張自斌,王偉民,趙玉軍,舒海燕

(甘肅省機(jī)械科學(xué)研究院, 甘肅 蘭州 730030)

1 引 言

焊接連接是現(xiàn)代鋼結(jié)構(gòu)中最主要的連接方式，具有優(yōu)化構(gòu)件截面、節(jié)省材料、易于加工連接、性能好、便于采用自動(dòng)化生成等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于汽車、航空航天、鐵路機(jī)車車輛、建筑等工業(yè)領(lǐng)域，焊接技術(shù)作為制造業(yè)的基礎(chǔ)工藝和技術(shù)在20世紀(jì)為工業(yè)領(lǐng)域的發(fā)展做出了重要貢獻(xiàn)。但由于焊接連接的本身缺點(diǎn)，焊縫區(qū)金屬與母材的力學(xué)性能不匹配，在焊接接頭容易產(chǎn)生裂紋與缺陷，導(dǎo)致存在應(yīng)力集中和殘余應(yīng)力等，使焊接結(jié)構(gòu)的抗疲勞性能降低，因而導(dǎo)致了焊縫成為最薄弱環(huán)節(jié)，焊縫的壽命也往往低于母材的壽命，焊縫位置也就成為了容易發(fā)生疲勞破壞的位置，預(yù)測(cè)焊縫的疲勞壽命可以有效減少由于焊接疲勞而引起的不必要的損失，為工業(yè)生產(chǎn)提供安全保障[1]。筆者引用美國(guó)2007年ASME標(biāo)準(zhǔn)中的焊接疲勞壽命計(jì)算原理[2-3]，利用高級(jí)編程語言VB[4]和有限元軟件ABAQUS[5]聯(lián)合開發(fā)了能夠用于焊接結(jié)構(gòu)中焊接接頭疲勞壽命的計(jì)算程序，對(duì)工程設(shè)計(jì)人員提供了便利，為參數(shù)化建模的軟件開發(fā)者提供了思路。

2 ASME焊接疲勞壽命計(jì)算原理

2.1 主S-N曲線法

ASME標(biāo)準(zhǔn)中的主S-N曲線法是董平沙博士基于力學(xué)基本原理及大量焊接疲勞試驗(yàn)而發(fā)明的計(jì)算焊縫疲勞壽命的最新方法。該方法采用來了“網(wǎng)格不敏感的結(jié)構(gòu)應(yīng)力計(jì)算方法及主S-N曲線法”，可以相對(duì)準(zhǔn)確的計(jì)算出空間任意走向的焊縫疲勞壽命，解決了名義應(yīng)力法計(jì)算疲勞壽命的困難。2007年，美國(guó)ASME將其列為焊接結(jié)構(gòu)焊縫疲勞壽命計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)，2009年，歐洲也將其列為計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)。

2.2 等效結(jié)構(gòu)應(yīng)力

等效結(jié)構(gòu)應(yīng)力[6-7]是以結(jié)構(gòu)應(yīng)力為控制參數(shù)計(jì)算應(yīng)力強(qiáng)度因子，以斷裂力學(xué)為基礎(chǔ)，并結(jié)合疲勞壽命直接相關(guān)的參數(shù)，在這個(gè)機(jī)遇斷裂力學(xué)的表達(dá)式的結(jié)構(gòu)應(yīng)力中，不僅考慮焊趾缺口、焊接接頭板厚度的影響，并以這些影響因素為參數(shù)導(dǎo)出等效結(jié)構(gòu)應(yīng)力轉(zhuǎn)化方程：

(1)

以等效結(jié)構(gòu)應(yīng)力變化ΔSk為參數(shù)的主S-N曲線的焊縫疲勞壽命計(jì)算公式為：

(2)

式中:m=3.6；Δσk應(yīng)力變化范圍；ΔSk等效結(jié)構(gòu)應(yīng)力變化；t為板厚；I為描述載荷模式效應(yīng)的函數(shù)；C和h為主S-N曲線(見圖1)試驗(yàn)常數(shù)；N為疲勞壽命的循環(huán)次數(shù)。

主S-N曲線方程中用變化范圍度量的等效結(jié)構(gòu)應(yīng)力并不是針對(duì)具體的焊接接頭形式而提出的，它反映應(yīng)力集中的結(jié)構(gòu)應(yīng)力、焊接接頭的板厚、外載荷引起的薄膜應(yīng)力與彎曲應(yīng)力比進(jìn)行了綜合，因而對(duì)任何走向的焊縫都有效，是個(gè)具有普遍意義的數(shù)學(xué)模型。

圖1 主S-N曲線試驗(yàn)數(shù)據(jù)

2.3 Miner′s損傷累計(jì)理論

Miner′s 線性累計(jì)損傷理論在多數(shù)情況下，其壽命計(jì)算與試驗(yàn)結(jié)果有相當(dāng)程度的吻合，是目前應(yīng)用最為普遍的疲勞壽命預(yù)測(cè)方法。Miner′s疲勞損傷累計(jì)認(rèn)為：根據(jù)S-N曲線的定義，在恒定應(yīng)力幅S作用下，零件運(yùn)轉(zhuǎn)循環(huán)次數(shù)N時(shí)，將產(chǎn)生完全損傷或失效，那么零件在S作用下運(yùn)轉(zhuǎn)比N小的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)n時(shí)，將產(chǎn)生部分損傷，同時(shí)又認(rèn)為，在這一過程中，每一次循環(huán)載荷作用下的損傷相同，則在n次循環(huán)載荷作用下的損傷率為n/N。如果一個(gè)零件在不同應(yīng)力水平的工作狀態(tài)下，則產(chǎn)生的損傷為各個(gè)應(yīng)力狀態(tài)下的損傷之和 ，當(dāng)結(jié)構(gòu)的損傷和達(dá)到1時(shí)，就可以認(rèn)為結(jié)構(gòu)失效。

基于Miner′s累積損傷理論的結(jié)構(gòu)損傷為：

(3)

式中:ni為每級(jí)加載次數(shù)；Ni為每級(jí)載荷下的疲勞壽命；該極限壽命用主S-N曲線方法提供的公式獲得。

3 VB開發(fā)的焊接疲勞壽命計(jì)算軟件

根據(jù)上述焊接結(jié)構(gòu)中焊接接頭疲勞壽命計(jì)算原理，按照?qǐng)D2所示系統(tǒng)開發(fā)結(jié)構(gòu)圖，用VB建立參數(shù)化設(shè)計(jì)界面。如圖3、4所示，為角接焊接結(jié)構(gòu)焊縫疲勞壽命分析界面及其結(jié)果界面。在圖3分析界面中，通過界面?zhèn)鬟f參數(shù)化數(shù)據(jù)，利用有限元軟件ABAUQS后臺(tái)調(diào)用這些數(shù)據(jù)分析了角接焊縫的受力情況、提取載荷譜并進(jìn)行雨流統(tǒng)計(jì)，用主S-N曲線和Miner′s損傷理論計(jì)算了焊縫疲勞壽命，對(duì)于內(nèi)部開發(fā)程序這里不再詳細(xì)描述。圖4為角接焊縫疲勞壽命計(jì)算結(jié)果，圖中包含了載荷應(yīng)力譜曲線、雨流統(tǒng)計(jì)圖及疲勞壽命等信息。

圖2 疲勞壽命計(jì)算系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖3 焊接疲勞壽命分析界面

圖4 焊接疲勞壽命結(jié)果界面

4 結(jié) 論

(1) 等效結(jié)構(gòu)應(yīng)力法中的結(jié)構(gòu)應(yīng)力計(jì)算可實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)格不敏感，比基于其它算法的結(jié)構(gòu)應(yīng)力計(jì)算具有明顯優(yōu)勢(shì)。

(2) 等效結(jié)構(gòu)應(yīng)力法中的結(jié)構(gòu)應(yīng)力可用有限元方法計(jì)算得到，并采用單一的主S-N曲線方法計(jì)算

疲勞壽命，避免了復(fù)雜焊接結(jié)構(gòu)及其疲勞設(shè)計(jì)S-N曲線的確定難度。

(3) 疲勞壽命分析系統(tǒng)可以有效預(yù)測(cè)焊接結(jié)構(gòu)焊縫疲勞壽命，減少經(jīng)濟(jì)損失，為工業(yè)生產(chǎn)提供了安全保障。

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