[发明专利]含错位高强低匹配承载十字焊接接头疲劳定量分析方法

说明书

本发明公开了一种含错位承载型十字焊接接头疲劳性能定量分析方法，属焊接技术领域。基于局部评估方法的微结构支撑效应引入修正参数的基本思路建立疲劳解析模型，具体方法是：（1）确定十字焊接接头疲劳寿命和包括错位程度的承载接头局部几何形状参数；（2）通过有限元分析方法确定各参数模型下潜在失效区域的平均应变能密度；（3）基于理想疲劳解析模型引入平均应变能修正参数k_m量化分析不同程度错位的影响；步骤四：疲劳解析模型误差分析及矫正；（4）：基于疲劳解析模型的失效转变区域预测和疲劳寿命分析。该方法基于平均应变能理论，解析模型可靠度高，能分析不同承载状态下焊根和焊趾的疲劳失效区域和疲劳寿命变化。

技术领域

本发明涉及焊接接头疲劳寿命分析方法，具体是一种含错位高强低匹配承载十字焊接接头疲劳性能定量分析方法，属于焊接技术领域。主要适用于轴和角混合错位的承载十字焊接接头，即用于混合错位的焊接接头定量分析。

背景技术

承载十字焊接接头广泛应用于桥梁、船舶和海洋平台及工程机械等领域结构件中，特别在关键结构中起到决定性的连接和承载作用。在轻量化工程结构的制造中，对于精度要求较高的承载十字形焊接接头，由于焊接制造工艺、结构约束条件及复杂结构特征的多重作用，会出现位移错位或角错位等不同特征的焊接结构缺陷，对整体焊接结构的可靠性及安全服役造成巨大威胁。

目前，不同的疲劳设计标准中，已通过简单的疲劳强度修正公式纳入不同类型错位对疲劳强度的影响分析。对于典型焊接接头而言，不同标准根据不同的接头形式采用了相应的S-N曲线及疲劳强度等级。但对于错位的影响无法通过简化的修正公式或者疲劳等级曲线对疲劳强度准确的分析。尽管基于S-N曲线的疲劳评估方法不断改进，但某些标准的结果和评估程序的可靠性仍然保守并具有局限性，需结合具体接头形式及局部几何特征进行。

焊接接头的疲劳强度取决于失效区域的局部应力场，缺口应力强度因子(NSIF)作为有效的疲劳损伤参数，用于评估焊接接头的疲劳寿命。基于NSIF的Williams公式可以准确描述缺口区域的应力分布，但是，NSIF的计算需要缺口尖端精细的网格划分以及处理过程中大量的计算资源，并且由于缺口不同张开角度对应的NSIF单位不同使得接头的疲劳特征参数不能直接进行评估。平均应变能(SED)方法是基于NSIF在奇异性区域准确描述疲劳失效行为的有效替代方法。

综上所述，针对承载接头存在的不同错位类型会造成疲劳强度和疲劳寿命显著降低等问题，基于SED修正系数的方法分析错位对疲劳性能的影响，量化分析疲劳失效行为和疲劳寿命可以有效提高焊接结构使用的安全性。

发明内容

本发明的目的是提供一种含错位承载型十字焊接接头疲劳性能定量分析方法，以解决不同类型错位影响下，对于承载十字焊接接头的疲劳失效区域和疲劳寿命的定量分析。

本发明采用的技术方案是：一种含错位承载型十字焊接接头疲劳性能定量分析方法，基于焊接接头的疲劳强度取决于失效区域的局部应力场，受到载荷状态和局部几何参数变化的影响，平均应变能基于缺口应力强度因子能够准确描述局部应力状态且显著减少分析过程的计算，主要从SED方法的角度进行分析，通过建立相应的缺口特征解析模型，实现不同缺口张开角的疲劳指示参数的快速化确定及准确性对比分析，通过分析平均应变能在S-N曲线中的应用，最终获得承载十字接头的疲劳寿命分析；具体包括如下步骤：

步骤一：确定十字焊接接头疲劳寿命和包括错位程度的承载接头局部几何形状参数：分别获取承载接头高周疲劳寿命N和承载接头局部几何形状参数，承载接头局部几何形状参数包括焊接接头的几何参数主板厚度T、副板厚度t、接头焊接大小h、熔覆率p、轴错位大小e、角错位大小a，所述参数用于有限元解析模型的建立和解析模型的定量分析；

步骤二：通过有限元计算方法确定各参数模型下潜在失效区域的平均应变能密度基于十字焊接接头试样特征建立二维有限元解析模型，极坐标系下线弹性均质模型某点的应变能由下式确定：