一种基于焊接微区性能的焊接接头低周疲劳性能评价方法技术

一种基于焊接微区性能的焊接接头低周疲劳性能评价方法，对棒状试样标距段建立有限元模型，将有限元模型划分不同微区，并赋予各微区弹性性能和塑性性能，再对有限元模型施加位移载荷，计算不同名义应变下标距段的局部应变分布，根据局部应变分布计算不同名义应变下的塑性区局部应变，通过赋予各微区弹塑性力学性能的弹塑性有限元计算得到的塑性区局部应变，评估焊接接头低周疲劳性能。采用塑性区局部应变代替名义应变进行焊接接头的低周疲劳性能评价后，在10

【技术实现步骤摘要】
一种基于焊接微区性能的焊接接头低周疲劳性能评价方法
本专利技术属于机械工程的焊接
，具体涉及一种基于焊接微区性能的焊接接头低周疲劳性能评价方法。
技术介绍
焊接结构被广泛应用于大型装备、压力容器、铁道交通、航海航天和石油化工等领域，其工作环境中持续动载荷工况较为常见。目前焊接接头的低周疲劳性能评价方法通常是视焊接接头为均匀材料，以引伸计测得的名义应变作为焊接接头低周疲劳试验的控制参数和低周疲劳性能的评价参数。该方法未考虑焊接接头微区性能不均匀性。而焊接接头微区如焊缝、热影响区和母材的材料性能是不同的，而且具有非线性和梯度分布特征。通常在低周疲劳试验过程中，焊接接头微区性能不均匀性导致局部应变集中，与均匀材料不同。因此，采用均匀材料的试验数据处理方法评价焊接接头的低周疲劳性能将存在较大的误差，不能反映焊接接头微区性能不均匀性以及非线性和梯度特征。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对采用名义应变不能准确评价焊接接头低周疲劳性能的问题，提供了一种基于焊接微区性能的焊接接头低周疲劳性能评价方法。为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种基于焊接微区性能的焊接接头低周疲劳性能评价方法，对棒状试样标距段建立有限元模型，将有限元模型划分不同微区，并赋予各微区弹性性能和塑性性能，再对有限元模型施加位移载荷，计算不同名义应变下标距段的局部应变分布，根据局部应变分布计算不同名义应变下的塑性区局部应变，通过赋予各微区弹塑性力学性能的弹塑性有限元计算得到的塑性区局部应变，评估焊接接头低周疲劳性能。本专利技术进一步的改进在于，对焊接接头进行金相分析，得到焊接接头的宏观形貌，根据宏观形貌分析微区数量和微区尺寸，将有限元模型划分不同微区。本专利技术进一步的改进在于，弹性性能通过以下过程得到：将热影响区的弹性模量和泊松比设置为与母材相同，得到微区材料属性中的弹性性能。本专利技术进一步的改进在于，塑性性能通过以下过程得到：根据母材与焊缝的强度与硬度值的线性关系计算各个热影响区的强度；再根据各个热影响区的强度和硬度计算接头各个微区的应变硬化指数，得到微区材料属性中的塑性性能。本专利技术进一步的改进在于，平均硬度值通过以下过程得到：通过显微硬度试验，得到焊接接头各个微区的平均硬度值。本专利技术进一步的改进在于，接头各个微区的应变硬化指数通过下式计算：式中：n为应变硬化指数；σy为屈服强度；Hv为显微硬度；E为弹性模量。本专利技术进一步的改进在于，疲劳寿命通过以下过程得到：将焊接接头的热影响区中间位置放置于棒状试样标距段中间位置，使得标距段内母材和焊缝的体积相同，将引伸计测得的名义应变作为低周疲劳试验的控制参量，得到不同名义应变水平下焊接接头的疲劳寿命。本专利技术进一步的改进在于，根据局部应变分布计算不同名义应变下的塑性区局部应变的具体过程如下：找到棒状试样表面应变的最大点，定义为应变热点，经过应变热点且垂直于载荷方向的截面定义为危险截面，提取应变热点所在的塑性区内危险截面与棒状试样表面的交线上所有节点的应变，并计算平均值，将该平均值定义为塑性区局部应变，计算不同名义应变对应的塑性区局部应变。本专利技术进一步的改进在于，根据低周疲劳试验得到不同名义应变水平下焊接接头的疲劳寿命，根据弹塑性有限元计算得到不同名义应变下的塑性区局部应变，根据疲劳寿命和对应的塑性区局部应变，采用Manson-Coffin公式评价焊接接头的低周疲劳性能。与现有技术相比，本专利技术具有以下有益的技术效果：本专利技术考虑了焊接接头微区性能不均匀性，考虑了在低周疲劳过程中焊接接头的软化区出现应变集中，并先在软化区发生屈服的现象，采用“塑性区局部应变”对焊接接头的低周疲劳性能评价方法进行校正。采用“塑性区局部应变”代替名义应变进行焊接接头的低周疲劳性能评价后，在102～105周次的低周疲劳寿命范围内，同一应变水平下焊接接头试样测得的低周疲劳寿命与标距段全部为软化区的试样测得的低周疲劳寿命的最大差异从5.1倍缩小至1.3倍，克服了现有技术中由于名义应变不能表征不均匀材料如焊接接头在低周疲劳过程中危险区的局部应变，而疲劳损伤具有局部性，使得采用名义应变进行焊接接头的低周疲劳性能评价结果不准确的问题。附图说明图1为焊接接头低周疲劳性能评价流程。图2为低周疲劳试样标距段取样示意图。图3为低周疲劳常规棒状试样尺寸图。图4为焊接接头微区显微硬度分布。图5为焊接接头微区力学性能。图6a为基于微区性能不均匀性的弹塑性有限元模型。图6b为基于微区性能不均匀性的有限元网格。图7a为计算得到的名义应变0.6％下的局部应变分布。图7b为图7a中AB线上从焊缝到母材的应变变化。图7c为计算得到的名义应变0.6％下的屈服区。图8为常规棒状试样的低周疲劳断裂位置。图9为考虑微区性能不均匀性前后焊接接头与焊缝的低周疲劳性能对比。具体实施方式下面结合具体实施例对本专利技术做进一步的详细说明。本专利技术利用弹塑性有限元法计算低周疲劳试验过程中常规棒状试样标距段的应变分布，确定“应变热点”并计算“塑性区局部应变”，采用“塑性区局部应变”评价焊接接头低周疲劳性能。本专利技术是一种基于焊接微区性能的焊接接头低周疲劳性能评价方法：采用常规棒状试样进行不同名义应变控制下焊接接头的低周疲劳试验，然后采用焊接接头微区显微硬度推算棒状试样中各微区的力学性能。对常规棒状试样标距段建立有限元模型，对有限元模型划分不同微区，并赋予各自的弹塑性力学性能，再对有限元模型施加与低周疲劳试验中名义应变对应的位移载荷，计算不同名义应变下标距段的局部应变分布，根据局部应变分布计算不同名义应变下的“塑性区局部应变”，用基于微区性能的弹塑性有限元计算得到的“塑性区局部应变”来评估焊接接头低周疲劳性能。具体过程如下：1)采用常规棒状试样进行焊接接头的低周疲劳试验，不同应变幅下引伸计的夹持位置应该相同，且引伸计范围内的标距段与弹塑性有限元计算模型中微区位置需对应。一般可将热影响区中间位置放置于标距段中间位置，使得标距段内母材和焊缝的体积基本相同。将引伸计测得的名义应变作为低周疲劳试验的控制参量，根据低周疲劳试验得到不同名义应变水平下焊接接头的疲劳寿命。2)对焊接接头进行金相分析，得到焊接接头的宏观形貌，分析微区数量和微区尺寸，再通过显微硬度试验，得到焊接接头各个微区的平均硬度值。3)通过查阅资料或试验得到母材和焊缝的弹性模量和泊松比，将热影响区的弹性模量和泊松比设置成与母材相同，得到微区材料属性中的弹性性能。4)通过查阅资料或拉伸试验获得母材与焊缝的强度，结合步骤2)得到的焊接接头各个微区的平均硬度值，根据强度与硬度的线性关系计算出各个热影响区的强度。再根据强度、硬度与应变硬化指数的公式(1)计算出接头各个微区的应变硬化指数，得到微区材料属性中的塑性性能。式中：n为应变硬化指数；σy为屈服强度；Hv为显微硬度本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于焊接微区性能的焊接接头低周疲劳性能评价方法，其特征在于，对棒状试样标距段建立有限元模型，将有限元模型划分不同微区，并赋予各微区弹性性能和塑性性能，再对有限元模型施加位移载荷，计算不同名义应变下标距段内的局部应变分布，根据局部应变分布计算不同名义应变下的塑性区局部应变，通过赋予各微区弹塑性力学性能的弹塑性有限元计算得到的塑性区局部应变，评估焊接接头低周疲劳性能。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于焊接微区性能的焊接接头低周疲劳性能评价方法，其特征在于，对棒状试样标距段建立有限元模型，将有限元模型划分不同微区，并赋予各微区弹性性能和塑性性能，再对有限元模型施加位移载荷，计算不同名义应变下标距段内的局部应变分布，根据局部应变分布计算不同名义应变下的塑性区局部应变，通过赋予各微区弹塑性力学性能的弹塑性有限元计算得到的塑性区局部应变，评估焊接接头低周疲劳性能。


2.根据权利要求1所述的一种基于焊接微区性能的焊接接头低周疲劳性能评价方法，其特征在于，对焊接接头进行金相分析，得到焊接接头的宏观形貌，根据宏观形貌分析微区数量和微区尺寸，将有限元模型划分不同微区。


3.根据权利要求1所述的一种基于焊接微区性能的焊接接头低周疲劳性能评价方法，其特征在于，弹性性能通过以下过程得到：将热影响区的弹性模量和泊松比设置为与母材相同，得到微区材料属性中的弹性性能。


4.根据权利要求1所述的一种基于焊接微区性能的焊接接头低周疲劳性能评价方法，其特征在于，塑性性能通过以下过程得到：根据母材与焊缝的强度与硬度值的线性关系计算各个热影响区的强度；再根据各个热影响区的强度和硬度计算接头各个微区的应变硬化指数，得到微区材料属性中的塑性性能。


5.根据权利要求4所述的一种基于焊接微区性能的焊接接头低周疲劳性能评价方法，其特征在于，各个微区的平均硬度值通过以下过程得到：通过显微硬度试验，得到焊接接头各个微区的平均硬度值。

【专利技术属性】
技术研发人员：张建勋，徐甄真，朱波，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61