一种焊接结构谐波响应结构应力疲劳寿命预测方法技术

一种焊接结构谐波响应结构应力疲劳寿命预测方法，包括如下步骤：步骤1：建含焊缝的焊接结构有限元模型；步骤2：使用单位外载荷对焊接结构有限元模型进行谐波扫频得到节点响应位移；步骤3：根据外载荷系数获取外载荷下的单元刚度矩阵与节点位移，具体如下：步骤4：计算结构的简谐响应结构应力与等效结构应力

【技术实现步骤摘要】
一种焊接结构谐波响应结构应力疲劳寿命预测方法


[0001]本专利技术涉及机械和工程
，尤其涉及焊接结构寿命评估

。

技术介绍

[0002]简谐振动在旋转设备
、
传动机构
、
台架实验设备和受涡流影响的构件等机械或工程结构中十分常见，如发动机
、
泵
、
涡轮叶片和桥梁等，这些振动对焊接结构的疲劳寿命影响巨大
。
结构的长期振动会造成结构部件发生疲劳损坏，使结构的安全可靠性大大下降，影响结构的使用寿命，严重时可能危及人们的生命和财产安全
。
[0003]近十年来，国内外学者焊接结构疲劳寿命评估进行了大量研究
。
如文献
(1)
：兆文忠
,
李向伟
,
董平沙
.
焊接结构抗疲劳设计论与方法
[M].
北京
:
机械工业出版社
,2017。
文献
(2)
：
BS7608
‑
1993,Code of practice for fatigue design and assessment of steel structures[S].England:British Standard Institute,1993。
结构应力法是评估焊接结构的有效方法，因为其对有限元网格不敏感和只有一条
S
‑
N
曲线，可以适用任意类型的焊接接头，成为了美国
ASME
标准中疲劳评估标准，得到了大量的工程应用
。
但是，目前该方法大部分只局限于采用准静态方法计算
。
而在焊接结构振动状态下，传统动态结构应力疲劳分析方法主要有瞬态时域法
、
模态法和频域法三种计算方法
。
瞬态时域法通常能得到比较准确的累积损伤分析精度，但涉及很长的计算时间和较大的计算成本
。
模态法由于考虑模态，所以有有效质量系数和计算结果精度不足的局限性
。
频域疲劳预测方法能大幅减少瞬态仿真分析的计算时间，并提供更完备的响应信息
。
然而，现有结构应力频域方法由于采用
PSD
随机振动作为输入和响应，采用
Dirlik
方法进行统计，适用于稳态随机振动
。
由于
Dirlik
在窄带统计学上的局限性，难以进行简谐振动的疲劳评估
。
[0004]因此，由于传统结构应力法难以评估简谐振动疲劳，迫切需要研究新的简谐振动疲劳寿命预测方法，评估受到简谐波激振的焊接结构疲劳寿命
。
这对简谐振动焊接结构抗疲劳设计
、
疲劳实验评估，以及疲劳试验方案制定有着重要的理论和实际工程意义
。

技术实现思路

[0005]为了解决传统焊接结构疲劳寿命评估方法存在的上述问题，本专利技术提供了一种焊接结构谐波响应结构应力疲劳寿命预测方法
。
[0006]本专利技术为实现上述目的所采用的技术方案是：一种焊接结构谐波响应结构应力疲劳寿命预测方法，包括如下步骤：
[0007]步骤1：建含焊缝的焊接结构有限元模型，具体如下：
[0008]1‑1：采用有限元法对焊接结构几何模型结构划分网格，网格采用
2D
或
3D
单元；
[0009]1‑2：构建计算焊缝，按传统结构应力方法定义焊趾或焊根形式的单元和焊趾节点；
[0010]步骤2：使用单位外载荷对焊接结构有限元模型进行谐波扫频得到节点响应位移，具体如下：
[0011]结构振动谐响应分析通过结构在简谐激励作用下振动分析，求解结构的振动响应，对于多自由度系统，其带有谐波激励的动力学方程可写为：
[0012][0013]式中
:[M]是质量矩阵，
[C]是阻尼矩阵，
[K]是刚度矩阵，是加速度向量，是速度向量，
{x}
是速度向量，
{P(
ω
)}e
i
ω
t
是外加载荷，如加速度
、
力和速度等，
{P(
ω
)}
是外载何复数矢量，
e
i
ω
t
是时域项，
ω
为外加载荷角频率，
[0014]由此，令振动响应位移为
{u(
ω
)}
，则有：
[0015]{x}
＝
{u(
ω
)}e
i
ω
t
ꢀꢀꢀ
(20)
[0016]式中
u(
ω
)
为位移向量，由
(2)
式子得：
[0017][0018][0019]将
(2)、(3)
和
(4)
代入
(1)
式，得：
[0020]([K]‑
ω2[M]+i
ω
[C]){u(
ω
)}
＝
{P(
ω
)}
ꢀꢀꢀ
(23)
[0021]由此，
(5)
式为频率为
ω
的谐波激励方程，
{u(
ω
)}
为结构的单位外载何位移响应向量，根据式
(5)
，以单位简谐载荷加载，采用完全法或模态法进行扫频计算，通过有限元软件计算得到各频率下各节点的谐波响应位移
{u(
ω
)}
；
[0022]步骤3：根据外载荷系数获取外载荷下的单元刚度矩阵与节点位移，具体如下：
[0023]实际载荷的单元节点力为：
[0024]{F
e
(
ω
)}
＝
[K
e
][
λ
]{u(
ω
)}
＝
[K
e
]{u
e
(
ω
)}
ꢀꢀꢀ
(24)
[0025]式中
[K
e
]为单元刚度矩阵，
{u
e
(
ω
)}
为对应单元的位移矩阵，
[
λ
]为外载荷系数矩阵，即实际载荷对单位载荷的倍数矩阵，
{F
e
(
ω
)}
为节点力矩阵，根据外载荷系数获取外载荷下的单元刚度矩阵与节点位移，将它们进行乘积得到焊趾或焊根截面上节点的节点力，进而得到力矩，对相邻单元节点力和节点力矩进行合并，得到该节点的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种焊接结构谐波响应结构应力疲劳寿命预测方法，其特征在于：包括如下步骤：步骤1：建含焊缝的焊接结构有限元模型，具体如下：1‑1：采用有限元法对焊接结构几何模型结构划分网格，网格采用
2D
或
3D
单元；1‑2：构建计算焊缝，按传统结构应力方法定义焊趾或焊根形式的单元和焊趾节点；步骤2：使用单位外载荷对焊接结构有限元模型进行谐波扫频得到节点响应位移，具体如下：结构振动谐响应分析通过结构在简谐激励作用下振动分析，求解结构的振动响应，对于多自由度系统，其带有谐波激励的动力学方程可写为：式中
:[M]
是质量矩阵，
[C]
是阻尼矩阵，
[K]
是刚度矩阵，是加速度向量，是速度向量，
{x}
是速度向量，
{P(
ω
)}e
i
ω
t
是外加载荷，
{P(
ω
)}
是外载何复数矢量，
e
i
ω
t
是时域项，
ω
为外加载荷角频率，由此，令振动响应位移为
{u(
ω
)}
，则有：
{x}
＝
{u(
ω
)}e
i
ω
t
ꢀꢀꢀꢀ
(2)
式中
u(
ω
)
为位移向量，由
(2)
式子得：式子得：将
(2)、(3)
和
(4)
代入
(1)
式，得：
([K]
‑
ω2[M]+i
ω
[C]){u(
ω
)}
＝
{P(
ω
)}
ꢀꢀꢀꢀ
(5)
由此，
(5)
式为频率为
ω
的谐波激励方程，
{u(
ω
)}
为结构的单位外载何位移响应向量，根据式
(5)
，以单位简谐载荷加载，采用完全法或模态法进行扫频计算，通过有限元软件计算得到各频率下各节点的谐波响应位移
{u(
ω
)}
；步骤3：根据外载荷系数获取外载荷下的单元刚度矩阵与节点位移，具体如下：实际载荷的单元节点力为：
{F
e
(
ω
)}
＝
[K
e
][
λ
]{u(
ω
)}
＝
[K
e
]{u
e
(
ω
)}
ꢀꢀꢀꢀ
(6)
式中
[K
e
]
为单元刚度矩阵，
{u
e
(
ω
)}
为对应单元的位移矩阵，
[
λ
]
为外载荷系数矩阵，即实际载荷对单位载荷的倍数矩阵，
{F
e
(
ω
)}
为节点力矩阵，根据外载荷系数获取外载荷下的单元刚度矩阵与节点位移，将它们进行乘积得到焊趾或焊根截面上节点的节点力，进而得到力矩，对相邻单元节点力和节点力矩进行合并，得到该节点的局部坐标系下节点的节点力
{F
i
(
ω
)}
和节点力矩响应
{M
i
(
ω
)}
；步骤4：计算结构的简谐响应结构应力与等效结构应力，利用
Miner
线性损伤累计理论和主
S
‑
N
曲线获得结构焊缝的疲劳寿命，具体如下：4‑1：计算结构的结构应力与等效结构应力，通过节点力坐标变换和膜应力及弯曲应力的计算来计算结构应力，如公式
(7)、(8)
所示
。
上式中
σ
s
(
ω
)、
σ
m
(
ω
)、
σ
b
(
ω
)、F
iy
(
ω
)
分别是板厚中面上垂直焊趾线方向的结构应力
、
膜应力
、
弯曲应力
、
节点力的谐波响应向量，
M
ix
(
ω
)
是焊缝板厚中面上沿着焊趾线方向的弯矩谐波响应向量，
τ
s
(
ω
)、

【专利技术属性】
技术研发人员：周韶泽，陈秉智，兆文忠，
申请(专利权)人：大连交通大学，
类型：发明
国别省市：