一种搅拌摩擦焊构件变幅疲劳寿命预测方法技术

一种搅拌摩擦焊构件变幅疲劳寿命预测方法，属于机械构件疲劳诊断分析技术领域。模拟变幅载荷下按加载顺序的薄弱区域预制微裂纹，通过变幅载荷确定薄弱区域变化，模拟构件变幅下裂纹扩展规律；进行不同载荷疲劳小裂纹扩展中断疲劳实验，计算小裂纹扩展速率，得到变幅下裂纹扩展规律；计算对应的修正因子M

【技术实现步骤摘要】
一种搅拌摩擦焊构件变幅疲劳寿命预测方法


[0001]本专利技术涉及一种疲劳寿命预测方法，特别涉及一种基于载荷次序和接头各区性能的搅拌摩擦焊构件变幅疲劳寿命预测方法，属于机械构件诊断分析


技术介绍

[0002]在工程应用中，工程机械、轻工、船舶、铁道等领域的主要零构件，大多承受周期性的交变载荷。据文献统计，疲劳载荷引起焊接构件的失效，可以达到失效构件的80％～90％。因此，对于搅拌摩擦焊构件开展金属结构件在变幅条件下高周疲劳失效位置和寿命预测的研究是非常有必要的。
[0003]对搅拌摩擦焊构件进行变幅条件下的寿命预测时，不光需要考虑载荷序列的影响，还需要考虑接头不同区域微观组织变化及疲劳性能等因素的影响。铝合金搅拌摩擦焊焊接区域分为焊核(NZ)、热机(TMAZ)、热影响(HAZ)、母材(BM)四个区域，各区域的静力学性能及微观组织的不同导致萌生于接头不同区域的裂纹扩展规律的不同。1970年，Elber首先提出裂纹闭合概念，从描述裂纹张开应力S
op
角度出发提出以有效应力强度因子范围为基础的疲劳裂纹扩展预测模型。本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于载荷次序和接头各区性能的搅拌摩擦焊构件变幅疲劳寿命预测方法，其特征在于，其步骤包括如下：步骤1)：利用有限元软件对搅拌摩擦焊构件进行不同载荷水平加载下薄弱区域变化的模拟，根据搅拌摩擦焊构件不同区域具有不同材料属性的特性对模型进行分区建模，主要分为焊核(NZ)、热机(TMAZ)、热影响(HAZ)、母材(BM)四个区域，各区材料属性通过微拉伸试验数据得到，包括接头各区应力应变数据及弹性模量，施加不同载荷，并将不同加载水平下的应力最大区域作为此加载水平下的薄弱区域；步骤2)：根据步骤1)所得不同加载水平对应接头不同薄弱区域，根据变幅条件下载荷范围的变化，按加载顺序先选取一种载荷水平下对应的搅拌摩擦焊构件的薄弱区域处预置微裂纹，不改变其他设置的基础上，只变换载荷水平大小，确定变换后一种载荷水平后构件薄弱区域的变化，后续载荷需在前一步得出薄弱区域处预置微裂纹后进行施加，重复该步骤；步骤3)：根据步骤2)所得变幅加载下搅拌摩擦焊构件薄弱区域的变化规律及微裂纹尺寸，为确定搅拌摩擦焊构件变幅条件下的裂纹扩展规律，利用扩展有限元的方法分别在变幅载荷水平对应的薄弱区域处以垂直载荷加载的方向预置微裂纹，搅拌摩擦焊接头各区材料参数选择弹性模量与泊松比，设置最大主应力参数为损伤准则，并选择低周疲劳分析，施加变幅疲劳载荷，得到搅拌摩擦焊构件在变幅条件下的裂纹扩展规律；步骤4)：针对上述步骤薄弱区域及裂纹扩展规律，设计搅拌摩擦焊构件中断疲劳试验。对搅拌摩擦焊构件进行不同载荷序列下的加载，并对疲劳小裂纹进行贴膜复型，采用割线法计算小裂纹扩展速率，得到变幅条件下搅拌摩擦焊构件不同区域裂纹扩展规律及数据，割线法公式如下：其中ΔN为循环区间，Δa为裂纹长度变化值，a
i
为循环数为N
i
时的裂纹长度。步骤5)：本发明提出的针对搅拌摩擦焊构件的有效应力强度因子计算方法是基于Elber裂纹闭合理论的形式进行修正所得到的，Elber裂纹闭合理论公式如下：ΔK
eff
＝K
max
‑
K
op
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)其中：K
max
为最大应力强度因子；K
op
为裂纹张开应力强度因子；ΔK
eff
为有效应力强度因子；Y为几何修正因子；K为应力强度因子；σ为外加应力；a为表面半椭圆深度；基于载荷次序及构件各区性能对搅拌摩擦焊构件疲劳机理的影响，提出载荷次序系数M
K
及修正因子f建立新的有效应力强度因子计算方法。修正后的有效应力强度因子计算公式为：
△
K
eff
＝K
max
‑
M
K
·
f
·
K
op
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)其中：M
K
为载荷次序系数，f为修正因子；载荷次序系数M
K
的取值与载荷序列及接头各区性能有关，载荷序列的变化以及搅拌摩擦焊构件材料属性的不同引起接头不同区域的裂纹张开应力水平的变化，从而导致裂纹扩展驱动力的变化，因此通过引入载荷次序系数M
K
来修正裂纹张开应力水平下的应力强度因
子项，不同载荷序列下M
K
的取值不同；高低加载顺序下M
K
公式如下：低高加载顺序下M
K
公式如下：上式所需参数定义式如下：上式所需参数定义式如下：上式所需参数定义式如下：上式所需参数定义式如下：其中：a
OL
超载作用时裂纹长度；r
OL
超载引起的单调压缩塑性区大小；a
UL
低载作用时裂纹长度；r
UL
低载引起的单调拉伸塑性区大小；r
yi
当前循环塑性区大小；σ
yi
构件各区屈服应力；
△
K
UL
低载时应力强度因子幅；
△
K
i
为载荷应力强度因子幅；K
′
b
为载荷对应薄弱区域的循环强度系数；K
′
b+1
为相邻区域的循环强度系数；n为搅拌摩擦焊构件对应区域载荷次序效应指数；
△
K
OL
超载时应力强度因子幅；修正因子f的取值与晶粒尺寸有关，搅拌摩擦焊构件不同区域晶粒尺寸的不同对于裂纹扩展方式有较大影响，晶粒尺寸对裂纹扩展速率产生的影响随着裂纹长度的增大而逐渐减弱，因此引入一个修正因子f修正裂纹张开应力水平处的应力强度因子项，修正因子f计算公式如下:其中：d为搅拌摩擦焊构件对应区域平均晶粒尺寸；a
i
当前裂纹长度；载荷次序系数M
K
及修正因子f用来修正裂纹张开应力水平下的应力强度因子项，搅拌摩擦焊构件焊核区(NZ)、热机械影响区(TMAZ)、热影响区(HAZ)、母材区(BM)分别对应不同的M
K
、f值；步骤6)通过搅拌摩擦焊构件各区性能...

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