一种基于应变能量密度计算预应变作用下焊缝疲劳寿命的方法

技术领域

本发明涉及一种基于应变能量密度计算预应变作用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

焊接是机械结构常用连接方式之一，由于焊接过程中易出现气孔、杂质和残余应力等缺陷，导致焊缝疲劳开裂成为机械焊接结构主要的失效方式之一；而当焊缝承受预应变后，焊缝内部微观结构会发生一部分位错或者滑移，从而降低焊接结构的疲劳寿命。因此，如何准确预测预应变作用下焊缝的疲劳寿命是充分保证焊接结构疲劳可靠性的关键所在。

目前，已有科研学者利用应变能量密度或者应变能预测焊缝或者机械结构疲劳寿命。河南科技大学公开了一种基于卸载弹性应变能密度的疲劳寿命预测方法(公开号：CN113449432.A)，其将金属材料每次疲劳实验的卸载弹性应变能密度进行求和，构建总卸载弹性应变能密度和循环次数的指数数学关系，进而预测金属材料疲劳寿命。然后，该方法只关注弹性阶段的损伤，忽略了塑性变形带来的损伤。湖南工业大学公开了一种基于总应变能量密度的焊缝疲劳寿命计算方法(公开号：CN106354898.A),该方法综合考虑了弹性应变能量密度和塑性应变能量密度对疲劳损伤的影响，但是没有考虑含有预应变作用下的焊缝疲劳寿命预测问题。此外，华东理工大学公开了一种总应变能密度修正的缺口件低周疲劳预测方法(公开号：CN109948216.A)，该方法对缺口处危险点的总应变能密度进行了线性修正，但是预应变作用会使得整个焊缝材料的疲劳性能提前发生改变，直接使用修正方法去计算预应变作用下的焊缝疲劳寿命也难以获得满意的预测精度和计算效率。因此，目前预应变作用下焊缝疲劳寿命预测方法在计算精度和计算效率方面依然存在诸多不足。

发明内容

为解决现有预应变作用下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应变能量密度计算预应变作用下焊缝疲劳寿命的方法，本发明方法包括以下步骤：

(1)开展焊缝材料单调拉伸实验，确定焊缝材料屈服强度对应的应变值ε

式(1)中，ΔW

式(2)中，ΔW

式(3)中，ΔW

(2)建立焊缝有限元模型，输入焊缝材料力学特性参数，施加预载荷产生预应变和预应力；

(3)将预应变和预应力作为焊缝有限元模型的初始应变场和初始应力场，输入焊缝材料疲劳特性参数，施加循环载荷产生循环应力和循环应变；

(4)根据循环应力和循环应变确定循环载荷作用下的焊缝危险点弹性应变能量密度和焊缝危险点塑性应变能量密度，基于焊缝疲劳寿命预测模型计算焊缝危险点疲劳寿命。

进一步地，所述的步骤(1)中，式(3)中所述的预应变作用下弹性疲劳系数α

所述的不含预应变的焊缝材料弹性应变能量密度ΔW

式(4)中，E为弹性模量，Δσ为应力范围，σ

进一步地，所述的步骤(1)中，所述的不含预应变的焊缝材料塑性应变能量密度ΔW

式(5)中，σ为应力，ε

进一步地，所述的步骤(2)中，所述的焊缝有限元模型是焊缝二维壳单元有限元模型或者焊缝三维实体单元有限元模型；所述的焊缝材料力学特性参数包括弹性模量，泊松比和密度；所述的预载荷是集中力或者压力场或者重力场或者温度场。

进一步地，所述的步骤(3)中，所述的焊缝材料疲劳特性参数包括弹性模量、泊松比、密度和Ramberg-Osgood方程中的焊缝材料的循环应力和焊缝材料的循环应变；所述的循环载荷的形式为拉伸-压缩-再拉伸。

进一步地，所述的Ramberg-Osgood方程如下式所示：

式(6)中，σ

进一步地，所述的焊缝材料硬化系数K和所述的焊缝材料硬化指数n均通过实验数据拟合得到。

进一步地，所述的步骤(3)中，所述的循环应力和所述的循环应变分别为工作应力和工作应变；所述的循环应力和所述的循环应变均通过有限元仿真分析得到。

进一步地，所述的步骤(4)中，所述的焊缝危险点弹性应变能量密度按照式(4)计算；所述的焊缝危险点塑性应变能量密度按照式(5)计算；所述的焊缝危险点弹性应变能量密度与所述的焊缝危险点塑性应变能量密度之和为焊缝危险点总应变能量密度；所述的焊缝危险点是指弹性应变能量密度最大的点或者塑性应变能量密度最大的点或者总应变能量密度最大的点。

本方法的有益效果是：应变能密度既能准确表征预应变作用下焊缝疲劳失效本质，且其为标量不需要确定矢量所涉及的位置与方向，极大地节省了计算时间和资源。

附图说明

图1为一种基于应变能量密度计算预应变作用下焊缝疲劳寿命的方法流程图；

图2为焊缝试件尺寸结构示意图；

图3为焊缝单调拉伸应力应变曲线图；

图4为0.2％应变幅值下半周应力应变响应曲线图；

图5为0.15％应变幅值下半周应力应变响应曲线图；

图6为0.1％应变幅值下半周应力应变响应曲线图；

图7为0.2％应变幅值下预应变和弹性应变能量密度曲线图；

图8为0.15％应变幅值下预应变和弹性应变能量密度曲线图；

图9为0.1％应变幅值下预应变和弹性应变能量密度曲线图；

图10为0.2％应变幅值下预应变和塑性应变能量密度曲线图；

图11为0.15％应变幅值下预应变和塑性应变能量密度曲线图；

图12为0.1％应变幅值下预应变和塑性应变能量密度曲线图；

图13为无预应变焊缝材料总应变能量密度和疲劳寿命曲线图；

图14为后桥壳外表面焊缝示意图；

图15为后桥壳内表面焊缝示意图；

图16为后桥壳满载静止状态下受力示意图；

图17为后桥壳预应力场示意图；

图18为后桥壳预应变场示意图；

图19为后桥壳焊缝材料周期应力应变曲线示意图；

图20为后桥壳循环载荷加载曲线示意图；

图21为后桥壳循环应力场示意图；

图22为后桥壳循环应变场示意图；

图23为后桥壳焊缝危险点的循环应力和循环应变响应曲线。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

下面给出了某一预应变作用下高强钢焊缝疲劳寿命计算的实例，但本发明的保护范围不限于下述的实施范例。

步骤一：开展焊缝材料Q345单调拉伸实验，试件尺寸如图2所示，单调拉伸曲线如图3所示。根据实验数据确定焊缝材料屈服强度对应的应变值ε

表1不同预应变水平下疲劳寿命试验结果

计算焊缝材料弹性应变能量密度，首先，所述的不含预应变的焊缝材料弹性应变能量密度ΔW

式(1)中，E为弹性模量，Δσ为应力范围，σ

然后，建立预应变和焊缝材料弹性应变能量密度的数学关系：

式(2)中，ΔW

同样地，所述的不含预应变的焊缝材料塑性应变能量密度ΔW

式(3)中，σ为应力，ε

然后，建立预应变和焊缝材料塑性应变能量密度的数学关系：

式(4)中，ΔW

表2焊缝预应变疲劳特性参数

另外，焊缝材料总应变能量密度为焊缝材料弹性应变能量密度与焊缝材料塑性应变能量密度之和，则有焊缝疲劳寿命预测模型如下式所示：

式(5)中，ΔW

根据上述实验数据，无预应变作用下，焊缝总应变能量密度和疲劳寿命变化曲线如图13所示。根据上述实验数据和数学拟合关系，则有式(6)中的各参数如表3所示。

表3焊缝材料疲劳参数

至此，式(5)中的各参数均已得到确定。

步骤二：建立某型电动轮自卸车后桥壳焊缝有限元模型,采用壳单元模拟焊缝，如图14和图15所示，输入焊缝材料力学特性参数，包括弹性模量E＝210Gpa，泊松比μ＝0.28，材料密度为ρ＝7.85×10

步骤三：将预应变和预应力作为焊缝有限元模型的初始应变场和初始应力场，输入焊缝材料疲劳特性参数，包括弹性模量、泊松比、密度和Ramberg-Osgood方程中的焊缝材料的循环应力和焊缝材料的循环应变；所述的Ramberg-Osgood方程如下式所示：

式(7)中，σ

表4焊缝材料周期疲劳参数

然后施加循环载荷，所述的循环载荷的形式为拉伸-压缩-再拉伸，如图20所示；然后提交有限元分析软件进行计算，计算得到的后桥壳循环应力场如图21所示，循环应变场如图22所示；所述的循环应力和所述的循环应变分别为工作应力和工作应变。

步骤四：根据循环应力和循环应变确定循环载荷作用下的焊缝危险点弹性应变能量密度和焊缝危险点塑性应变能量密度，所述的焊缝危险点的循环应力和循环应变响应曲线如图23所示，所述的焊缝危险点弹性应变能量密度按照式(2)计算；所述的焊缝危险点塑性应变能量密度按照式(4)计算；所述的焊缝危险点弹性应变能量密度与所述的焊缝危险点塑性应变能量密度之和为焊缝危险点总应变能量密度；基于焊缝疲劳寿命预测模型式(5)计算后桥壳焊缝危险点疲劳寿命，计算结果见表5所示。

表5后桥壳危险点疲劳寿命计算结果