一种对接焊接接头疲劳等承载设计方法技术

一种对接焊接接头疲劳等承载设计方法，涉及焊接技术领域。本发明专利技术的目的是通过设计对接焊接接头余高的几何形状以提升焊接接头的疲劳承载能力。将焊接接头抽象成非均质材料，相应的将母材、焊材抽象成均质材料，根据均质材料的疲劳失效过程得到基于名义应力SN曲线的均质材料的疲劳寿命估算方法，利用疲劳寿命估算方法估算疲劳裂纹在均质材料中扩展一定尺寸时经历的应力循环次数；将均质材料的疲劳寿命估算方法推广到非均质材料，得到非均质材料的疲劳寿命估算方法。采用低合金高强钢Q550和焊丝ER70S‑6为实验材料，进行双Y形对接接头疲劳等承载设计及实验论证，本发明专利技术提出的焊接接头疲劳设计是可行的，焊接接头可以具有与母材相当的疲劳承载能力。

【技术实现步骤摘要】
一种对接焊接接头疲劳等承载设计方法
本专利技术涉及对接焊接接头设计方法，属于焊接

技术介绍
焊接接头存在力学性能不均匀性和几何不连续性，一直是工程结构中的薄弱环节，尤其在承受疲劳载荷时往往是工程结构中优先发生破坏的区域。在传统观念中，焊接接头的存在会拉低整体工程结构的疲劳承载能力。所谓疲劳承载能力，是指材料在承受一定疲劳载荷下能经历的最大应力循环次数，即疲劳寿命。这是因为焊接接头由于存在力学性能不均匀性、几何不连续性及缺陷[1-3]，其疲劳承载能力普遍低于母材，是工程结构中优先发生破坏的区域。因此有很多研究工作致力于提升焊接接头的疲劳承载能力[4-7]，但是当焊接接头的疲劳承载能力超过母材的疲劳承载能力时，单一的提升焊接接头的疲劳承载能力对工程结构而言就意义不大了。实际上，如果焊接接头的疲劳承载能力能与母材相当，则既可以满足工程结构的承载要求，又不会造成没有必要的浪费。但目前还未发现能实现焊接接头与母材有相当疲劳承载能力的焊接接头疲劳设计方法[8-15]。实现焊接接头与母材有相当的疲劳承载能力，需要研究焊接接头与母材疲劳行为的区别和联系。母材的微观组织和力学性能是均匀且单一的，是一种均质材料,其疲劳行为仅与应力分布状态有关。而焊接接头由于母材和焊材的组织性能差异及焊接热循环的影响，普遍存在微观组织和力学性能不均匀性[16,17]，导致同一承载截面上，不同区域的材料性能不同，是一种非均质材料。其疲劳行为不仅与应力分布状态有关，还与疲劳裂纹起始位置有关[18-20]。这是因为不同的疲劳裂纹起始位置决定着不同的疲劳裂纹扩展路径，对非均质材料而言，不同裂纹扩展路径上各组成材料的比例是不同的。由于疲劳裂纹扩展速率和疲劳裂纹临界扩展尺寸是与材料有关的物理量[21-24]，所以疲劳裂纹扩展路径上各组成材料的比例变化将直接影响非均质材料的最大疲劳承载能力。现有技术中并没有根据均质材料和非均质材料的疲劳寿命影响因素找到焊接接头与母材有相当疲劳承载能力的突破口。
技术实现思路
本专利技术的目的是通过设计对接焊接接头余高的几何形状以提升焊接接头的疲劳承载能力，进而提供了一种对接焊接接头疲劳等承载设计方法。本专利技术为解决上述技术问题采取的技术方案是：一种对接焊接接头疲劳等承载设计方法，所述方法将焊接接头(母材及位于母材之间焊材)抽象成非均质材料，相应的将母材、焊材抽象成均质材料，根据所述均质材料的疲劳失效过程得到基于名义应力SN曲线的均质材料的疲劳寿命估算方法，利用所述疲劳寿命估算方法估算疲劳裂纹在均质材料中扩展一定尺寸(一定尺寸是指小于等于疲劳裂纹临界扩展尺寸)时经历的应力循环次数；将均质材料的疲劳寿命估算方法推广到非均质材料，得到非均质材料的疲劳寿命估算方法；再将非均质材料疲劳寿命估算方法应用于焊接接头，以相同疲劳载荷下母材的疲劳寿命作为焊接接头疲劳寿命的设计目标，形成焊接接头疲劳等承载设计方法；所述方法的实现过程如下：步骤一、均质材料疲劳寿命估算均质材料疲劳失效过程可描述为：疲劳裂纹在材料中扩展一定长度后，试件剩余承载截面上的应力值达到了均质材料的抗拉强度值σu，疲劳裂纹高速扩展导致材料发生瞬断，均质材料瞬断截面尺寸tre表示为：σ表示均质材料承载截面上的疲劳应力；t表示均质材料的厚度，t为常数；σu表示均质材料的抗拉强度；对于疲劳应力比R为-1时，有：l表示均质材料的宽度；P表示疲劳载荷，单位为kN；σa表示疲劳应力幅，单位是MPa；均质材料的疲劳寿命N等于疲劳裂纹扩展至瞬断截面tre时均质材料经历的应力循环次数，疲劳裂纹到达瞬断截面时在均质材料中扩展的尺寸称为疲劳裂纹临界扩展尺寸，即ac；ac＝t-tre(3)疲劳寿命在104-106应力循环次数内，均质材料承载截面上的名义应力和材料疲劳寿命间存在指数函数关系如下：(σ)m·N＝C(4)公式(4)是名义应力SN曲线的拟合函数，式中m和C是与材料有关的参数；应用均质材料的名义应力SN曲线(名义应力-寿命曲线)估算疲劳裂纹在均质材料中扩展某一尺寸时经历的应力循环次数，需要引入均质材料疲劳裂纹平均扩展速率即：均质材料疲劳裂纹扩展某一尺寸a时经历的应力循环次数Na可以根据下式进行估算：步骤二、非均质材料疲劳寿命估算定义非均质材料由力学性能不同的均质材料L和H构成，且L的抗拉强度和疲劳承载能力均低于H；非均质材料的疲劳失效过程描述为：疲劳裂纹在材料L中扩展长度为aL，在材料H中扩展长度为aH，随着疲劳裂纹继续扩展，材料剩余承载截面上的应力不断增加，当试件剩余承载截面上的应力达到某个值时，疲劳裂纹高速扩展导致非均质材料瞬断；将非均质材料的疲劳寿命近似于疲劳裂纹扩展至瞬断截面前经历的应力循环次数，非均质材料的疲劳寿命是疲劳裂纹扩展路径上L消耗的应力循环次数和H消耗的应力循环次数的和，非均质材料的疲劳寿命表示为：式(7)中表示均质材料L承载截面尺寸为t(x)，截面上应力为σ时的疲劳裂纹临界扩展尺寸；表示均质材料H承载截面尺寸为t(x)，截面上应力为σ时的疲劳裂纹临界扩展尺寸；各个函数中的x表示沿着平行于疲劳载荷加载方向的不同承载截面的位置；NL(x)表示与非均质材料承受的疲劳载荷相同时均质材料L的疲劳寿命，NH)x)表示与非均质材料承受的疲劳载荷相同时均质材料H的疲劳寿命，且和可以根据式(8)确定，即：由L和H构成的非均质材料，其承载截面厚度表示为：t(x)＝L(x)+H(x)(9)L(x)表示非均质材料承载截面上均质材料L的尺寸沿x方向的分布函数，H(x)表示非均质材料承载截面上均质材料H的尺寸沿x方向的分布函数；t(x)为变量；式(7)中，aL(x)表示非均质材料疲劳裂纹扩展到瞬断截面前穿过均质材料L的尺寸，aH(x)表示非均质材料疲劳裂纹扩展到瞬断截面前穿过均质材料H的尺寸，aL(x)和aH(x)加和构成非均质材料疲劳裂纹临界扩展尺寸ac(x)，即：aL(x)+aH(x)＝ac(x)＝t(x)-tre(x)(10)非均质材料的瞬断截面尺寸tre(x)是与裂纹位置x相关的连续分段函数，令非均质材料瞬断截面上均质材料L的尺寸为SL(a,x)，则：式(7)中，NL(x)表示均质L受疲劳应力为σ时的疲劳寿命，NH(x)表示均质H受疲劳应力为σ时的疲劳寿命；根据均质材料名义应力-寿命关系，NL(x)和NH(x)是与疲劳外载荷P及非均质材料承载截面尺寸t(x)有关的函数，即：将aL(x),aH(x),NL(x),NH(x)的表达式代入式(7)，得到式(13)；当疲劳外载荷P和非均质材料各组成材料性能及比例已知时，非均质材料疲劳寿命可以根据式(13)进行估算：步骤三、焊接接头疲劳等承载设计利用步骤二获得的非均质材料疲劳寿命估算公式(13)进行焊接接头疲劳等承载设计，在相同的疲劳外载荷下，要使焊接接头具有与母材相当的疲劳承载能力，需要接头任意承载截面的疲劳寿命N均与母材疲劳寿命NB相当，可以表示为：N＝NB将式(13)代入式N＝NB即可实现焊接接头疲劳等承载设计，即：利用式(14)求解出的L(x)作为焊接接头低强焊材的厚度沿平行加载方向的函数，从而得到满足疲劳等承载条件下的对接焊接接头余高曲线。当所述对接焊接接头的坡口形式为双Y型对接焊接接头，式(14)变形为：上式中接头瞬断截面曲本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种对接焊接接头疲劳等承载设计方法，所述方法将焊接接头抽象成非均质材料，相应的将母材、焊材抽象成均质材料，根据所述均质材料的疲劳失效过程得到基于名义应力SN曲线的均质材料的疲劳寿命估算方法，利用所述疲劳寿命估算方法估算疲劳裂纹在均质材料中扩展一定尺寸时经历的应力循环次数；将均质材料的疲劳寿命估算方法推广到非均质材料，得到非均质材料的疲劳寿命估算方法；再将非均质材料疲劳寿命估算方法应用于焊接接头，以相同疲劳载荷下母材的疲劳寿命作为焊接接头疲劳寿命的设计目标，形成焊接接头疲劳等承载设计方法；其特征在于，所述方法的实现过程如下：步骤一、均质材料疲劳寿命估算均质材料疲劳失效过程可描述为：疲劳裂纹在材料中扩展一定长度后，试件剩余承载截面上的应力值达到了均质材料的抗拉强度值σu，疲劳裂纹高速扩展导致材料发生瞬断，均质材料瞬断截面尺寸tre表示为：

【技术特征摘要】
1.一种对接焊接接头疲劳等承载设计方法，所述方法将焊接接头抽象成非均质材料，相应的将母材、焊材抽象成均质材料，根据所述均质材料的疲劳失效过程得到基于名义应力SN曲线的均质材料的疲劳寿命估算方法，利用所述疲劳寿命估算方法估算疲劳裂纹在均质材料中扩展一定尺寸时经历的应力循环次数；将均质材料的疲劳寿命估算方法推广到非均质材料，得到非均质材料的疲劳寿命估算方法；再将非均质材料疲劳寿命估算方法应用于焊接接头，以相同疲劳载荷下母材的疲劳寿命作为焊接接头疲劳寿命的设计目标，形成焊接接头疲劳等承载设计方法；其特征在于，所述方法的实现过程如下：步骤一、均质材料疲劳寿命估算均质材料疲劳失效过程可描述为：疲劳裂纹在材料中扩展一定长度后，试件剩余承载截面上的应力值达到了均质材料的抗拉强度值σu，疲劳裂纹高速扩展导致材料发生瞬断，均质材料瞬断截面尺寸tre表示为：σ表示均质材料承载截面上的疲劳应力；t表示均质材料的厚度，t为常数；σu表示均质材料的抗拉强度；对于疲劳应力比R为-1时，有：l表示均质材料的宽度；P表示疲劳载荷，单位为kN；σa表示疲劳应力幅，单位是MPa；均质材料的疲劳寿命N等于疲劳裂纹扩展至瞬断截面tre时均质材料经历的应力循环次数，疲劳裂纹到达瞬断截面时在均质材料中扩展的尺寸称为疲劳裂纹临界扩展尺寸，即ac；ac＝t-tre(3)疲劳寿命在104-106应力循环次数内，均质材料承载截面上的名义应力和材料疲劳寿命间存在指数函数关系如下：(σ)m·N＝C(4)公式(4)是名义应力SN曲线的拟合函数，式中m和C是与材料有关的参数；应用均质材料的名义应力SN曲线(名义应力-寿命曲线)估算疲劳裂纹在均质材料中扩展某一尺寸时经历的应力循环次数，需要引入均质材料疲劳裂纹平均扩展速率即：均质材料疲劳裂纹扩展某一尺寸a时经历的应力循环次数Na可以根据下式进行估算：步骤二、非均质材料疲劳寿命估算定义非均质材料由力学性能不同的均质材料L和H构成，且L的抗拉强度和疲劳承载能力均低于H；非均质材料的疲劳失效过程描述为：疲劳裂纹在材料L中扩展长度为aL，在材料H中扩展长度为aH，随着疲劳裂纹继续扩展，材料剩余承载截面上的应力不断增加，当试件剩余承载截面上的应力达到某个值时，疲劳裂纹高速扩展导致非均质材料瞬断；将非均质材料的疲劳寿命近似于疲劳裂纹扩展至瞬断截面前经历的应力循环次数，非均质材料的疲劳寿命是疲劳裂纹扩展路径上L消耗的应力循环次数和H消耗的应力循环次数的和，非均质材料的疲劳寿命表示为：式(7)中表示均质材料L承载截面尺寸为t(x)，截面上应力为σ时的疲劳裂纹临界扩展尺寸；表示均质材料H承载截面尺寸为t(x)，截面上应力为σ时的疲劳裂纹临界扩展尺寸；各个函数中的x表示沿着平行于疲劳载荷加载方向的不同承载截面的位置；NL(x)表示与非均质材料承受的疲劳载荷相同时均质材料L的疲劳寿命，NH(x)表示与非均质材料承受的疲劳载荷相同时均质材料H的疲劳寿命，且和可以根据式(8)确定，即：由L和H构成的非均质材料，其承载截面厚度表示为：t(x)＝L(x)+H(x)(9)L(x)表示非均质...

【专利技术属性】
技术研发人员：温学，王苹，董志波，方洪渊，刘永，于谊飞，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江,23