一种适用于搅拌摩擦焊接头的变幅多级加载疲劳寿命预测方法技术

一种适用于搅拌摩擦焊接头的变幅多级加载疲劳寿命预测方法，属于机械结构诊断分析技术领域。通过研究搅拌摩擦焊接头在变幅多级加载下的裂纹萌生及扩展机理，考虑载荷水平、载荷水平变化所引起的薄弱区域转移以及各级载荷水平的预循环数三个因素的影响，提出了一种针对搅拌摩擦焊接头在变幅多级加载条件下的疲劳寿命预测模型。本发明专利技术方法简单有效，准确率比较高。

【技术实现步骤摘要】
一种适用于搅拌摩擦焊接头的变幅多级加载疲劳寿命预测方法
本专利技术涉及一种疲劳寿命预测方法，特别涉及一种基于变幅多级加载下裂纹萌生及扩展机理的适用于搅拌摩擦焊接接头的疲劳寿命预测方法，属于机械结构诊断分析

技术介绍
搅拌摩擦焊是一种新型的固相连接技术，被广泛应用于铝合金结构的焊接。在工程应用中，焊接结构多服役于复杂的疲劳载荷下，疲劳失效是其最主要的破坏形式，而焊接接头往往是最容易破坏的部位。在搅拌摩擦焊过程中，由于热输入和搅拌针的搅拌作用，接头的组织和力学性能会发生很大变化，使得接头各区的裂纹萌生及扩展机理也不同。因此，对铝合金搅拌摩擦焊接头在变幅载荷下进行疲劳破坏机理以及寿命预测方法的研究具有重要的理论与工程应用价值。搅拌摩擦焊接头由热影响区、热机械影响区和焊核区组成，每个区的材料属性均不同于母材，因此，接头各区可以看作不同材料。当载荷水平发生变化时，接头的薄弱区域会发生变化，裂纹萌生及扩展机理会随着薄弱区域的转移而变化。载荷发生变化时裂纹所达到的长度、易损伤区域的变化和载荷水平大小共同决定了试件的断裂位置。所以，在研究搅拌摩擦焊接头变幅加载疲劳机理时，必须考虑三方面因素，第一个是载荷水平，载荷水平直接影响裂纹有效驱动力的大小；第二个是载荷水平变化所引起的薄弱区域转移，当载荷发生变化后，薄弱区域的转移影响裂纹张开应力，从而造成裂纹扩展速率发生变化；第三个是各级加载水平的预循环数，将长短裂纹的临界值作为载荷过渡时裂纹能够继续扩展的临界尺寸，各级加载水平的预循环数直接影响于前一级载荷水平萌生并扩展的裂纹在载荷过渡时所达到的尺寸，如果此裂纹尺寸超过长短裂纹的临界值，裂纹继续扩展，反之裂纹停止扩展。基于上述变幅多级加载下裂纹扩展机理，提出基于变幅多级加载下裂纹萌生及扩展机理的适用于搅拌摩擦焊接头的疲劳寿命预测方法，此方法能够准确地预测搅拌摩擦焊构件在变幅多级加载条件下的疲劳寿命，对焊接构件的安全服役具有理论意义和工程应用价值。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提出一种基于变幅多级加载下裂纹萌生及扩展机理的适用于搅拌摩擦焊接头的疲劳寿命预测方法，通过研究搅拌摩擦焊接头在变幅多级加载下的裂纹萌生及扩展机理，考虑载荷水平、载荷水平变化所引起的薄弱区域转移以及各级载荷水平的预循环数三个因素的影响，提出了一种针对搅拌摩擦焊接头在变幅多级加载条件下的疲劳寿命预测模型。为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是一种基于变幅多级加载下裂纹萌生及扩展机理的适用于搅拌摩擦焊接头的疲劳寿命预测方法。一种适用于搅拌摩擦焊接头的变幅多级加载疲劳寿命预测方法，其步骤为：步骤1)：分别制备四批板状试样，试样的中间具有最小截面积；四批试样中间最小横截面分别对应NZ、TMAZ、HAZ、BM，每批包括多个试样，对每个试样进行恒幅加载实验，在实验过程中每隔一定的循环次数停机，停机后对疲劳小裂纹进行贴膜复型，之后利用金相显微镜观察并记录裂纹的长度与扩展速率，最终得到不同应力加载水平下的断裂在接头各个区域的裂纹扩展数据；步骤2)：为获得材料常数C、m，选取有效应力强度因子ΔKeff的计算公式；材料常数的获取需要基于有效应力强度因子ΔKeff的计算公式，利用步骤1)所得的裂纹扩展数据画出da/dN-ΔKeff曲线，接头各区不同加载水平下的da/dN-ΔKeff曲线会聚合为同一条基线，通过双对数坐标下的拟合，得到C、m。其中da/dN-ΔKeff曲线的获得：将Ni定义为循环数的序号，对于裂纹扩展速率模型，无论什么形式的加载，循环数为Ni的有效应力强度因子范围ΔKeff,i由下式求得：ΔKeff,i＝Kmax,i-M·Kop,i(2)式中Kmax,i、Kop,i分别为循环数为Ni时的最大应力强度因子、张开应力强度因子，计算方法如下式：其中Y为几何修正因子，采用Raju和Newman提出的计算方法进行计算；ai为循环数为Ni时的裂纹长度；σmax为外加最大应力；σop为裂纹张开应力，通过Newman张开应力计算公式得到。M为修正因子，通过以下公式进行计算：式中g为搅拌摩擦焊接头对应区域显微硬度的变化梯度，其计算方法如下：其中|HVk-HVk-1|为第k-1个测量点与第k个测量点之间的显微硬度值偏差；l为两相邻测量取样点间距；n为被测试件对应区域测显微硬度时的取样点个数，测量显微硬度取样点个数需大于等于3个；HVave为搅拌摩擦焊接头对应区域平均显微硬度值，HV0,ave为母材区域平均显微硬度值，其计算方法为：“对应区域所有测量点显微硬度值的总和”与“测量取样点的个数n”的比值；d为搅拌摩擦焊接头对应区域平均晶粒尺寸，d0为母材区域平均晶粒尺寸，其确定方法为：由母材及接头各区的EBSD实验数据得到。步骤3)：利用步骤1)所得的裂纹扩展数据并结合步骤2)画出da/dN-ΔKeff基线，通过双对数坐标下拟合得到C、m；步骤4)：搅拌摩擦焊接头各区初始裂纹尺寸a0和临界断裂尺寸ac的确定；搅拌摩擦焊接头各区微结构尺寸不同，对焊接接头各区进行微观测试，将对应区域内强化颗粒及凹坑等缺陷的平均尺寸作为该区域对应的初始裂纹尺寸a0，各区的初始裂纹尺寸分别表示为：aNZ,0,aHAZ,0,aTMAZ,0,aBM,0；临界断裂尺寸ac通过断裂韧性KIC的定义得出，公式如下：其中KIC为材料断裂韧性，σmax为外加最大应力。通过式6)计算裂纹临界断裂尺寸时，若计算结果大于板厚，那么取板厚为临界断裂尺寸的值。各区的临界断裂尺寸分别表示为：aNZ,c,aHAZ,c,aTMAZ,c,aBM,c；步骤5)：根据步骤1)中不同加载水平下接头不同区域的恒幅疲劳裂纹扩展数据，确定接头各区域小裂纹与长裂纹扩展的临界尺寸al，各区小裂纹与长裂纹扩展的临界尺寸分别表示为：aNZ,l,aHAZ,l,aTMAZ,l,aBM,l；步骤6)：利用ABAQUS模拟软件获得待测试疲劳试样在不同加载水平下的薄弱区域；基于国标板状疲劳试样形状及尺寸对搅拌摩擦焊接头疲劳试件进行建模，通过四点关联法，利用搅拌摩擦焊各区的微拉伸应力应变数据计算出所需的疲劳参数，对疲劳试件模型进行不同载荷水平下的疲劳加载，得出不同加载水平下的应力最大点所在区域，将此区域作为此加载水平下的薄弱区域；步骤7)：输入变幅多级载荷序列，开始循环，计算循环数为Ni时所有裂纹的尺寸。判断待测疲劳试件当前载荷水平所对应的薄弱区域，选取对应薄弱区域的初始裂纹尺寸、临界断裂尺寸及临界扩展尺寸等参数，计算当前载荷水平下所对应薄弱区域的裂纹在循环数为i时的裂纹扩展增量：Δai＝C(ΔKeff,i)m(7)其中公式(7)中的C、m对应的为步骤(3)得到的C、m。循环数为i时的裂纹尺寸通过下述公式计算：ai＝ai-1+Δai(8)其中Δai为循环数为Ni时的裂纹扩展增量，ai为循环数为Ni时的裂纹长度。步骤本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种适用于搅拌摩擦焊接头的变幅多级加载疲劳寿命预测方法，其特征在于，其步骤包括如下：/n步骤1)：分别制备四批板状试样，试样的中间具有最小截面积；四批试样中间最小横截面分别对应NZ、TMAZ、HAZ、BM，每批包括多个试样，对每个试样进行恒幅加载实验，在实验过程中每隔一定的循环次数停机，停机后对疲劳小裂纹进行贴膜复型，之后利用金相显微镜观察并记录裂纹的长度与扩展速率，最终得到不同应力加载水平下的断裂在接头各个区域的裂纹扩展数据；/n步骤2)：为获得材料常数C、m，选取有效应力强度因子ΔK

【技术特征摘要】
1.一种适用于搅拌摩擦焊接头的变幅多级加载疲劳寿命预测方法，其特征在于，其步骤包括如下：
步骤1)：分别制备四批板状试样，试样的中间具有最小截面积；四批试样中间最小横截面分别对应NZ、TMAZ、HAZ、BM，每批包括多个试样，对每个试样进行恒幅加载实验，在实验过程中每隔一定的循环次数停机，停机后对疲劳小裂纹进行贴膜复型，之后利用金相显微镜观察并记录裂纹的长度与扩展速率，最终得到不同应力加载水平下的断裂在接头各个区域的裂纹扩展数据；
步骤2)：为获得材料常数C、m，选取有效应力强度因子ΔKeff的计算公式；材料常数的获取需要基于有效应力强度因子ΔKeff的计算公式，利用步骤1)所得的裂纹扩展数据画出da/dN-ΔKeff曲线，接头各区不同加载水平下的da/dN-ΔKeff曲线会聚合为同一条基线，通过双对数坐标下的拟合，得到C、m。
其中da/dN-ΔKeff曲线的获得：将Ni定义为循环数的序号，对于裂纹扩展速率模型，无论什么形式的加载，循环数为Ni的有效应力强度因子范围ΔKeff,i由下式求得：
ΔKeff,i＝Kmax,i-M·Kop,i(2)
式中Kmax,i、Kop,i分别为循环数为Ni时的最大应力强度因子、张开应力强度因子，计算方法如下式：






其中Y为几何修正因子，采用Raju和Newman提出的计算方法进行计算；ai为循环数为Ni时的裂纹长度；σmax为外加最大应力；σop为裂纹张开应力，通过Newman张开应力计算公式得到。
M为修正因子，通过以下公式进行计算：



式中g为搅拌摩擦焊接头对应区域显微硬度的变化梯度，其计算方法如下：



其中|HVk-HVk-1|为第k-1个测量点与第k个测量点之间的显微硬度值偏差；l为两相邻测量取样点间距；n为被测试件对应区域测显微硬度时的取样点个数，测量显微硬度取样点个数需大于等于3个；
HVave为搅拌摩擦焊接头对应区域平均显微硬度值，HV0,ave为母材区域平均显微硬度值，其计算方法为：“对应区域所有测量点显微硬度值的总和”与“测量取样点的个数n”的比值；
d为搅拌摩擦焊接头对应区域平均晶粒尺寸，d0为母材区域平均晶粒尺寸，其确定方法为：由母材及接头各区的EBSD实验数据得到。
步骤3)：利用步骤1)所得的裂纹扩展数据并结合步骤2)画出da/dN-ΔKeff基线，通过双对数坐标下拟合得到C、m；
步骤4)：搅拌摩擦焊接头各区初始裂纹尺寸a0和临界断裂尺寸ac的确定；
搅拌摩擦焊接头各区微结构尺寸不同，对焊接接头各区进行微观测试，将对应区域内强化颗粒及凹坑等缺陷的平均尺寸作为该区域对应的初始裂纹尺寸a0...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙国芹，韩文彪，刘鹤，
申请(专利权)人：北京工业大学，
类型：发明
国别省市：北京;11