用于焊接结构的统一疲劳寿命评估方法技术

由于由焊接过程和连接过程所引入的几何不连续性，因此应力或应变会由于连接位置处的应力或应变奇异性而无法使用现代分析和计算机方法可靠地计算，接头位置处的应力或应变奇异性会导致严重的网格敏感性。这些结构的设计和疲劳评估仍然是经验性的。本公开通过对传统有限元计算结果进行新颖的后处理、通过切割平面牵引应力方法解决了焊接结构的应力/应变计算的网格不敏感性，以及为经受成比例或非比例的多轴疲劳载荷的低循环疲劳状态和高循环疲劳状态下的疲劳设计和结构寿命评估提供了统一的疲劳评估程序，以及提供了用于处理点焊缝的简单且可靠的方法。

Unified fatigue life assessment method for welded structures

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于焊接结构的统一疲劳寿命评估方法相关申请的交叉引用本申请要求于2018年8月6日提交的美国技术申请No.16/055485的优先权，并且还要求于2017年8月18日提交的美国临时申请No.62/547,343的权益。以上申请的全部公开内容通过参引并入本文。
本公开涉及用于焊接接头和其他结构的统一疲劳寿命评估方法。
技术介绍
经受时变载荷的工程结构易于疲劳损伤和失效。这些工程结构包括汽车、土方工程设备、压力容器和管道、飞行器、船和近海结构等。在这些结构的构造中，焊接是主要的制造过程。由于由焊接过程和连接过程所引入的几何不连续性，因此应力或应变会由于连接位置处的应力或应变奇异性而无法使用现代分析和计算机方法进行可靠地计算。到目前为止，这些结构的设计和疲劳评估仍然是经验性的。本公开不仅通过传统的有限元计算结果的新颖的后处理、通过切割平面牵引应力方法解决了用于焊接结构的应力/应变计算的网格不敏感性，而且通过积分处理为结构的疲劳设计和结构寿命评估提供了统一的疲劳评估程序。本部分提供与本公开有关的背景信息，其不一定是现有技术。
技术实现思路
本部分提供本公开的总体概述，而不是其全部范围或所有特征的全面公开。提出了用于估计焊接结构在载荷下的疲劳的统一方法。该方法包括：生成用于给定结构的有限元模型；使用有限元模型并且在给定结构处于给定载荷下时计算给定结构内的结构应力的分布，其中，应力的分布是相对于与给定结构相交的平面确定的；确定应力是否超过构成给定结构的材料的屈服强度；响应于确定应力小于材料的屈服强度而使用胡克定律计算给定结构内所经历的结构应变的分布；响应于确定应力超过材料的屈服强度而使用分析方法来计算给定结构内所经历的结构应变的分布，其中，结构应变的分布部分地根据计算出的结构应力的分布来计算，并且结构应力的分布是相对于平面通过至少两个闭式表达式来限定的，所述至少两个闭式表达式考虑了超过材料的屈服强度的应力；以及使用主E-N曲线使用计算出的结构应变的分布来计算给定结构在被置于给定载荷下时的疲劳寿命。在一个实施方式中，对给定结构的焊缝类型进行识别，并且根据所识别的焊缝类型来计算应力的分布。对于线型焊缝而言，通过根据有限元模型中的有限元节点和贡献节点力的单元识别焊线位置来计算给定结构内的结构应力的分布；将节点力和节点力矩分别转换为线力和线力矩；以及通过将线力除以板厚度以及将线力矩除以截面模量来计算沿着焊线的在每个节点位置处的结构应力。对于点型焊缝而言，通过将点焊缝建模为联接在两个或更多个板之间的梁来计算给定结构内的结构应力的分布；限定封装点焊缝的正方形区域；从有限元模型中提取关于正方形区域边缘的节点力和节点力矩；以及使用叠加方法根据计算出的节点力和节点力矩来计算点焊缝的结构应力。在一些实施方式中，确定给定结构是否经受非比例多轴载荷条件。当果给定结构没有经受非比例多轴载荷条件时，使用雨流循环计数来计算结构应变范围。另一方面，当给定结构经受非比例多轴载荷条件时，根据非比例损伤参数来计算结构应变范围，该非比例损伤参数考虑了法向剪切应力与平面内剪切应力之间的非比例载荷效应。例如，通过以分段线性形式表示非比例载荷路径来计算结构应变范围；通过将分段线性形式的每个线性区段的力矩相对于参考载荷路径进行数值积分来估算非比例损伤参数；以及根据非比例损伤参数来计算结构应变范围。其他适用领域将通过本文中所提供的描述变得明显。本
技术实现思路
中的描述和特定示例意在仅出于说明的目的，而并非意在限制本公开的范围。附图说明本文中所描述的附图仅出于所选实施方式而不是所有可能的实现方案的说明性目的，并且无意于限制本公开的范围。图1是描绘了用于估算焊接结构在时变载荷下的疲劳寿命的统一方法的流程图；图2A是图示了用于任意弯曲的焊缝的三维模型中的切割平面的图；图2B是图示了壳/板单元模型中的切割线的图；图3A是描绘了两个板之间的代表性的T型角焊缝的图；图3B是图示了T型角焊缝的壳或板单元表示的图；图3C是图示了T型角焊缝的3D实体单元模型的图；图3D是图示了焊趾处的整个厚度横截面上的节点力到关于横截面的中间厚度的节点力和节点力矩的转换的图；图4是图示了用于经受一侧屈服条件的板的结构应变定义和计算步骤的图；图5是图示了用于经受两侧屈服条件的板的结构应变定义和计算步骤的图；图6是根据本公开制定的主E-N曲线的图；图7是图示了用于经受一侧屈服条件的管道区段的结构应变定义和计算步骤的图；图8是图示了用于经受两侧屈服条件的管道区段的结构应变定义和计算步骤的图；图9是示出了在给定的弹性计算结构应力下线性弹性、一侧屈服和两侧屈服的求解方式的图，然后，给定的弹性计算结构应力可以转变成管道区段力和管道区段力矩；图10A和图10B是示出了彼此独立的法向剪切牵引结构和平面内剪切牵引结构随时间变化的图；图10C限定了作用于焊缝处的切割平面的法向剪切结构应力和平面内剪切结构应力；图11是示出了在结构应变平面中的基于载荷路径的疲劳损伤确定的力矩的图；图12是示出了在结构应力平面中的基于载荷路径的疲劳损伤确定的力矩的图；图13是示出了以分段线性形式表示的从A到B的典型非比例载荷路径的图；图14A和图14B是比较Eurocode3方法与新方法之间的分量测试数据中的有效性的图；图15A和图15B是比较IIW方法与新方法之间的分量测试数据中的有效性的图；图16A是图示了用于点焊缝的牵引结构应力建模方案的图；图16B和图16C是示出了牵引结构应力计算结果的图；图17是示出了将点焊缝建模为具有四个板单元的梁单元的图；图18是描绘了相对于建模的点焊缝边缘的力和力矩分解的图；图19A至图19C是分别示出了平面内边缘力、平面外边缘力和边缘力矩的力/力矩分解细节的图；图20是描绘了关于片材中的焊接熔核边缘的力/力矩和应力的定义的图；以及图21是对在熔核位置处使用四个单元的半分析解和使用如图16中所示出的32个单元的精制环状网格的FE解进行比较的图。贯穿附图的若干视图，对应的附图标记指示对应的部分。具体实施方式现在将参照附图更全面地描述示例实施方式。图1描绘用于估计给定的焊接结构在时变载荷下的疲劳寿命(或疲劳损伤)的统一方法。首先，在12处生成用于给定结构(或其一部分)的有限元模型。在示例实施方式中，将广义有限元方法应用于该结构，尽管本公开也设想了其他方法。接下来，使用有限元模型来计算给定结构内的结构应力的分布。具体地，在结构经受时变载荷时，沿着结构的选定的横截面(即，研究的平面)确定结构应力的分布。在示例实施方式中，识别焊缝的类型并且根据焊缝的类型来计算结构应力的分布。例如，焊缝可以是如以13所指出的线型焊缝或如以14所指出的点型焊缝。下面进一步描述了计算两种类型的焊缝的结构应力的分本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于估计焊接结构在载荷下的疲劳的统一方法，所述方法包括：/n生成用于给定结构的有限元模型；/n使用所述有限元模型并且在所述给定结构处于给定载荷下时计算所述给定结构内的结构应力的分布，其中，所述应力的分布是相对于与所述给定结构相交的平面确定的；/n确定应力是否超过构成所述给定结构的材料的屈服强度；/n响应于确定所述应力小于材料的屈服强度而使用胡克定律计算所述给定结构内所经历的结构应变的分布；/n响应于确定所述应力超过材料的屈服强度而使用分析方法计算所述给定结构内所经历的结构应变的分布，其中，所述结构应变的分布部分地根据计算出的所述结构应力的分布来计算，并且所述结构应变的分布是相对于所述平面通过至少两个闭式表达式来限定的，所述至少两个闭式表达式考虑了超过材料的屈服强度的应力；以及/n使用主E-N曲线、使用计算出的所述结构应变的分布来计算所述给定结构在被置于所述给定载荷下时的疲劳寿命。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20170818 US 62/547,343;20180806 US 16/055,4851.一种用于估计焊接结构在载荷下的疲劳的统一方法，所述方法包括：
生成用于给定结构的有限元模型；
使用所述有限元模型并且在所述给定结构处于给定载荷下时计算所述给定结构内的结构应力的分布，其中，所述应力的分布是相对于与所述给定结构相交的平面确定的；
确定应力是否超过构成所述给定结构的材料的屈服强度；
响应于确定所述应力小于材料的屈服强度而使用胡克定律计算所述给定结构内所经历的结构应变的分布；
响应于确定所述应力超过材料的屈服强度而使用分析方法计算所述给定结构内所经历的结构应变的分布，其中，所述结构应变的分布部分地根据计算出的所述结构应力的分布来计算，并且所述结构应变的分布是相对于所述平面通过至少两个闭式表达式来限定的，所述至少两个闭式表达式考虑了超过材料的屈服强度的应力；以及
使用主E-N曲线、使用计算出的所述结构应变的分布来计算所述给定结构在被置于所述给定载荷下时的疲劳寿命。


2.根据权利要求1所述的方法，还包括识别用于所述给定结构的焊缝的类型，并且根据所识别的焊缝的类型计算应力的分布。


3.根据权利要求2所述的方法，还包括：对于线型焊缝而言，通过以下步骤来计算所述给定结构内的结构应力的分布：
根据所述有限元模型中的有限元节点和贡献节点力的单元来识别焊线位置；
将节点力和节点力矩分别转换为线力和线力矩；以及
通过将线力除以板厚度以及将线力矩除以截面模量来计算沿着所述焊线的在每个节点位置处的结构应力。


4.根据权利要求2所述的方法，还包括：对于点型焊缝而言，通过以下步骤来计算所述给定结构内的结构应力的分布：
将点焊缝建模为联接在两个或更多个板之间的梁；
限定封装所述点焊缝的正方形区域；
从所述有限元模型提取关于所述正方形区域的边缘的节点力和节点力矩；以及
使用叠加方法根据估算出的节点力和节点力矩来计算用于所述点焊缝的结构应力。


5.根据权利要求1所述的方法，还包括：
确定所述给定结构是否经受非比例多轴载荷条件；以及
响应于确定所述给定结构没有经受非比例多轴载荷条件而使用雨流循环计数来计算结构应变范围。


6.根据权利要求5所述的方法，还包括：响应于确定所述给定结构经受非比例多轴载荷条件而根据非比例损伤参数来计算结构应变范围，所述非比例损伤参数考虑了法向剪切应力与平面内剪切应力之间的非比例载荷效应。


7.根据权利要求6所述的方法，还包括通过以下步骤来计算所述结构应变范围：
以分段线性形式来表示非比例载荷路径；
通过将所述分段线性形式的每个线性区段的力矩相对于参考载荷路径进行数值积分来估算非比例损伤参数；以及
根据所述非比例损伤参数来计算所述结构应变范围。


8.根据权利要求7所述的方法，还包括根据下式来计算所述结构应变范围：
ΔεNP＝ΔεAB(1+α∈·gNP)
其中，ΔεAB为在不考虑载荷路径非比例效应的情况下的应变平面中的参考结构应变范围，gNP为非比例损伤参数，以及α∈为用于测量材料对非比例载荷的敏感性的材料常数。


9.根据权利要求1所述的方法，其中，根据结构应变范围将疲劳损伤参数限定为：



其中，ΔεNP是结合了载荷路径非比例因数的结构应变范围，t是材料厚度，m是从裂纹扩展数据得出的指数，r′是弯折比，以及I(r′)是所述弯折比的无量纲多项式函数。


10.一种用于计算结构在载荷下的结构应变的方法，所述方法包括：
生成用于给定结构的有限元模型；
使用所述有限元模型并且在所述给定结构处于给定载荷下时计算所述给定结构内的结构应力的分布，其中，所述应力的分布是相对于与所述给定结构相交的平面确定的；以及
计算当所述给定结构在所述给定载荷下时所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：董平沙，裴宪军，梅继法，
申请(专利权)人：密歇根大学董事会，
类型：发明
国别省市：美国;US