[发明专利]利用结构应力法实现十字接头焊趾与焊缝的等承载方法

摘要

利用结构应力法实现十字接头焊趾与焊缝的等承载方法，它涉及疲劳载荷下的接头设计领域，具体是涉及承载十字接头焊脚尺寸的设计。本发明的目的在于针对现有的承载十字接头设计未考虑焊接缺陷的影响，以及所得到接头重量过大、热输入过多的问题。利用结构应力法实现十字接头焊趾与焊缝的等承载方法：建立或修改十字接头模型，提取焊趾和焊根指定截面的横向节点力和纵向节点力，计算焊趾和焊根等效结构应力并进行对比，计算接头计算寿命值，并与设计寿命进行对比，至接头计算寿命值与设计寿命*安全系数比值满足[1，1.1]，即完成十字接头焊趾与焊缝的等承载设计。本发明主要用于实现十字接头焊趾与焊缝的等承载。

主权项

1.利用结构应力法实现十字接头焊趾与焊缝的等承载方法，其特征在于利用结构应力法实现十字接头焊趾与焊缝的等承载方法是按以下步骤完成的：一、建立或修改十字接头模型：应力比R＝0条件下，建立十字接头二维模型，非承载板厚度T和承载板厚度t按照实际工程需求确定，S₁为沿承载板的焊脚尺寸，S₂为沿非承载板的焊脚尺寸，且S₁的初始值与t相等，S₂的初始值与t相等，p为熔深；应力比R为其中σ_min为最小外载荷，σ_max为最大外载荷；二、①、提取焊趾位置指定截面的横向节点力fxi与焊趾位置指定截面的纵向节点力fyi，所述焊趾位置指定截面为焊趾位置沿承载板板厚方向截面；②、提取焊根位置指定截面的横向节点力Fxi与焊根位置指定截面的纵向节点力Fyi，所述焊根位置指定截面为焊根位置与承载板成90°方向的截面；三、①、根据公式(1)计算焊趾截面膜应力σm，公式(1)中σ_m为焊趾截面膜应力，l为焊趾裂纹扩展路径长度，且②、根据公式(2)计算焊趾截面弯曲应力σb，公式(2)中σb为焊趾截面弯曲应力，yi为焊趾位置截面中节点i与节点1之间的距离，节点1是焊趾位置应力集中点；③、根据公式(3)计算焊趾截面剪切力τT，公式(3)中τT为焊趾截面剪切力；四、根据公式(4)计算焊趾部位的等效结构应力ΔSSA，公式(4)中ΔS_s^A为焊趾部位的等效结构应力，m为材料常数，铝合金十字接头的m＝3.6，钢材十字接头的m＝3.13，为载荷弯曲比的无量纲函数；铝合金十字接头依据公式(5)计算钢材十字接头依据公式(6)计算公式(5)和公式(6)中r为焊趾弯曲比，依据公式(7)计算r,当试件存在轴偏差与角变形时，利用公式(8)进行修正，得到修正后的焊趾位置的等效结构应力ΔσfA；公式(8)中ΔσfA为修正后的焊趾位置的等效结构应力，P为外加载荷；依据公式(9)计算K_e，公式(9)中L为试验长度，即试件总长度减去装夹长度，Lc为附加弯矩作用长度，Lc＝L/2‑T/2，e为十字接头的轴偏差值，依据公式(10)计算K_α，公式(10)中α为十字接头角变形弧度值；五、①、根据公式(11)计算焊根位置沿假设开裂角θ截面的膜应力σm(θ)，公式(11)中σm(θ)为焊根位置沿假设开裂角θ截面的膜应力，θ为焊根位置的假设开裂角，表示假设开裂面与承载板所形成的的夹角，l(θ)为裂纹沿开裂角θ焊根裂纹扩展路径长度；利用公式(12)计算l(θ)，②、根据公式(13)计算焊根位置沿假设开裂角θ截面的弯曲应力σb(θ)，公式(13)中σb(θ)为焊根位置沿假设开裂角θ截面的弯曲应力，Yi为焊根位置截面中节点i与节点1之间的距离，节点1是焊根位置应力集中点；③、根据公式(14)计算焊根位置沿假设开裂角θ截面的剪切力τT(θ)，公式(14)中τT(θ)为焊根位置沿假设开裂角θ截面的剪切力；六、根据公式(15)计算焊根位置沿假设开裂角θ截面的等效结构应力ΔSS(θ)B，公式(15)中ΔS_S(θ)^B为焊根位置沿假设开裂角θ截面的等效结构应力，为载荷弯曲比的无量纲函数；铝合金十字接头依据公式(16)计算钢材十字接头依据公式(17)计算公式(16)和公式(17)中r(θ)为焊根弯曲比；依据公式(18)计算r(θ),七、采用求导法利用公式(15)对θ进行求导，求出θ在之间的ΔS_s(θ)^B的最大值，记为ΔS_s^B，ΔS_s^B即为焊根部位的等效结构应力，ΔS_s^B对应的角度θ即为发生焊根失效时的开裂角预测值；八、将焊趾部位的等效结构应力ΔS_S^A与焊根位置等效结构应力ΔS_s^B进行对比，当试件存在轴偏差与角变形时，则利用修正后的焊趾位置的等效结构应力Δσ_f^A代替焊趾部位的等效结构应力ΔS_S^A与焊根位置等效结构应力ΔS_s^B进行对比，并进行的检验，若则增加沿非承载板的焊脚尺寸S₂，记为S₂’，然后利用S₂’代替S₂重新建模；九、重复步骤二至八，直至十、对利用步骤九得到的计算结果进行的检验，若不满足则减小沿非承载板的焊脚尺寸S₂，记为S₂”，然后利用S₂”代替S₂重建模；十一、重复步骤二至十，直至十二、对利用步骤十一得到的计算结果进行接头计算寿命值N计算，并将接头计算寿命值N与设计寿命N(design)进行对比；铝合金十字接头的接头计算寿命值N依据公式(19)计算，钢材十字接头的接头计算寿命值N依据公式(20)计算；公式(19)及公式(20)中N为接头计算寿命值，ΔSSA为焊趾位置等效结构应力，当试件存在轴偏差与角变形时，利用修正后的焊趾位置的等效结构应力ΔσfA代替焊趾部位的等效结构应力ΔSSA；十三、若不满足式中f为安全系数，在保持S₁/S₂比值不变的基础上同时增大沿承载板的焊脚尺寸S₁和沿非承载板的焊脚尺寸S₂，记为S₁^*和S₂^*，利用S₁^*代替S₁，利用S₂^*代替S₂重建模；十四、重复步骤二至十三，直至十五、若不满足时，在保持S₁/S₂比值不变的基础上同时减小沿承载板的焊脚尺寸S₁和沿非承载板的焊脚尺寸S₂，记为S₁^**和S₂^**，利用S₁^**代替S₁，利用S₂^**代替S₂重建模；十六、重复步骤二至十五，直至即N满足完成十字接头焊趾与焊缝的等承载设计。