[发明专利]考虑焊接残余应力的车辆结构随机振动疲劳寿命计算方法

说明书

本发明公开了一种考虑焊接残余应力的车辆结构随机振动疲劳寿命计算方法，属于焊接结构疲劳寿命计算领域。目的是为了考虑焊接残余应力对疲劳损伤的影响而精确计算焊接结构随机振动疲劳寿命的问题。其原理是基于逆傅里叶变换法建立时域路面不平顺计算方法，确定随机路面不平顺激励功率谱密度；进而结合热弹塑性理论和椭球体热源模型，进行焊接结构残余应力数值模拟，通过对机械结构施加激励功率谱密度，开展随机振动分析并计算结构应力功率谱；根据结构应力功率谱计算应力幅值概率密度函数，依据焊缝S‑N曲线求解随机载荷作用下车辆结构疲劳寿命。本发明的优点是能够耦合车辆结构初始焊接残余应力和工作应力，提高焊缝随机振动载荷下寿命计算精度。

技术领域

本发明涉及一种考虑焊接残余应力的车辆结构随机振动疲劳寿命计算方法，属于焊接结构疲劳寿命计算领域。

背景技术

焊接是车辆结构常用的连接方式之一，然而，焊接工艺本身会在成形过程中由于存在温度梯度而再结晶速率不一致，使得焊缝冷却成形时产生残余应力，而大大削弱焊缝的疲劳性能。

目前，已有相关学者开展焊接结构随机振动疲劳寿命预测研究。工业和信息化部电子第五研究所的周斌发明的PCB焊点随机振动疲劳寿命预测方法与系统(公开号：105022860A)，基于正弦振动试验和谐响应仿真分析确定PCB焊点应力寿命曲线，采用雨流计算得到危险部位循环数、应力均值、应力幅值，最后基于Miner准则预测PCB焊点随机振动疲劳寿命。然而，随机振动试验需要大量的时间和资源，且对于设计阶段的焊接产品显然无法实现。大连交通大学的兆文忠发明的复杂焊接结构随机振动疲劳寿命预测方法(公开号：104200122A)，建立焊接系统的有限元模型；确定系统的边界条件和动力学方程，将的边界条件引入的动力学方程；在载荷输入点施加不同的外部激励载荷，进行扫频计算，获得该外部激励载荷下的节点力 /位移传递函数，通过节点力计算膜应力和弯曲应力，得到通过计算焊缝处等效结构应力的传递函数；对每个载荷输入进行傅氏变换，获得每个外部激励载荷的功率谱和载荷之间的互功率谱；根据每个外部激励载荷的功率谱、互功率谱和等效结构应力传递函数得出等效结构应力功率谱；使用Dirlik法获得等效结构应力概率密度函数，统计单位应力变化范围及发生的频次；利用焊缝结构的主S-N曲线，预测焊缝振动的疲劳寿命。但是，该方法没有考虑焊接残余应力对疲劳损伤的影响。江苏科技大学的李良碧发明的含残余应力支架随机振动疲劳寿命的预测方法(公开号：107292035A)，通过有限元分析确定支架结构危险区域及其应力功率谱密度函数，将焊接残余应力作为一种平均应力引入到材料疲劳特性中，进而获得不同残余应力下的支架结构疲劳寿命。然而，该方法仅将残余应力作为一恒定值，认为焊缝位置残余应力一致，而焊接残余应力并非在几何结构空间均匀分布，沿厚度方向和纵向方向以及横向方向均不一样，故如何精确计算焊接残余应力分布情况以及表征焊接残余应力对疲劳损伤的贡献仍然有待研究。综上所述，目前焊接结构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

为解决现有车辆焊接结构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，本发明提供一种考虑焊接残余应力的车辆结构随机振动疲劳寿命计算方法，本发明方法包括以下步骤：

(1)将路面不平顺空间频率功率谱转化为路面不平顺时间频率功率谱；基于逆傅里叶变换法将路面不平顺时间频率功率谱转换为随机路面不平顺时域激励；根据结构传递函数编程求解车辆结构时域激励，再通过傅里叶变换获取车辆结构激励功率谱密度；

(2)结合热弹塑性理论和椭球体热源模型以及材料热物理参数，建立车辆结构有限元分析模型，模拟焊接过程，通过热力学有限元分析得到车辆结构焊接残余应力；

(3)定义车辆结构边界条件，施加车辆结构激励功率谱密度，开展车辆结构随机振动有限元分析，获取车辆结构应力功率谱；

(4)根据车辆结构应力功率谱求解应力幅值概率密度函数P(S)，依据焊缝S-N曲线计算车辆结构疲劳寿命N_f。