一种基于耗散能预测任意应力比下焊缝疲劳寿命的方法技术

本发明专利技术公开了一种基于耗散能预测任意应力比下焊缝疲劳寿命的方法，属于焊缝疲劳寿命计算领域。目的是为了解决在有限试验数据下进行任意应力比焊缝疲劳寿命表征和预测的问题。其原理是通过开展应力比为‑1的焊缝红外热像疲劳试验，获取焊缝耗散能疲劳寿命模型，继而测试任意应力比下焊缝稳定阶段温升，利用Goodman方法修正应力幅值，再根据焊缝耗散能疲劳寿命模型进行寿命预测。该方法能够通过应力比为‑1的焊缝耗散能疲劳寿命模型预测任意应力比下焊缝疲劳寿命。本发明专利技术的优点是耗散能既能反映焊缝因晶界位错与滑移而产生热力学行为的疲劳失效本质，其作为标量又能有效避免矢量所涉及的位置与方向问题，且所需试验数据少，时间和资源成本大大降低。

A method to predict the fatigue life of welds under any stress ratio based on dissipated energy

【技术实现步骤摘要】
一种基于耗散能预测任意应力比下焊缝疲劳寿命的方法
本专利技术涉及一种基于耗散能预测任意应力比下焊缝疲劳寿命的方法，属于焊缝疲劳寿命计算领域。
技术介绍
焊接是目前机械领域一种较为常见的连接方式，然而，焊接加工过程中由于存在温度梯度而使得微观结构不均匀，造成焊缝区域疲劳性能明显低于母材。工程实际焊接结构中，70％以上的焊缝失效属于疲劳失效，若能掌握焊缝服役寿命，可对焊接结构在疲劳失效出现之前进行提前预防，减少财产损失和资源浪费。因此，准确计算焊缝疲劳寿命成为保证焊接结构疲劳可靠性的重要环节。唐山轨道客车有限责任公司的王贵国(公开号：103838975A)专利技术的车体焊缝疲劳寿命计算方法及装置，通过焊缝有限元分析计算节点应力，基于主S-N曲线法预测车体焊缝疲劳寿命。大连交通大学的王剑(公开号：107451368A)专利技术的基于ANSYS平台的焊缝疲劳寿命评估方法，结合ANSYS平台和主S-N曲线法，调用TCL/Tk数据库管理系统，评估焊缝疲劳寿命。尽管上述主S-N曲线法采用网格不敏感的结构应力计算方法，可以相对准确地计算出空间任意走向的焊缝疲劳寿命，但是该方法计算的结构应力主要是线弹性阶段的力学行为，未能有效考虑塑性阶段的力学行为。湖南工业大学米承继(公开号：106354898A)专利技术的一种基于总应变能量密度的焊缝疲劳寿命计算方法，通过有限元求解焊缝弹塑性力学行为，综合考虑焊缝弹塑性应力应变对疲劳损伤的贡献，并将总应变能量密度作为损伤参量，计算焊缝疲劳寿命。湖南大学宋凯(公开号：105740551B)专利技术的一种焊缝疲劳寿命预测方法，通过有限元软件分析获得焊缝单元节点的节点力和力矩，然后根据做功相等原理由焊缝单元节点力和力矩计算得到相应的线性力、力矩，并通过转换计算得到焊缝厚度方向上的法向结构应力、剪切结构应力，根据裂纹在厚度方向上的实际扩展角度对其进行修正，通过经过修正的法向结构应力、剪切结构应力计算得到相应的等效的应力强度因子，从而得到在实际裂纹扩展路径上的平均等效的应力强度因子，并将其作为焊缝疲劳寿命的评价参量，预测焊缝疲劳寿命。上述方法充分考虑了焊缝弹塑性力学行为对疲劳损伤的影响，但是应力应变等力学响应的精确求解取决于材料本构模型以及网格质量，且如何快速确定引起疲劳损伤的主应力或主应变或主应变能密度是另一难题。因此，目前焊缝疲劳寿命预测方法在计算精度和效率方面依然存在诸多不足。
技术实现思路
为解决现有焊缝疲劳寿命计算方法所存在的预测精度和计算效率偏低等问题，克服
技术介绍
所述缺陷，本专利技术提供一种基于耗散能预测任意应力比下焊缝疲劳寿命的方法，本专利技术方法包括以下步骤：(1)通过开展应力比R-1为-1条件下的焊缝红外热像疲劳试验，获取焊缝疲劳损伤演化过程中所产生的温度场，绘制温升θ与焊缝疲劳寿命Nf响应曲线，计算焊缝疲劳特性参数，建立焊缝耗散能疲劳寿命模型；(2)通过开展任意应力比R下的焊缝红外热像疲劳试验，得到各任意应力比R下所对应焊缝稳定阶段的温升θAS；(3)确定任意应力比R、任意应力比R下的应力幅值σa和任意应力比R下的平均应力σm，根据Goodman方法将任意应力比R下的应力幅值σa修正为应力比R-1为-1条件下的应力幅值(4)结合修正后应力比R-1为-1条件下的应力幅值和焊缝耗散能疲劳寿命模型，计算任意应力比R下的焊缝疲劳寿命Nf。进一步地，所述的步骤(1)中，焊缝耗散能疲劳寿命模型按如下步骤建立：步骤一：根据焊缝材料屈服强度σs，确定焊缝红外热像疲劳试验应力比R-1为-1条件下的应力幅值分别为0.8σs、0.75σs、0.7σs、0.65σs、0.6σs、0.55σs、0.5σs；步骤二：开展应力比R-1为-1条件下的应力幅值为0.85σs的焊缝红外热像疲劳试验直至焊缝发生疲劳失效而试验中止，得到焊缝疲劳损伤演化过程中的温度场，绘制温升θ与疲劳寿命Nf响应曲线；步骤三：焊缝耗散能疲劳寿命模型按照下式计算：式(1)中，Nf为焊缝疲劳寿命，f为加载频率，τ为焊缝材料与环境发生热对流和热辐射有关的时间常数，Ec为极限耗散能，ρ为焊缝材料密度，C为焊缝材料传热系数，θAS为焊缝红外热像疲劳试验稳定阶段的温升；步骤四：开展应力比R-1为-1条件下的应力幅值为0.8σs、0.75σs、0.7σs、0.65σs、0.6σs、0.55σs、0.5σs下的焊缝红外热像疲劳试验，所有疲劳试验均在一根焊缝试件上完成，从应力比R-1为-1条件下的应力幅值为0.5σs开始依次往上递增，每一个应力比R-1为-1条件下的应力幅值加载0.5万次，加载频率为5Hz,获取每一个应力比R-1为-1条件下的应力幅值下焊缝红外热像疲劳试验稳定阶段的温升θAS，并绘制焊缝红外热像疲劳试验稳定阶段的温升θAS与应力比R-1为-1条件下的应力幅值平方响应曲线；步骤五：焊缝红外热像疲劳试验稳定阶段的温升θAS与应力比R-1为-1条件下的应力幅值存在如下关系：式(2)中，KT为焊缝红外热像疲劳试验稳定阶段的温升θAS与应力比R-1为-1条件下的应力幅值平方响应曲线的斜率，m为焊缝红外热像疲劳试验稳定阶段的温升θAS与应力比R-1为-1条件下的应力幅值平方响应曲线的截距，应力比R-1为-1条件下的应力幅值满足如下条件：σc为焊缝产生耗散能的最小应力值；步骤六：根据焊缝材料与环境发生热对流和热辐射有关的时间常数τ、焊缝材料密度ρ、焊缝材料传热系数C、极限耗散能Ec以及加载频率f和焊缝红外热像疲劳试验稳定阶段的温升θAS、应力比R-1为-1条件下的应力幅值平方即可确定应力比R-1为-1条件下焊缝疲劳寿命Nf以及焊缝疲劳寿命Nf与应力比R-1为-1条件下的应力幅值的数学关系：步骤七：结合焊缝红外热像疲劳试验数据和式(3)，验证和修正焊缝耗散能疲劳寿命模型。进一步地，所述的步骤(1)中，所述温升θ是指时间间隔为0.01s时温度变化值。进一步地，所述的步骤(2)中，任意应力比R满足如下条件：-1＜R＜1；所述焊缝稳定阶段是指温升θ为一恒定值的阶段。进一步地，所述的步骤(3)中，所述任意应力比R下的焊缝红外热像疲劳试验是指任意应力比R下的应力幅值σa和任意应力比R下的平均应力σm为一定值的焊缝红外热像疲劳试验，加载0.5万次，加载频率为5Hz,获取任意应力比R下的应力幅值σa和任意应力比R下的平均应力σm为一定值的焊缝红外热像疲劳试验稳定阶段的温升θAS。进一步地，任意应力比R下的应力幅值σa满足如下条件：任意应力比R下的平均应力σm满足如下条件：0＜σm＜σs。进一步地，所述的步骤(3)中，所述Goodman方法按照下式将任意应力比R下的应力幅值σa修正为应力比R-1为-1条件下的应力幅值式(4)中，σa和σm分别为任意应力比R下所对应的应力幅值和平均应力。进一步地，所述的步骤(4)中，将修正后应力比R-1为-1条件下的应力幅值或任意应力比R下的应力幅值σa和任意应力比R下的平均应力σ本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于耗散能预测任意应力比下焊缝疲劳寿命的方法，其特征在于所述的方法包括如下步骤：/n步骤一：通过开展应力比R

【技术特征摘要】
1.一种基于耗散能预测任意应力比下焊缝疲劳寿命的方法，其特征在于所述的方法包括如下步骤：
步骤一：通过开展应力比R-1为-1条件下的焊缝红外热像疲劳试验，获取焊缝疲劳损伤演化过程中所产生的温度场，绘制温升θ与焊缝疲劳寿命Nf响应曲线，计算焊缝疲劳特性参数，建立焊缝耗散能疲劳寿命模型；
步骤二：通过开展任意应力比R下的焊缝红外热像疲劳试验，得到各任意应力比R下所对应焊缝稳定阶段的温升θAS；
步骤三：确定任意应力比R、任意应力比R下的应力幅值σa和任意应力比R下的平均应力σm，根据Goodman方法将任意应力比R下的应力幅值σa修正为应力比R-1为-1条件下的应力幅值
步骤四：结合修正后应力比R-1为-1条件下的应力幅值和焊缝耗散能疲劳寿命模型，计算任意应力比R下的焊缝疲劳寿命Nf。


2.如权利要求1所述的一种基于耗散能预测任意应力比下焊缝疲劳寿命的方法，其特征在于所述的步骤一中，焊缝耗散能疲劳寿命模型按如下步骤建立：
步骤一：根据焊缝材料屈服强度σs，确定焊缝红外热像疲劳试验应力比R-1为-1条件下的应力幅值分别为0.8σs、0.75σs、0.7σs、0.65σs、0.6σs、0.55σs、0.5σs；
步骤二：开展应力比R-1为-1条件下的应力幅值为0.85σs的焊缝红外热像疲劳试验直至焊缝发生疲劳失效而试验中止，得到焊缝疲劳损伤演化过程中的温度场，绘制温升θ与疲劳寿命Nf响应曲线；
步骤三：焊缝耗散能疲劳寿命模型按照下式计算：



式(1)中，Nf为焊缝疲劳寿命，f为加载频率，τ为焊缝材料与环境发生热对流和热辐射有关的时间常数，Ec为极限耗散能，ρ为焊缝材料密度，C为焊缝材料传热系数，θAS为焊缝红外热像疲劳试验稳定阶段的温升；
步骤四：开展应力比R-1为-1条件下的应力幅值为0.8σs、0.75σs、0.7σs、0.65σs、0.6σs、0.55σs、0.5σs下的焊缝红外热像疲劳试验，所有疲劳试验均在一根焊缝试件上完成，从应力比R-1为-1条件下的应力幅值为0.5σs开始依次往上递增，每一个应力比R-1为-1条件下的应力幅值加载0.5万次，加载频率为5Hz,获取每一个应力比R-1为-1条件下的应力幅值下焊缝红外热像疲劳试验稳定阶段的温升θAS，并绘制焊缝红外热像疲劳试验稳定阶段的温升θAS与应力比R-1为-1条件下的应力幅值平方响应曲线；
步骤五：焊缝红外热像疲劳试验稳定阶段的温升θAS与应力比R-1为-1条件下的应力幅值存在如下关系：



式(2)中，KT为焊缝红外热像疲劳试验稳定阶段的温升θAS与应力比R-1为-1条件下的应力幅值平方响应曲线的斜率，m为焊缝红外热像疲劳试验稳定阶段的温升θAS与应力比R-1为-1条件下的应力幅值平方响应曲线的截距，应力比R-1为-1条件下的应力幅值满足如下条件：σc为焊缝产生耗散能的最小...

【专利技术属性】
技术研发人员：米承继，肖学文，李文泰，刘金华，廖翠姣，蹇海根，杨佳，
申请(专利权)人：湖南工业大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43