一种焊接接头双轴拉伸疲劳试验件设计方法技术

本发明专利技术公开了一种焊接接头双轴拉伸疲劳试验件设计方法，涉及一种焊接接头双轴拉伸疲劳试验件。其试验区应力水平较高且均匀，试验成功率高且结果准确。按以下步骤进行设计：步骤1、几何尺寸优化；步骤2、设计双轴比；步骤3、设计焊缝与水平方向角度α；步骤4、加工焊接接头双轴拉伸疲劳试验件。该试验件实现了双轴拉伸疲劳试验中所要达到的效果：第一，使疲劳裂纹萌生于试验区焊缝截面，并有助于设置不同载荷级开展双轴拉伸疲劳试验，使得试验结果更为准确；可以确定能够模拟实际机匣焊缝危险部位应力状态的双轴比γ；可以确定能够模拟实际机匣焊缝危险部位剪应力和正应力分布的焊缝角度α。度α。度α。

【技术实现步骤摘要】
一种焊接接头双轴拉伸疲劳试验件设计方法


[0001]本专利技术涉及一种焊接接头双轴拉伸疲劳试验件，尤其针对机匣薄壁壳体环形焊缝，可以通过双轴拉伸疲劳试验考核焊缝在复杂载荷下的多轴疲劳性能。

技术介绍

[0002]在航空发动机领域中，各类典型机匣往往是重要的承压件及限寿件，机匣薄壁壳体与安装边之间通常采用电子束焊、氩弧焊等工艺焊接。在服役环境下，机匣薄壁壳体环形焊缝往往承受着内压力、轴向力等复杂循环载荷作用，呈现典型的双向应力状态。为考核研究机匣焊接结构多轴疲劳性能，需要设计一种带焊缝的双轴拉伸疲劳试验件。
[0003]目前国内大都采用弯
‑
扭疲劳试验研究焊接接头的多轴疲劳性能。或是采用十字形试验件来研究材料双轴疲劳裂纹扩展行为。例如：
[0004]Bibbo N.D.；Arora V.；Pedersen M.M.在“Comparison of Findley and MWCM multiaxial fatigue methods using the notch stress method on welded joints”(Procedia Structural Integrity，2021，1)中，在比例弯扭多轴载荷作用下比较了Findley准则和改进的曲线法对焊接接头多轴疲劳寿命预测研究的适用性。
[0005]Liu JiaYu；Bao WenJie；Zhao JiaYu；Zhou ChangYu在“Fatigue Crack Growth Behavior of CP<br/>‑
Ti Cruciform Specimens with Mixed Mode I
‑
II Crack under Biaxial Loading”(Materials，2022，3)中，以十字形试验件为研究对象，在存在初始裂纹的情况下，提出了一种新的有效应力强度因子，对双轴疲劳裂纹扩展行为开展了研究。
[0006]综上所述，国内外学者所采用的多轴疲劳试验件并不适用于焊接接头在复杂应力状态下的疲劳寿命研究，对于能够满足机匣薄壁壳体焊缝处多轴疲劳性能考核的试验件设计尚未见报导。因此，本专利技术针对已有十字型双轴拉伸疲劳试验件进行改进，发展了一种焊接接头双轴拉伸疲劳试验件设计方法。

技术实现思路

[0007]本专利技术针对以上问题，提出了一种焊接接头双轴拉伸疲劳试验件设计方法，其试验区应力水平较高且均匀，试验成功率高且结果准确。
[0008]本专利技术的技术方案为：所述试验件呈十字形，由两块T字形薄板通过对接焊的方式连接而成，并在二者之间形成直线状的焊缝3，在所述试验件中心的正反两面设有圆形减薄区2，所述十字形的试验件具有四个夹持臂1，相邻夹持臂1之间开设有过渡槽，从而在相邻夹持臂1之间形成夹持臂过渡圆弧4；
[0009]按以下步骤进行设计：
[0010]步骤1、几何尺寸优化；
[0011]基于Ansys Workbench
‑
Direct Optimization中AMO(Adaptive Multiple
‑
Objective)自适应多目标迭代遗传算法，以中心减薄的十字形双轴试件为初始构型对试验件几何尺寸进行优化设计；
[0012]同时以试验区最大等效应力σ
eq,max
与十字臂圆弧处最大等效应力σ
eq
‑
A,max
的比值，及试验区中心等效应力σ
eq
‑
C,max
与中心减薄倒角处最大等效应力σ
eq
‑
R,max
的比值为约束条件，进行迭代计算从而确定其具体几何尺寸参数；经验证，试验件试验区应力水平明显高于非试验区，即疲劳裂纹更易萌生于试验区。该试验件能够为考核机匣薄壁壳体环形焊缝多轴疲劳性能提供支撑。
[0013]具体来说：
[0014]首先根据试验件初始构型建立其几何模型并进行模拟计算，所采用材料参数与实际机匣保持一致；载荷设置等轴加载，端面边界条件设置沿加载方向位移自由，其他方向位移为0；试验件初始构型中，常数量包括夹持端厚度、夹持端宽度、试验区厚度、轮廓尺寸，其它参数作为需要优化的设计变量；
[0015]将设计变量作为初始输入参数，包括试验区直径D2、过渡圆弧直径D3、过渡圆心位置(x,y)以及试验区倒角R，将试验区中心处等效应力σ
eq
‑
o
、试验区最大等效应力σ
eq
‑
C,max
、试验区倒角处最大等效应力σ
eq
‑
R,max
、夹持臂过渡圆弧最大等效应力σ
eq
‑
A,max
作为目标因变量，具体位置如图3所示；然后设置优化参数，即在Direct Optimization(Direct Optimization为Ansys Workbench工具箱中设计探索模块的直接优化方法)中设置两个预期结果：(1)(σ
eq
‑
C,max
‑
σ
eq
‑
A,max
)/σ
eq
‑
A,max
&gt;8％；(2)K
t
(σ
eq
‑
R,max
/σ
eq
‑
o
)&lt;1.06。其中K
t
表示试验区的应力集中系数；根据预期结果分别设置所选择设计变量的变化范围、优化目标和约束条件，具体数值如表1、表2所示；
[0016]表1设计变量优化范围
[0017]设计变量变化范围试验区直径28≤D2≤40过渡圆弧直径22≤D3≤50过渡圆心位置(28，28)≤(x，y)≤(35，35)试验区倒角5≤R≤10
[0018]表2目标因变量优化目标及约束
[0019] 优化目标选项数值/MPa约束条件选项数值/MPaσ
eq
‑
o
Maximize800————σ
eq
‑
A，max
Minimize0Value≤Upper Bound610σ
eq
‑
R，max
Maximize800Value≥Lower Bound662σ
eq
‑
C，max
Maximize800————
[0020]最终通过自适应多目标(Adaptive multiple objectives)算法优化得到Pareto解集，对比候选样本应力结果，并提取最优解作为后续分析用焊接接头双轴拉伸疲劳试验件。
[0021]步骤2、设计双轴比；
[0022]需要保证试验件试验区的应力状态能够模拟实际机匣危险部位的应力状态。首先针对某型燃烧室机匣在内压力及轴向力载荷本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种焊接接头双轴拉伸疲劳试验件设计方法，其特征在于，按以下步骤进行设计：步骤1、几何尺寸优化；基于Ansys Workbench
‑
Direct Optimization中AMO自适应多目标迭代遗传算法，以中心减薄的十字形双轴试件为初始构型对试验件几何尺寸进行优化设计；同时以试验区最大等效应力σ
eq,max
与十字臂圆弧处最大等效应力σ
eq
‑
A,max
的比值，及试验区中心等效应力σ
eq
‑
C,max
与中心减薄倒角处最大等效应力σ
eq
‑
R,max
的比值为约束条件，进行迭代计算从而确定其具体几何尺寸参数；经验证，试验件试验区应力水平明显高于非试验区，即疲劳裂纹更易萌生于试验区。该试验件能够为考核机匣薄壁壳体环形焊缝多轴疲劳性能提供支撑。步骤2、设计双轴比；基于步骤1所确定的试验件几何尺寸，在x轴载荷F
x
固定的情况下，分别讨论双轴比γ，即y轴载荷F
y
/x轴载荷F
x
由0.1变化至1时试验件试验区应力状态的变化；采用插值法使试验件试验区应力状态与实际机匣焊缝危险部位应力状态分布一致，最终确定相应双轴比γ；步骤3、设计焊缝与水平方向角度α；基于步骤1所确定的试验件几何尺寸，在步骤2所确定的双轴比加载情况下，分别讨论焊缝角度α由0
°
变化至90
°
时所设计焊缝路径的剪应力和正应力变化规律，使得试验件试验区焊缝路径剪应力和正应力分布与实际机匣焊缝危险部位剪应力和正应力分布一致，从而确定最终的焊缝角度α；步骤4、加工焊接接头双轴拉伸疲劳试验件；按照步骤1所确定的试验件几何尺寸、步骤2所确定的确定相应双轴比、步骤3所确定的焊缝与水平方向角度，对试验件进行加工。2.根据权利要求1所述的一种焊接接头双轴拉伸疲劳试验件设计方法，其特征在于，步骤1具体为：首先根据试验件初始构型建立其几何模型并进行模拟计算，所采用材料参数与实际机匣保持一致；载荷设置等轴加载，端面边界条件设置沿加载方向位移自由，其他方向位移为0；试验件初始构型中，常数量包括夹持端厚度、夹持端宽度、试验区厚度、轮廓尺寸，其它参数作为需要优化的设计变量；将设计变量作为初始输入参数，包括试验区直径D2、过渡圆弧直径D3、过渡圆心位置(x,y)以及试验区倒角R，将试验区中心处等效应力σ
eq
‑
o
、试验区最大等效应力σ
eq
‑
...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘小刚，宣宏林，彭伟平，于盛吉，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：