂焊接结构随机振动疲劳寿命预测方法
本专利技术涉及复杂焊接结构在随机振动条件下的疲劳寿命预测方法。涉及专利分类号G06计算；推算；计数G06F电数字数据处理G06F17/00特别适用于特定功能的数字计算设备或数据处理设备或数据处理方法G06F17/50计算机辅助设计。
技术介绍
焊接结构以结构设计灵活、易于结构的变更和改型、焊前准备工作简单等独特优点，从而在汽车、铁路、航空、船舶等载运工具行业获得了相当广泛的应用，以轨道车辆为例，没有焊接就没有其任何产品，但是它的缺点同样突出，这就是它的焊缝上的抗疲劳能力远低于母材，疲劳失效总是从焊缝上开始。随着载运工具的服役载荷环境越来越复杂，焊接结构上焊缝疲劳开裂的问题也日益严重，这给载运工具的服役安全带来了巨大的疲劳隐患，因此，有人将焊接结构比喻为“双刃剑”是有一定道理的。焊接结构疲劳寿命预测方法主要是“名义应力法”。基于名义应力的评价方法遇到的困难具有普遍性，因为它只是在载荷简单、接头几何形状也简单的情况下有效，而工程上，载荷与接头几何形状相当复杂。于是，IIW提出了热点应力法[3]，它试图通过应力外推的策略获得焊趾上的应力集中，可事实上，这种方法因人而异的不一致性依然存在，例如，结果对有限元网格的大小非常敏感。如果事先假设焊趾上缺口的几何形状，然后用断裂力学的方法预测其疲劳寿命，可是缺口的假设也将因人而异，这是另外一类的不一致性问题。在焊接结构疲劳寿命预测方面，国内使用的技术主要是从英国引进的标准(BS7608)，以及BS7608的拓展，它们均是基于名义应力法的：首先，创建计算对象的有限元模型；然后，计算焊接接头上的静态名义应力；接着，从BS7608等标准中挑选出合适的S-N曲线数据[4]，并计算该应力水平下的疲劳损伤；最后，利用线性比例关系，计算其它名义应力水平的疲劳寿命或疲劳损伤。它的缺陷是：(1)当内嵌的S-N曲线数据不能对号入座时，计算将难以继续进行，方法本身有明显的局限性，而事实上，这种情况经常发生；(2)模型中没焊缝(焊趾、焊根)的定义，因此不能计算出焊缝(焊趾、焊根)上的结构应力，即应力集中，也不能显示焊缝上的疲劳寿命，而事实上，这些信息最重要；(3)由于是准静态的名义应力的计算，没有考虑疲劳载荷的频率影响，因此，既使是有S-N数据可用，寿命评估偏差也难于判断。(4)焊接结构服役期间的在线实测过程中很容易获得随机的位移谱、速度谱、加速度谱，名义应力法、热点应力法对此没有对接的接口。
技术实现思路
本专利技术针对以上问题，提出一种复杂焊接结构随机振动疲劳寿命预测方法，包括如下步骤：—建立包含焊缝细节的焊接系统的有限元模型；—确定系统的边界条件，建立动力学方程，将所述的边界条件引入所述的动力学方程；—在载荷输入点分别施加不同的外部激励载荷，进行扫频计算，获得该外部激励载荷下的节点力-位移传递函数，通过节点力计算膜应力和弯曲应力，得到通过计算焊缝处等效结构应力的传递函数；—对每个实测的载荷输入进行傅氏变换，获得每个外部激励载荷的功率谱和载荷之间的互功率谱；—根据每个外部激励载荷的功率谱、载荷间的互功率谱和等效结构应力传递函数得出等效结构应力功率谱；—使用Dirlik法获得等效结构应力概率密度函数，并统计单位时间内应力变化范围及发生的频次；—利用焊缝结构的主S-N曲线，预测焊缝振动的疲劳寿命。所述的边界条件中外部激励载荷至少包含：力、位移、速度和加速度。所述确定系统的边界条件，建立多载荷输入的动力学方程的步骤中建立的动力学方程为：其中[M]为系统的质量矩阵，[B]为系统的阻尼矩阵，[K]为系统的刚度矩阵，{x(t)}为系统的位移向量，为系统的速度矢量，为系统的加速度矢量，{f(t)}表示施加的外部激励载荷为力。将边界条件和动力学方程同时进行傅氏变换至频域，将变换至频域的边界条件引入动力学方程；当施加的激励为力载荷时，经傅氏变换到频域的表达式为：f(t)＝p(ω)·eiωt(2)将公式(2)带入动力学方程公式(1)，经傅氏变换到频域后，方程为：-ω2[M]{u(ω)}eiωt+iω[B]{u(ω)}eiωt+[K]{u(ω)}eiωt＝{P(ω)}eiωt(3)方程两边抵消掉复指数eiωt，得到：[-ω2M+iωB+K]{u(ω)}＝{p(ω)}(4)。当施加的激励载荷为位移时，位移经过傅氏变换到频域的表达式为：u(t)＝u(ω)·eiωt(5)所动力学方程，公式(3)中的自由度{u(ω)}，按位移激励进行重组，焊接系统的质量阵、阻尼阵和刚度阵按自由度分块为约束自由度，下标为s和无约束自由度，下标为f，如式(8)所示：其中us(ω)为已知的位移激励，qs为待定的约束反力，即强迫位移产生的激励力，无约束自由度uf(ω)通过公式(8)的第一式，上半部分得出方程的第一式解出：(-ω2Mff+iωBff+Kff)uf(ω)＝-(-ω2Mfs+iωBfs+Kfs)us(ω)(9)位移产生的激励的约束力形式表达通过公式(8)的第二式，下半部分下式求出。qs＝(-ω2Msf+iωBsf+Ksf)u(ω)f+(-ω2Mss+iωBss+Kss)u(ω)s(10)当外部激励载荷为速度时，经傅氏变换的表达式为：所述的公式(8)、(9)和(10)分别为：公式8-1：公式9-1：公式10-1：当外部激励载荷为加速度时，经傅氏变换后的表达式为：所述的公式(8)、(9)和(10)分别为：公式8-2：公式9-2：公式10-2：所述扫频计算，获得该外部激励载荷下的节点位移传递函数的步骤具体如下：所述的节点为有限元模型焊缝处焊线上的点；当输入的激励载荷为简谐力时，在所述的公式(4)中输入单位幅值的简谐力，得到力—位移输出系统的传递函数Hdisp(ω)如下：当输入为单位力时，公式(11)的输出结果即为力—位移传递函数Hdisp(ω)；通过力-位移传递函数，通过节点力计算膜应力和弯曲应力，得到通过计算焊缝处等效结构应力的传递函数的过程如下：F'e(ω)＝B-1KeHdisp(ω)Fe(ω)＝B-1Fe′(ω)＝BTKeB-1Hdisp(ω)f[F(ω)]＝[N][Fe(ω)]其中，ω是频率，Ke单元局部坐标系下的单元刚度矩阵，Fe′(ω)为单元局部坐标系下的节点力，B为从系统坐标向单元局部坐标转换矩阵，是个常系数矩阵，[N]为合成矩阵，Fe(ω)为系统坐标系下的节点力；系统坐标系(x,y,z)下求解的焊趾处节点力矩阵{Fe}i需要{F(ω)}i＝{Fix(ω),Fiy(ω),Fiz(ω),Mix(ω),Miy(ω),Miz(ω)…}(12)i＝1,2,3,…n，Fix其中F代表力，i代表节点号，x，y，z在代表平行于全局坐标轴的力，M代表力矩；{F′(ω)}i＝{T}i{F(ω)}i(13){fiy`(ω)}T＝{Fiy′`(ω)}TL-1(14){mix`(ω)}T＝{mi′x`(ω}TL-1(15)f代表线力，就是节点力平均到焊线；结构应力的传递函数为：σm(ω)是膜应力，σb(ω)是弯曲应力，σs为结构应力；等效结构应力幅△Ss其中I(r)是弯曲度比r的无量纲函数，常数m＝3.6，d为板厚；当输入单位简谐载荷时，获得等效结构应力的传递函数为：多载荷同时作用下的等效结构应力互功率谱的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种复杂焊接结构随机振动疲劳寿命预测方法，其特征在于包括如下步骤：—建立包含焊缝细节的焊接系统的有限元模型；—确定系统的边界条件，建立动力学方程，将所述的边界条件引入所述的动力学方程；—在载荷输入点分别施加不同的外部激励载荷，进行扫频计算，获得该外部激励载荷下的节点力‑位移传递函数，通过节点力计算膜应力和弯曲应力，得到通过计算焊缝处等效结构应力的传递函数；—对每个实测的载荷输入进行傅氏变换，获得每个外部激励载荷的功率谱和载荷之间的互功率谱；—根据每个外部激励载荷的功率谱、载荷间的互功率谱和等效结构应力传递函数得出等效结构应力功率谱；—使用Dirlik法获得等效结构应力概率密度函数，并统计单位时间内应力变化范围及发生的频次；—利用焊缝结构的主S‑N曲线，预测焊缝振动的疲劳寿命。

【技术特征摘要】
1.一种复杂焊接结构随机振动疲劳寿命预测方法，其特征在于包括如下步骤：—建立包含焊缝细节的焊接系统的有限元模型；—确定系统的边界条件，建立动力学方程，将所述的边界条件引入所述的动力学方程；—在载荷输入点分别施加不同的外部激励载荷，进行扫频计算，获得该外部激励载荷下的节点力-位移传递函数，通过节点力计算膜应力和弯曲应力，得到通过计算焊缝处等效结构应力的传递函数；—对每个实测的载荷输入进行傅氏变换，获得每个外部激励载荷的功率谱和载荷之间的互功率谱；—根据每个外部激励载荷的功率谱、载荷间的互功率谱和等效结构应力传递函数得出等效结构应力功率谱；—使用Dirlik法获得等效结构应力概率密度函数，并统计单位时间内应力变化范围及发生的频次；—利用焊缝结构的主S-N曲线，预测焊缝振动的疲劳寿命；所述的边界条件中外部激励载荷至少包含：力、位移、速度和加速度；所述确定系统的边界条件，建立多载荷输入的动力学方程的步骤中建立的动力学方程为：其中[M]为系统的质量矩阵，[B]为系统的阻尼矩阵，[K]为系统的刚度矩阵，{x(t)}为系统的位移向量，为系统的速度矢量，为系统的加速度矢量，{f(t)}表示施加的外部激励载荷力；将边界条件和动力学方程同时进行傅氏变换至频域，将变换至频域的边界条件引入动力学方程；当施加的激励为力载荷时，经傅氏变换到频域的表达式为：f(t)＝p(ω)·eiωt(2)将公式(2)带入动力学方程公式(1)，经傅氏变换到频域后，方程为：-ω2[M]{u(ω)}eiωt+iω[B]{u(ω)}eiωt+[K]{u(ω)}eiωt＝{P(ω)}eiωt(3)方程两边抵消掉复指数eiωt，得到：[-ω2M+iωB+K]{u(ω)}＝{p(ω)}(4)当施加的激励载荷为位移时，位移经过傅氏变换到频域的表达式为：u(t)＝u(ω)·eiωt(5)所动力学方程，公式(3)中的自由度{u(ω)}，按位移激励进行重组，焊接系统的质量阵、阻尼阵和刚度阵按自由度分块为约束自由度，下标为s和无约束自由度，下标为f，如式(8)所示：其中us(ω)为已知的位移激励，qs为待定的约束反力，即强迫位移产生的激励力，无约束自由度uf(ω)通过公式(8)的第一式，上半部分得出方程的第一式解出：(-ω2Mff+iωBff+Kff)uf(ω)＝-(-ω2Mfs+iωBfs+Kfs)us(ω)(9)位移产生的激励的约束力形式表达通过公式(8)的第二式，下半部分求出qs＝(-ω2Msf+iωBsf+Ksf)u(ω)f+(-ω2Mss+iωBss+Kss)u(ω)s(10)。2.根据权利要求1所述的复杂焊接结构随机振动疲劳寿命预测方法，其特征还在于：当外部激励载荷为速度时，经傅氏变换的表达式为：所述的公式(8)、(9)和(10)分别为：公式8-1：公式9-1：公式10-1：当外部激励载荷为加速度时，经傅氏变换后的表达式为：所述的公式(8)、(9)和(10)分别为：公式8-2：公式9-2：公式10-2：3.根据权...

【专利技术属性】
技术研发人员：兆文忠，李向伟，方吉，谢素明，李永华，高月华，
申请(专利权)人：大连交通大学，
类型：发明
国别省市：辽宁;21