一种基于临界距离理论的焊接结构钢疲劳寿命预测方法与流程

本发明涉及焊接结构钢疲劳寿命预测，具体涉及一种基于临界距离理论的焊接结构钢疲劳寿命预测方法及系统。

背景技术：

1、在重型机械制造及大型承载装备中，焊接结构件作为关键传力构件被广泛应用。然而，对接接头、十字接头等复杂部位因固有工艺特点，不可避免地存在几何突变与局部缺陷。这些区域在长期交变载荷作用下会产生剧烈的应力集中效应，极易萌生疲劳裂纹并最终导致结构早期失效，严重威胁装备的运行安全。因此，对复杂焊接结构进行精准的疲劳寿命评估，是当前工程设计与安全维护领域亟待解决的核心痛点。

2、目前，工程界常用的疲劳寿命评估手段面临着精度与成本难以兼顾的困境。传统的评估方法在处理复杂焊接接头时，难以准确反映焊趾处剧烈的局部应力梯度变化，导致预测结果往往偏离实际；而现有的高精度预测模型，通常极度依赖对特定结构进行大量且复杂的全尺寸疲劳标定试验。这不仅耗费高昂的测试成本，且测试周期漫长，难以满足现代工业快速迭代与低成本设计的实际需求。

3、为解决上述实际问题，本发明提出一种基于临界距离理论的焊接结构钢疲劳寿命预测方法。

技术实现思路

1、针对现有技术中的问题，本发明提供一种基于临界距离理论的焊接结构钢疲劳寿命预测方法，以常规的硬度测试与拉伸试验为基础，结合少量特定应力比下的基础疲劳数据获取材料本构特征；并创新性地引入临界距离理论，将有限元提取的局部“点应力”转化为更能反映疲劳损伤本质的“区域有效应力”。本发明大幅降低了对昂贵疲劳测试的依赖，突破了传统方法的局限，实现了对复杂焊接结构疲劳寿命的低成本、高精度预测。

2、本发明第一个方面提供一种基于临界距离理论的焊接结构钢疲劳寿命预测方法，采用如下技术方案，包括：

3、对目标焊接结构钢试样进行单轴拉伸力学试验，以获取目标焊接结构钢试样的极限拉伸强度；

4、根据极限拉伸强度设定初始循环最大应力，在预设的应力比及应力控制模式下，对目标焊接结构钢试样进行多梯度疲劳试验，并根据初始循环最大应力和疲劳失效循环周次获取目标焊接结构钢试样的基准s-n曲线方程；

5、建立目标焊接结构钢试样的三维有限元仿真模型，提取三维有限元仿真模型在疲劳载荷作用下的局部应力并确定最大应力集中点；

6、基于局部应力，以最大应力集中点为球心并利用临界距离理论的体法计算疲劳损伤的有效作用区域内的有效等效应力；

7、将有效等效应力和基准s-n曲线方程获取该目标焊接结构钢试样在交变载荷下的预测疲劳寿命。

8、本发明进一步的技术方案为，单轴拉伸力学试验采用位移控制方式加载，获取目标焊接结构钢试样在单轴拉伸力学试验应力与应变，基于应力和应变确定极限拉伸强度。

9、本发明进一步的技术方案为，预设的应力比设为0.1，加载波形为正弦波，加载方式采用单轴脉动循环应力加载模式。

10、本发明进一步的技术方案为，初始循环最大应力为：

11、

12、式中，表示初始循环最大应力；表示加载系数；表示极限拉伸强度。

13、本发明进一步的技术方案为，目标焊接结构钢试样的基准s-n曲线方程的表达式为：

14、

15、式中，表示多梯度疲劳试验下目标焊接结构钢试样的疲劳失效循环周次；表示初始循环最大应力；表示反映目标焊接结构钢试样材料综合疲劳抗力的截距常数；表示反映材料对载荷敏感程度的直线斜率常数。

16、本发明进一步的技术方案为，三维有限元仿真模型对应的母材区采用常规网格，在应力集中与焊缝潜在的危险区域进行网格细化。

17、本发明进一步的技术方案为，以最大应力集中点作为危险点，提取危险点预设区域内的有限元单元的节点坐标、单元体积以及第一主应力，并将第一主应力作为局部应力。

18、本发明进一步的技术方案为，基于局部应力，以最大应力集中点为球心并利用临界距离理论的体法计算疲劳损伤的有效作用区域内的有效等效应力的步骤为：

19、以确定的最大应力集中点为球心，以目标焊接结构钢试样材料的临界距离为半径，构建半球体积区域将半球体积区域作为疲劳损伤的有效作用区域；

20、基于有效作用区域各有限元单元的体积和局部应力获取有效作用区域内的有效等效应力。

21、本发明进一步的技术方案为，目标焊接结构钢试样在交变载荷下的预测疲劳寿命为：

22、

23、式中，表示疲劳寿命预测值；表示有效等效应力；表示反映目标焊接结构钢试样材料综合疲劳抗力的截距常数；表示反映材料对载荷敏感程度的直线斜率常数。

24、本发明第二个方面提供一种基于临界距离理论的焊接结构钢疲劳寿命预测系统，包括：

25、基础试验单元，用于对目标焊接结构钢进行单轴拉伸力学试验以获取极限拉伸强度；

26、疲劳测试单元，用于根据极限拉伸强度设定初始循环最大应力，在预设的应力比及应力控制模式下，对目标焊接结构钢试样进行多梯度疲劳试验，并根据初始循环最大应力和疲劳失效循环周次获取目标焊接结构钢试样的基准s-n曲线方程；

27、局部应力获取单元，用于建立目标焊接结构钢试样的三维有限元仿真模型，提取三维有限元仿真模型在疲劳载荷作用下的局部应力并确定最大应力集中点；

28、有效等效应力确定单元，用于基于局部应力，以最大应力集中点为球心并利用临界距离理论的体法计算疲劳损伤的有效作用区域内的有效等效应力；

29、以及预测单元，用于将有效等效应力和基准s-n曲线方程获取该目标焊接结构钢试样在交变载荷下的预测疲劳寿命。

30、本发明的有益效果是：

31、本发明首先引入临界距离理论将传统的“点应力”转化为“区域有效应力”，有效处理了焊接结构中对接接头和十字接头这些复杂区域剧烈的应力梯度问题，避免了单一高应力点导致的寿命低估。其次，仅需常规的拉伸试验的单轴疲劳数据（如应力比0.1下的数据），结合有限元仿真即可完成评估，彻底摆脱了对昂贵且耗时的全尺寸复杂构件疲劳标定试验的依赖。且本发明方法不局限于单一材料，可广泛适用于不同强度等级的焊接结构钢体系，为重型机械、建筑结构等领域的抗疲劳设计提供通用解决方案。最后，将理论损伤机制与工程实际的几何突变痛点直接对接，为结构优化和早期风险预防提供了可靠的量化依据。

1.一种基于临界距离理论的焊接结构钢疲劳寿命预测方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的一种基于临界距离理论的焊接结构钢疲劳寿命预测方法，其特征在于，单轴拉伸力学试验采用位移控制方式加载，获取目标焊接结构钢试样在单轴拉伸力学试验应力与应变，基于应力和应变确定极限拉伸强度。

3.根据权利要求1所述的一种基于临界距离理论的焊接结构钢疲劳寿命预测方法，其特征在于，预设的应力比设为0.1，加载波形为正弦波，加载方式采用单轴脉动循环应力加载模式。

4.根据权利要求1所述的一种基于临界距离理论的焊接结构钢疲劳寿命预测方法，其特征在于，初始循环最大应力为：

5.根据权利要求1所述的一种基于临界距离理论的焊接结构钢疲劳寿命预测方法，其特征在于，目标焊接结构钢试样的基准s-n曲线方程的表达式为：

6.根据权利要求1所述的一种基于临界距离理论的焊接结构钢疲劳寿命预测方法，其特征在于，三维有限元仿真模型对应的母材区采用常规网格，在应力集中与焊缝潜在的危险区域进行网格细化。

7.根据权利要求1所述的一种基于临界距离理论的焊接结构钢疲劳寿命预测方法，其特征在于，以最大应力集中点作为危险点，提取危险点预设区域内的有限元单元的节点坐标、单元体积以及第一主应力，并将第一主应力作为局部应力。

8.根据权利要求1所述的一种基于临界距离理论的焊接结构钢疲劳寿命预测方法，其特征在于，基于局部应力，以最大应力集中点为球心并利用临界距离理论的体法计算疲劳损伤的有效作用区域内的有效等效应力的步骤为：

9.根据权利要求1所述的一种基于临界距离理论的焊接结构钢疲劳寿命预测方法，其特征在于，目标焊接结构钢试样在交变载荷下的预测疲劳寿命为：

10.根据权利要求1所述的一种基于临界距离理论的焊接结构钢疲劳寿命预测系统，其特征在于，包括：