[发明专利]一种搅拌摩擦焊构件变幅疲劳寿命预测方法

说明书

一种搅拌摩擦焊构件变幅疲劳寿命预测方法，属于机械构件疲劳诊断分析技术领域。模拟变幅载荷下按加载顺序的薄弱区域预制微裂纹，通过变幅载荷确定薄弱区域变化，模拟构件变幅下裂纹扩展规律；进行不同载荷疲劳小裂纹扩展中断疲劳实验，计算小裂纹扩展速率，得到变幅下裂纹扩展规律；计算对应的修正因子M_K、f，在Elber裂纹闭合方法中有效应力强度因子基础上，加入修正因子M_K、f，得出在不同应力比下不同区域的ΔK_eff‑da/dN裂纹扩展速率基线，拟合出材料常数C、m；确定初始裂纹尺寸a₀和临界裂纹尺寸a_c；确定当前载荷水平下薄弱区域，据此选择修正因子M_K、f及初始裂纹尺寸a₀取值。通过循环计算，得到不同加载水平下疲劳寿命。

技术领域

本发明涉及一种疲劳寿命预测方法，特别涉及一种基于载荷次序和接头各区性能的搅拌摩擦焊构件变幅疲劳寿命预测方法，属于机械构件诊断分析技术领域。

背景技术

在工程应用中，工程机械、轻工、船舶、铁道等领域的主要零构件，大多承受周期性的交变载荷。据文献统计，疲劳载荷引起焊接构件的失效，可以达到失效构件的80％～90％。因此，对于搅拌摩擦焊构件开展金属结构件在变幅条件下高周疲劳失效位置和寿命预测的研究是非常有必要的。

对搅拌摩擦焊构件进行变幅条件下的寿命预测时，不光需要考虑载荷序列的影响，还需要考虑接头不同区域微观组织变化及疲劳性能等因素的影响。铝合金搅拌摩擦焊焊接区域分为焊核(NZ)、热机(TMAZ)、热影响(HAZ)、母材(BM)四个区域，各区域的静力学性能及微观组织的不同导致萌生于接头不同区域的裂纹扩展规律的不同。1970年，Elber首先提出裂纹闭合概念，从描述裂纹张开应力S_op角度出发提出以有效应力强度因子范围为基础的疲劳裂纹扩展预测模型。众多闭合模型相继出现，比较著名的有AFFDL闭合模型，Dugdale模型以及Newman模型。但这些模型都有同一个前提条件：所研究的构件必须是同一种材料。然而对于搅拌摩擦焊构件来说，接头区域等同于不同材料，载荷水平的变化使得搅拌摩擦焊构件断裂于接头不同位置，经同课题组恒幅加载下搅拌摩擦焊构件断裂位置的研究，发现随着载荷水平由小到大的变化，构件失效位置由母材区向焊核区靠拢，因此，上述基于裂纹闭合的模型并不适用于预测搅拌摩擦焊构件疲劳寿命。除了材质本身特性对于疲劳寿命的影响，载荷序列相互效应同样对疲劳寿命产生极深的影响。Wheeler模型认为一个较大的过载循环会导致产生一个超载塑性区域，之后循环内产生的循环塑性区域范围没有可以超过超载塑性区域的范围，就会导致裂纹扩展产生迟滞的现象。本发明首先利用扩展有限元方法确定变幅条件下构件的失效位置，然后考虑构件不同区域的微观性能及载荷次序效应，对Elber裂纹闭合方法中有效应力强度因子进行修正，结合Paris公式能够准确地预测搅拌摩擦焊构件的疲劳寿命，对焊接构件的安全服役具有理论意义和工程应用价值。

发明内容

本发明的目的在于提出一种基于载荷次序和接头各区性能的搅拌摩擦焊构件变幅疲劳寿命预测方法，首先利用扩展有限元方法确定变幅条件下构件的失效位置，然后通过研究“接头各区性能”及“载荷序列”对焊接构件宏观性能的影响，对Elber裂纹闭合方法中有效应力强度因子进行修正，使得不同应力比下接头各区的裂纹扩展速率能够很好地聚合在一起，进而通过Paris公式计算裂纹扩展增量并得出构件的疲劳寿命。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是一种基于“载荷次序”及“接头各区性能”的搅拌摩擦焊接构件疲劳寿命预测方法，该方法的具体步骤如下：

步骤1)：利用有限元软件(例：ABAQUS)对搅拌摩擦焊构件进行不同载荷水平加载下薄弱区域变化的模拟，根据搅拌摩擦焊构件不同区域具有不同材料属性的特性对模型进行分区建模，主要分为焊核(NZ)、热机(TMAZ)、热影响(HAZ)、母材(BM)四个区域，各区材料属性通过微拉伸试验数据得到，包括接头各区应力应变数据及弹性模量，施加不同载荷，并将不同加载水平下的应力最大区域作为此加载水平下的薄弱区域；