[发明专利]一种带斜焊缝的双轴拉伸疲劳试验件优化设计方法

说明书

本发明涉及焊缝拉伸疲劳试验技术领域，公开了一种带斜焊缝的双轴拉伸疲劳试验件优化设计方法，以臂上带开缝的十字形双轴拉伸试验件为基础，中心试验区为一条与各十字臂轴线均成45度角的斜焊缝，针对试验件十字臂开缝的3个主要尺寸参数进行优化，通过有限元的方法对不同类型的试验件进行有限元模拟，针对中心试验区的斜焊缝上的应力水平及应力分布进行评估，得到评估指标C，运用评估指标C确定试验件优化设计方案，使得试验件能够有效反应出焊缝处的疲劳性能，该指标能够综合考虑焊缝处应力场大小及分布，从而对试验件主要尺寸参数的优化效果进行评价，本发明为带斜焊缝的双轴拉伸疲劳试验件设计提供了简便、有效的方法。

技术领域

本发明涉及焊缝拉伸疲劳试验技术领域，具体涉及一种带斜焊缝的双轴拉伸疲劳试验件优化设计方法。

背景技术

在现代航空、汽车和船舶工业中通常会运用环形焊接的方式将某一凸台构件固定在薄板上，而由于其焊接接头形状的特殊性，受到的载荷往往是拉剪复合载荷，因此环形焊缝处的疲劳破坏是复杂多变的。例如，航空发动机有许多类型的安装座，采用用电子束焊，氩弧焊等方式焊接在机匣外套上，其焊缝大多都是圆环状。在实际工作中，发动机机匣外壳会受到复杂载荷作用，使得机匣上安装座的环形焊缝承受多轴载荷状态，使得焊接接头处的疲劳破坏通常是受到拉剪复合载荷所导致的。因此，研究环形焊缝在拉剪复合载荷下的疲劳性能需要设计相应的疲劳试验件进行试验，优化改进试验件能够使得疲劳试验的数据更为准确，为增加试验成功率提供了有效的保障。

以往对多轴载荷作用下的疲劳性能的研究都是以单轴拉伸疲劳试验为主，但是传统单轴试验并不能较好地反应其应力应变的变化，且单轴试验的影响参数和变形路径也较为单一。采用多轴试验可以比较客观地反应研究目标在复杂应力下的应力应变状态，因此对于研究对象是环形焊缝来说，多轴疲劳试验使得研究其疲劳性能更具有针对性。早在二十世纪60年代就有学者(Shiratori和Ikegami，1967)就开始使用十字形双向拉伸试验件确定在双轴载荷作用下材料的初始和后继屈服面。此后，随着双轴拉伸试验机的发展，双轴拉伸试验开始逐渐应用广泛，十字形双向拉伸试验件的设计也产生了很多分支，诸如十字花型，中心减薄型以及臂上开缝型三类经典的试验件类型。第一类试验件中，较为典型的有Kreiβig和Müller学者所设计的试验件，他们均在相邻十字臂之间倒角上进行更改，使其变更为一个向内凹的缺口，以此达到减小倒角上的应力水平的效果。而对于第二类试验件，较为典型的有Ding试验件和Welsh试验件，都通过减薄中心试验区的厚度，来增大中心区域的应力水平，但是这类试验件往往达不到预期效果。现如今，第三类试验件被广泛应用在双轴拉伸试验件，Makinde试验件、Kuwabara试验件、Ferron试验件以及Wu试验件都是典型的臂上开缝十字双向拉伸试验件，通过在十字臂上开设若干细缝来增大中心区域的应力水平同时降低相邻十字臂之间倒角处的应力。由于十字形双向拉伸试验件需要对中心试验区的应力应变水平有着较高的要求，而影响中心试验区的尺寸参数较多，对于各类十字形拉伸试验件的优化设计研究一直以来是很多学者讨论的热点。

因此，带焊缝的十字形双轴拉伸疲劳试验件的优化设计可以为环形焊缝拉剪复合载荷下的疲劳寿命评估提供有效的试验手段，而如何设计出可有效反应应力应变的变化的试验件是本发明的重点。

发明内容

发明目的：针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种带斜焊缝的双轴拉伸疲劳试验件优化设计方法，以臂上带开缝的十字形双轴拉伸试验件为基础，中心试验区为一条与各十字臂轴线均成45°角的斜焊缝，针对试验件十字臂开缝的3个主要尺寸参数进行优化，使得试验件能够有效反应出焊缝处的疲劳性能，并提出了一个基于焊缝处应力场数值模拟的评估指标C，该指标能够综合考虑焊缝处应力场大小及分布，从而对试验件主要尺寸参数的优化效果进行评价。

技术方案：本发明提供了一种带斜焊缝的双轴拉伸疲劳试验件优化设计方法，包括如下步骤：

步骤1：以常见的十字形双轴拉伸疲劳试验件为基础，在臂上开缝；