[发明专利]一种基于耗散能预测任意应力比下焊缝疲劳寿命的方法

说明书

本发明公开了一种基于耗散能预测任意应力比下焊缝疲劳寿命的方法，属于焊缝疲劳寿命计算领域。目的是为了解决在有限试验数据下进行任意应力比焊缝疲劳寿命表征和预测的问题。其原理是通过开展应力比为‑1的焊缝红外热像疲劳试验，获取焊缝耗散能疲劳寿命模型，继而测试任意应力比下焊缝稳定阶段温升，利用Goodman方法修正应力幅值，再根据焊缝耗散能疲劳寿命模型进行寿命预测。该方法能够通过应力比为‑1的焊缝耗散能疲劳寿命模型预测任意应力比下焊缝疲劳寿命。本发明的优点是耗散能既能反映焊缝因晶界位错与滑移而产生热力学行为的疲劳失效本质，其作为标量又能有效避免矢量所涉及的位置与方向问题，且所需试验数据少，时间和资源成本大大降低。

技术领域

本发明涉及一种基于耗散能预测任意应力比下焊缝疲劳寿命的方法，属于焊缝疲劳寿命计算领域。

背景技术

焊接是目前机械领域一种较为常见的连接方式，然而，焊接加工过程中由于存在温度梯度而使得微观结构不均匀，造成焊缝区域疲劳性能明显低于母材。工程实际焊接结构中，70％以上的焊缝失效属于疲劳失效，若能掌握焊缝服役寿命，可对焊接结构在疲劳失效出现之前进行提前预防，减少财产损失和资源浪费。因此，准确计算焊缝疲劳寿命成为保证焊接结构疲劳可靠性的重要环节。

唐山轨道客车有限责任公司的王贵国(公开号：103838975A)发明的车体焊缝疲劳寿命计算方法及装置，通过焊缝有限元分析计算节点应力，基于主S-N曲线法预测车体焊缝疲劳寿命。大连交通大学的王剑(公开号：107451368A)发明的基于ANSYS平台的焊缝疲劳寿命评估方法，结合ANSYS平台和主S-N曲线法，调用TCL/Tk数据库管理系统，评估焊缝疲劳寿命。尽管上述主S-N曲线法采用网格不敏感的结构应力计算方法，可以相对准确地计算出空间任意走向的焊缝疲劳寿命，但是该方法计算的结构应力主要是线弹性阶段的力学行为，未能有效考虑塑性阶段的力学行为。湖南工业大学米承继(公开号：106354898A)发明的一种基于总应变能量密度的焊缝疲劳寿命计算方法，通过有限元求解焊缝弹塑性力学行为，综合考虑焊缝弹塑性应力应变对疲劳损伤的贡献，并将总应变能量密度作为损伤参量，计算焊缝疲劳寿命。湖南大学宋凯(公开号：105740551B)发明的一种焊缝疲劳寿命预测方法，通过有限元软件分析获得焊缝单元节点的节点力和力矩，然后根据做功相等原理由焊缝单元节点力和力矩计算得到相应的线性力、力矩，并通过转换计算得到焊缝厚度方向上的法向结构应力、剪切结构应力，根据裂纹在厚度方向上的实际扩展角度对其进行修正，通过经过修正的法向结构应力、剪切结构应力计算得到相应的等效的应力强度因子，从而得到在实际裂纹扩展路径上的平均等效的应力强度因子，并将其作为焊缝疲劳寿命的评价参量，预测焊缝疲劳寿命。上述方法充分考虑了焊缝弹塑性力学行为对疲劳损伤的影响，但是应力应变等力学响应的精确求解取决于材料本构模型以及网格质量，且如何快速确定引起疲劳损伤的主应力或主应变或主应变能密度是另一难题。因此，目前焊缝疲劳寿命预测方法在计算精度和效率方面依然存在诸多不足。

发明内容

为解决现有焊缝疲劳寿命计算方法所存在的预测精度和计算效率偏低等问题，克服背景技术所述缺陷，本发明提供一种基于耗散能预测任意应力比下焊缝疲劳寿命的方法，本发明方法包括以下步骤：

(1)通过开展应力比R_-1为-1条件下的焊缝红外热像疲劳试验，获取焊缝疲劳损伤演化过程中所产生的温度场，绘制温升θ与焊缝疲劳寿命N_f响应曲线，计算焊缝疲劳特性参数，建立焊缝耗散能疲劳寿命模型；

(2)通过开展任意应力比R下的焊缝红外热像疲劳试验，得到各任意应力比R下所对应焊缝稳定阶段的温升θ_AS；

(3)确定任意应力比R、任意应力比R下的应力幅值σ_a和任意应力比R下的平均应力σ_m，根据Goodman方法将任意应力比R下的应力幅值σ_a修正为应力比R_-1为-1条件下的应力幅值