[发明专利]基于ANSYS平台的焊缝疲劳寿命评估方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种疲劳寿命评估技术，特别是一种基于ANSYS平台的焊缝疲劳寿命评估方法。

背景技术

从结构制造特点的角度看，焊接结构具有连接性好、重量轻、易于加工、便于采用自动化生产等优点，在复杂装备领域得到了广泛应用，特别是焊接工艺技术的不断推陈出新，更是显著地提升了焊接结构在这些产品中的应用地位。但在承受动态载荷过程中，焊接结构由于几何不连续性而导致焊缝部位应力集中，也因此使它成为了产品结构可靠性的薄弱环节，在复杂服役环境中，焊接结构的焊缝开裂成为结构失效的主要形式之一。

面对焊接结构疲劳失效的问题，多少年来，包括轨道车辆在内的各个制造行业从上到下一直在努力治理，并且取得了一定进展，一定程度上提高了焊接结构的服役安全，但目前还依然存在一些认识及应用上的的误区及难点。例如将焊接结构疲劳问题等同于金属疲劳问题、将焊接结构的疲劳失效归结为焊接质量的问题、夸大焊接残余应力影响的问题等。

针对相关问题，美国ASME BP&C Section VIII Div 2Code标准中新增加了网格不敏感的结构应力计算流程、主S-N曲线法疲劳寿命评估流程，对焊接结构焊缝的疲劳失效进行了专门讨论。主S-N曲线法是美国华裔科学家董平沙教授在焊接结构疲劳研究领域的最新研究成果，理论上能够很好的解释传统方法不能解释问题，是目前焊接结构抗疲劳性能评估的最先进的理论工具。这种新方法经过大连交通大学兆文忠教授引进国内，经过几年的实践检验，证明上述理论对解决我国铁路机车车辆焊接结构的疲劳问题极其合适，在整个焊接结构安全评估领域存在极其广泛的应用前景。

但新理论的应用也存在问题，就是当前解决焊缝疲劳问题没有合适工具使用，国外有的软件中或多或少集成了相关功能，但要么功能受限，要么有美国军方背景，并不能大规模使用，而国内具有自主知识产权的、针对复杂焊接工程结构的疲劳寿命预测软件还是一片空白。

焊接结构疲劳设计或评定过程中，计算或测量应力时，应注意应力类型，不同的应力类型对应有不同的疲劳强度，或对应有不同的S-N曲线表达方式。目前出现的应力分类主要有：名义应力(标称应力)、广义名义应力、热点应力(几何应力)、缺口应力、结构应力等，这些应力求解受外界影响因素比较多，比如网格密度、应力种类等。

美国董平沙教授首先提出了网格不敏感的结构应力法，结构应力的计算起始于单元节点力，由节点力进而计算得到结构应力，节点力与结构应力之间的关系可以表示如下：

由式(1)计算焊缝膜应力σ_m：

同理计算得到焊缝弯曲应力σ_b，进而得到结构应力：

σ_s＝σ_m+σ_b (4)

式(1)中，n是焊缝单元个数，l_i是焊缝单元长度，i＝1、2、…、n，f_yi是第i个焊缝单元上局部坐标系下y方向的线力，m_x是焊缝单元上局部坐标系下x方向的弯矩，F_yi是单元的节点力，由式(1)计算出焊缝单元节点上的线力f_yi，由(2)式、(3)式分别计算出焊缝截面上的膜应力σ_m和弯曲应力σ_b，由(4)式计算结构应力σ_s。结构应力σ_s等于膜应力σ_m与弯曲应力σ_b二者之和，是由外力引起的焊缝、焊趾或焊根处的应力，具有明确的物理意义，可以通过一组应变片外推插值间接获得，亦可以用适当的有限元方法获得，它反映了焊址或焊根处的应力集中。

依据试验数据和断裂力学方法，可以继续推导与焊缝疲劳寿命相关的一些参数，包括厚度、载荷形式、应力集中等，将这些参数凝聚在一起，就得到了一个与疲劳寿命直接相关的应力参数，等效结构应力ΔS_s：

上式中，Δσ_s是结构应力变化范围，t是失效厚度，I为载荷模式函数，这里m为疲劳曲线参数，依照断裂力学裂纹扩展规律，基于等效结构应力来描述应力与疲劳寿命的关系，得到疲劳寿命计算公式：

式(6)即基于等效结构应力的主S-N曲线，其中C、h为试验参数，利用(6)式即可得到相关疲劳寿命，并且具有网格不敏感性、疲劳计算的数值稳定性。