一种焊接梁结构概率寿命预测方法技术

本发明专利技术公开一种适用于具有长焊缝的梁结构概率寿命预测方法，涉及梁结构概率寿命的数值计算方法，属于大型金属结构设计领域；本发明专利技术包括如下步骤：步骤1，建立梁系简化力学模型；步骤2，建立梁单元；步骤3，计算节点应力；步骤4，将控制函数带入求得梁系各截面概率寿命；本发明专利技术的目的是建立一种适用于具有长焊缝的梁结构概率寿命的计算方法，便于复杂梁结构的概率寿命计算，从而实现复杂梁结构基于剩余寿命的可靠性设计。命的可靠性设计。

【技术实现步骤摘要】
一种焊接梁结构概率寿命预测方法


[0001]本专利技术设计梁系结构的概率寿命预测计算公式及方法，尤其设计一种焊接梁结构概率寿命预测方法，属于大型金属结构设计领域。

技术介绍

[0002]随着国民经济的快速发展，基础建设加快，大型金属结构的设计也越来越普遍。大型金属结构的设计在满足力学性能的要求上，开始关注其寿命可靠性的设计。

技术实现思路

[0003]本专利技术的目的是建立一种适用于具有长焊缝的梁结构概率寿命的计算方法，便于复杂梁结构的概率寿命计算，从而实现复杂梁结构基于剩余寿命的可靠性设计。
[0004]本专利技术的目的是通过下述技术方案实现。
[0005]本专利技术公开的焊接梁结构概率寿命预测方法，包括如下步骤：
[0006]步骤1，建立梁系简化力学模型；
[0007]所述梁系模型其主要结构应满足梁柱模型特征。
[0008]步骤2，建立梁单元；在关键点处建立单元节点，其余位置按照所需单元尺寸建立节点。梁单元的大小应满足（1）。
[0009]步骤3，通过有限元方法计算得到节点应力。
[0010]步骤4，通过有限元方法进行热场与重力场耦合，计算得到热影响区的平均应力。
[0011]步骤5，构建控制函数。
[0012]在应力比为，应力水平为下，遵循威布尔分布的基于缺陷的疲劳失效累积分布函数表示为(2)——循环次数；——威布尔分布的形状参数；——威布尔分布的尺度参数。
[0013]由断裂力学得到。在半径为的缺陷尺寸下，裂纹扩展规律遵循Paris定律。
[0014](3)(4)，——巴黎常数——为一个循环内最大应力值；
——为一个循环内最小应力值；——为与几何形状相关的无量纲常数；——为应力等效强度。
[0015]将(4)带入(3)中，并对进行积分，求得。
[0016]得到初始焊缝残余应力后，焊缝的残余应力与循环次数之间的关系可以根据衰减经验公式得到。
[0017](5)(6)其中、、为常数参数，通过试验进行拟合获得；为材料屈服应力；是定义的衰减函数；
[0018]参考Miner线性累积损伤假设，结构寿命与载荷历程无关，因此焊缝残余应力与循环载荷耦合作用可以将Paris公式改写为一个与循环次数的函数；(7)——在残余应力下的应力比；——外载荷下的最小应力值；——外载荷下的最大应力值；——一个循环内的最小残余应力值；——一个循环内的最大残余应力值；
[0019]考虑残余应力的修正的应力等效强度为；（8）
[0020]于是焊接影响区的预测寿命为将(7)、(8)代替(4)带入(3)对进行积分计算求得。
[0021]根据欧拉
‑
伯努利梁理论假设，梁的中性面两侧应力分布满足线性化分布，即，为梁的应力，为弯矩，为抗弯截面。缺陷位置距中性面距离会影响寿命预测计算，用梁缺陷距离系数对缺陷距中性面距离进行引起失效的有限性进行修正。
[0022](9)——表面缺陷从初始裂纹长度增长到临界裂纹长度所需的寿命；——距离中性面距离为从初始裂纹长度增长到临界裂纹长度所需的寿命；
[0023]在有限元计算过程中，两节点a、b间的应力变化满足，其中是节点间应力插值函数，缺陷在同一单元不同截面间所受到的应力值不同，这引起预测寿命的变化。参考上述建立修正系数的过程，建立同一单元不同截面间的预测寿命比值为。
[0024](10)——单元内距离a点的距离；——当缺陷为a截面距离中性面最远的寿命预测值；——当缺陷为另一截面距离中性面最远的寿命预测值。
[0025]因为一个梁单元为单一材料，缺陷分布具有一致性，因此在计算一个单元的寿命预测值时，可以用、的均值、简化梁预测寿命的控制函数。
[0026]（11）(12)——具中性面时截面宽度；——单元长度；
[0027]假设整体截面A，长度为的梁单元内存在m个缺陷，假设焊接影响区内有i个缺陷，非焊接影响区有j个缺陷，其中；非焊接影响区的缺陷经过次循环后依旧生存的概率为(13)
[0028]因为焊接影响区相较于梁截面面积较小，可以不考虑距离中性面的距离引起的应力分布效应，因此焊接影响区的缺陷经过次循环后依旧生存的概率为(14)梁单元的寿命概率为(15)
[0029]步骤6，将有限元方法得到的节点应力值带入控制函数，可以计算得到结构中各部分的存活概率。当梁单元与单元之间处于逻辑串联时，在具有个梁单元的梁系，经过次循环后失效的概率可以表示为下式。
[0030](27)
[0031]假设在梁结构中，有个梁单元处于并联关系，则经过次循环后失效的概率可以表示为下式。
[0032](28)
[0033]有益效果
[0034]本专利技术公开的一种焊接梁结构概率寿命预测方法，通过定义梁单元的两种修正系
数，充分考虑了梁的几何因素对概率寿命计算造成的影响，能够较为准确且全面的求得梁系结构的概率寿命，满足实际工程需要。
[0035]本专利技术公开的一种焊接梁结构概率寿命预测方法，由于梁单元矩阵的简单，可以减少有限元的计算量同时加快结构寿命计算和设计，避免过去需要使用实体单元建模带来的巨大的计算量、普通计算机难以满足的缺点，简化了工程实际应用。
附图说明
[0036]附图用来提供对本专利技术的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本专利技术的实施例一起用于解释本专利技术，并不构成对本专利技术的限制。
[0037]图1是本专利技术以最常见的简支梁为例，绘制的力学简图，其中L为简支梁长度，M为简支梁质量，g为重力加速度，P为集中载荷。
[0038]图2是本专利技术中用以实验的简支梁具体尺寸示意图。
具体实施方式
[0039]为了更好的说明本专利技术的目的和优点，下面结合实例对
技术实现思路
做进一步说明。以最常见的简支梁为例，其力学简图如图1所示。其中为简支梁长度，为简支梁质量，为重力加速度，为集中载荷。
[0040]钢材为中国的结构钢Q235，值等于，值等于3.07，焊缝的Walker系数值等于0.44。焊接参数与上文所述相同。试件的尺寸如图2所示。
[0041]该试件产生长度超过20mm的的裂纹即判断为失效。
[0042] 以载荷为120Mpa、140Mpa、160Mpa、175Mpa、，进行概率寿命计算，以及实验。实验寿命均值，以及当50%的失效概率时，计算寿命的大小，结果如表1所示。
[0043]表1 模拟与实验寿命误差分析载荷等级50%失效实验均差误差120Mpa4113873.1853402143.7517.30%140Mpa2045866.8942281615.71411.52%16Mpa1024125.2211106092.48.00%175Mpa921785.1369681604.79%
[0044]本专利技术计算结果与实验结果较为接近，说明本计算结果具有工程应用价值。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种焊接梁结构概率寿命预测方法，其特征在于：包括如下步骤：步骤1，建立梁系简化力学模型；所述结构的几何特征为在三维空间中，当一个结构在一个方向的尺度明显大于其它两个方向的尺度，并且在这个方向上应力效果最重要时可称之为梁柱结构。梁系就是由满足上述几何特征的多根梁组成的结构。简化梁系结构时，将每根梁简化为由长度与截面形状定义的几何结构。将梁所受外部载荷简化为力与力矩作用在对应位置；步骤2，建立梁单元；在充分考虑缺陷的统计尺寸下，梁单元的大小应满足以下条件(1)——满足材料缺陷统计分布的最小统计尺寸；——梁截面面积；——梁单元的长度；首先在关键点处建立单元节点，其余位置按照所需单元尺寸建立节点；步骤3，通过有限元方法计算得到节点应力；步骤4，通过有限元方法进行热场与重力场耦合，计算得到热影响区的平均应力；步骤5，构建控制函数；在应力比为，应力水平为下，遵循威布尔分布的基于缺陷的疲劳失效累积分布函数表示为(2)——循环次数；——威布尔分布的形状参数；——威布尔分布的尺度参数；由断裂力学得到。在半径为的缺陷尺寸下，裂纹扩展规律遵循Paris定律；(3)(4)、——巴黎常数；——为一个循环内最大应力值；——为一个循环内最小应力值；——为与几何形状相关的无量纲常数；——为应力等效强度；将(4)带入(3)中，并对进行积分，求得；得到初始焊缝残余应力后，焊缝的残余应力与循环次数之间的关系可以根据衰减经验公式得到：
(5)(6)其中、、为常数参数，通过试验进行拟合获得；为材料屈服应力；是定义的衰减函数；参考Miner线性累积损伤假设，结构寿命与载荷历程无关，因此焊缝残余应力与循环载荷耦合作用可以将Paris公式改写为一个与循环次数的函数：(7)——在残余应力下的应力比；——外载荷下的最小应力值；——...

【专利技术属性】
技术研发人员：高有山，吕世宁，王爱红，姚峰林，张广辉，孙浩然，李佳君，孙杰，
申请(专利权)人：太原科技大学，
类型：发明
国别省市：