[发明专利]一种对接焊接接头疲劳等承载设计方法

摘要

一种对接焊接接头疲劳等承载设计方法，涉及焊接技术领域。本发明的目的是通过设计对接焊接接头余高的几何形状以提升焊接接头的疲劳承载能力。将焊接接头抽象成非均质材料，相应的将母材、焊材抽象成均质材料，根据均质材料的疲劳失效过程得到基于名义应力SN曲线的均质材料的疲劳寿命估算方法，利用疲劳寿命估算方法估算疲劳裂纹在均质材料中扩展一定尺寸时经历的应力循环次数；将均质材料的疲劳寿命估算方法推广到非均质材料，得到非均质材料的疲劳寿命估算方法。采用低合金高强钢Q550和焊丝ER70S‑6为实验材料，进行双Y形对接接头疲劳等承载设计及实验论证，本发明提出的焊接接头疲劳设计是可行的，焊接接头可以具有与母材相当的疲劳承载能力。

主权项

1.一种对接焊接接头疲劳等承载设计方法，所述方法将焊接接头抽象成非均质材料，相应的将母材、焊材抽象成均质材料，根据所述均质材料的疲劳失效过程得到基于名义应力SN曲线的均质材料的疲劳寿命估算方法，利用所述疲劳寿命估算方法估算疲劳裂纹在均质材料中扩展一定尺寸时经历的应力循环次数；将均质材料的疲劳寿命估算方法推广到非均质材料，得到非均质材料的疲劳寿命估算方法；再将非均质材料疲劳寿命估算方法应用于焊接接头，以相同疲劳载荷下母材的疲劳寿命作为焊接接头疲劳寿命的设计目标，形成焊接接头疲劳等承载设计方法；其特征在于，所述方法的实现过程如下：步骤一、均质材料疲劳寿命估算均质材料疲劳失效过程可描述为：疲劳裂纹在材料中扩展一定长度后，试件剩余承载截面上的应力值达到了均质材料的抗拉强度值σu，疲劳裂纹高速扩展导致材料发生瞬断，均质材料瞬断截面尺寸tre表示为：σ表示均质材料承载截面上的疲劳应力；t表示均质材料的厚度，t为常数；σu表示均质材料的抗拉强度；对于疲劳应力比R为‑1时，有：l表示均质材料的宽度；P表示疲劳载荷，单位为kN；σa表示疲劳应力幅，单位是MPa；均质材料的疲劳寿命N等于疲劳裂纹扩展至瞬断截面tre时均质材料经历的应力循环次数，疲劳裂纹到达瞬断截面时在均质材料中扩展的尺寸称为疲劳裂纹临界扩展尺寸，即ac；ac＝t‑tre    (3)疲劳寿命在104‑106应力循环次数内，均质材料承载截面上的名义应力和材料疲劳寿命间存在指数函数关系如下：(σ)m·N＝C   (4)公式(4)是名义应力SN曲线的拟合函数，式中m和C是与材料有关的参数；应用均质材料的名义应力SN曲线(名义应力‑寿命曲线)估算疲劳裂纹在均质材料中扩展某一尺寸时经历的应力循环次数，需要引入均质材料疲劳裂纹平均扩展速率即：均质材料疲劳裂纹扩展某一尺寸a时经历的应力循环次数Na可以根据下式进行估算：步骤二、非均质材料疲劳寿命估算定义非均质材料由力学性能不同的均质材料L和H构成，且L的抗拉强度和疲劳承载能力均低于H；非均质材料的疲劳失效过程描述为：疲劳裂纹在材料L中扩展长度为aL，在材料H中扩展长度为aH，随着疲劳裂纹继续扩展，材料剩余承载截面上的应力不断增加，当试件剩余承载截面上的应力达到某个值时，疲劳裂纹高速扩展导致非均质材料瞬断；将非均质材料的疲劳寿命近似于疲劳裂纹扩展至瞬断截面前经历的应力循环次数，非均质材料的疲劳寿命是疲劳裂纹扩展路径上L消耗的应力循环次数和H消耗的应力循环次数的和，非均质材料的疲劳寿命表示为：式(7)中表示均质材料L承载截面尺寸为t(x)，截面上应力为σ时的疲劳裂纹临界扩展尺寸；表示均质材料H承载截面尺寸为t(x)，截面上应力为σ时的疲劳裂纹临界扩展尺寸；各个函数中的x表示沿着平行于疲劳载荷加载方向的不同承载截面的位置；NL(x)表示与非均质材料承受的疲劳载荷相同时均质材料L的疲劳寿命，NH(x)表示与非均质材料承受的疲劳载荷相同时均质材料H的疲劳寿命，且和可以根据式(8)确定，即：由L和H构成的非均质材料，其承载截面厚度表示为：t(x)＝L(x)+H(x)  (9)L(x)表示非均质材料承载截面上均质材料L的尺寸沿x方向的分布函数，H(x)表示非均质材料承载截面上均质材料H的尺寸沿x方向的分布函数；t(x)为变量；式(7)中，aL(x)表示非均质材料疲劳裂纹扩展到瞬断截面前穿过均质材料L的尺寸，aH(x)表示非均质材料疲劳裂纹扩展到瞬断截面前穿过均质材料H的尺寸，aL(x)和aH(x)加和构成非均质材料疲劳裂纹临界扩展尺寸ac(x)，即：aL(x)+aH(x)＝ac(x)＝t(x)‑tre(x)  (10)非均质材料的瞬断截面尺寸tre(x)是与裂纹位置x相关的连续分段函数，令非均质材料瞬断截面上均质材料L的尺寸为SL(a,x)，则：式(7)中，NL(x)表示均质L受疲劳应力为σ时的疲劳寿命，NH(x)表示均质H受疲劳应力为σ时的疲劳寿命；根据均质材料名义应力‑寿命关系，NL(x)和NH(x)是与疲劳外载荷P及非均质材料承载截面尺寸t(x)有关的函数，即：将a_L(x),a_H(x),N_L(x),N_H(x)的表达式代入式(7)，得到式(13)；当疲劳外载荷P和非均质材料各组成材料性能及比例已知时，非均质材料疲劳寿命可以根据式(13)进行估算：步骤三、焊接接头疲劳等承载设计利用步骤二获得的非均质材料疲劳寿命估算公式(13)进行焊接接头疲劳等承载设计，在相同的疲劳外载荷下，要使焊接接头具有与母材相当的疲劳承载能力，需要接头任意承载截面的疲劳寿命N均与母材疲劳寿命NB相当，可以表示为：N＝NB将式(13)代入式N＝NB即可实现焊接接头疲劳等承载设计，即：利用式(14)求解出的L(x)作为焊接接头低强焊材的厚度沿平行加载方向的函数，从而得到满足疲劳等承载条件下的对接焊接接头余高曲线。