含错位高强低匹配承载十字焊接接头疲劳定量分析方法

技术特征：
1.一种含错位承载型十字焊接接头疲劳性能定量分析方法，其特征在于，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：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；所述参数包括承载接头高周疲劳寿命n，以及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、位移错位大小e、角错位大小a，步骤二：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基于十字焊接接头试样特征建立二维有限元疲劳特征值解析模型，极坐标系下线弹性均质模型某点的应变能由下式确定：式中，e表示弹性模量；v表示泊松比；σ
i
和τ
i
表示该点方向上正应力和切应力大小。在焊根和焊趾等潜在失效区域的缺口尖端位置建立半径为r的扇形区域或半径为r的三维扇形圆柱体，其平均应变能式(2)，特征参数e
i
的经验公式为式(3)和(4)；e1＝-5.373
·
10-6
(2α)2 6.151
·
10-4
(2α) 0.1330(3)e2＝4.809
·
10-6
(2α)
2-2.346
·
10-4
(2α) 0.3400(4)式中，是不同类型拉伸型和张开型缺口应力应力强度因子，e
i
是关于泊松比和张开角的相关参数，λ是缺口张开角特征参数，建立承载型十字焊接接头二维有限元模型，分别计算不同几何形状参数模型下焊根和焊趾处平均应变能步骤三：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：根据缺口力学方法，通过引用无量纲参数k
i
，缺口应力强度因子简化为下式：式中，δσ
n
为名义应力范围，结合式(2)和式(5)，平均应变能表示为：通过代换w
i
＝e
i
·
k
i
和引入修正参数w
i,k
·
w
k
，考虑不同类型错位的平均应变能由式(6)和(7)表示：w
i
＝{a
i
b
i
·
e
a
·
(h/t)
c
i
·
e
b
·
(h/t) c
·
(p/t)
}
·
w
i,k
·
w
m
(7)式中，w
i,k
和w
k
为考虑局部细节的修正系数，其中w
i,k
和错位程度相关，w
k
和其它局部几何参数相关；步骤四：疲劳特征参量解析模型误差分析及矫正：基于缺口应力强度因子分析结果，所述解析模型平均应变能的准确性为：
其中和分别为应力强度因子的解析解及有限元计算结果，相应的，基于有限元平均应变能分析结果，所述解析模型平均应变能的准确性：式中，和分别为平均应变能的解析解及有限元计算结果。；步骤五：基于解析模型的失效转变区域预测和疲劳寿命分析，通过解析模型的量化计算分析，考虑不同承载状态和局部几何特征确定焊根和焊趾处平均应变能数值，结合平均应变能结果变化规律判断十字接接头中潜在的疲劳失效位置，根据疲劳试验获取试样疲劳寿命n，建立平均应变能和材料疲劳寿命之间存在的曲线关系方程，同工况承载接头疲劳寿命可以通过下式进行估算：式中，m和a为材料疲劳性能相关参数，n和为疲劳寿命。2.根据权利要求1所述的含错位承载型十字焊接接头疲劳性能定量分析方法，其特征在于所述的承载十字接头主板坡口角度为60
°
，坡口间隙为2mm，载荷条件为单向拉伸且副板不受边界条件约束的高周疲劳的分析。3.根据权利要求1所述的含错位高强低匹配承载十字焊接接头疲劳定量分析方法，其特征在于步骤三中不含轴和角错位的理想模型其定量解析模型为：w
toe
＝0.4168-3.416
·
e-3.416
·
(h/t)
1.998
·
e-2.857
·
(h/t)-3.48
·
(p/t)
w
root
＝0.2392-6.575
·
e-2.183
·
(h/t)
1.793
·
e-2.113
·
(h/t)-2.307
·
(p/t)
式中，h/t和p/t分别为焊缝大小及熔透率与板厚比率，w
toe
和w
root
分别为焊根与焊趾处的应变能密度几何特征值。4.根据权利要求1所述的含错位高强低匹配承载十字焊接接头疲劳定量分析方法，其特征在于步骤三中，含轴错位模型其定量解析模型为：含轴错位模型其定量解析模型为：式中，x为错位量，w
a,toe
和w
a,root
分别为焊根与焊趾处的轴错位下应变能密度几何特征值，w
m,toe
和w
m,root
分别为焊根与焊趾处的角错位下应变能密度几何特征值。5.根据权利要求1所述的含错位高强低匹配承载十字焊接接头疲劳定量分析方法，其特征在于步骤三中含角错位理想模型其定量解析模型为：
式中，x为错位量，趾处的轴错w
e,toe
和w
e,root
分别为焊根与焊位下应变能密度几何特征值，w
m,toe
和w
m,root
分别为焊根与焊趾处的角错位下应变能密度几何特征值。6.根据权利要求1所述的含错位高强低匹配承载十字焊接接头疲劳定量分析方法，其特征在于步骤三中，含混合错位理想模型其定量解析模型计算方法和权利要求4和权利要求5一致。7.根据权利要求1所述的含错位高强低匹配承载十字焊接接头疲劳定量分析方法，其特征在于步骤三中，w
i,k
和w
m
的拟合包括幂函数拟合和二次拟合方法，其中幂函数拟合公式为：y＝ax
b
二次拟合公式为：y＝ax bx cx28.根据权利要求1所述的含错位高强低匹配承载十字焊接接头疲劳定量分析方法，其特征在于步骤四中通过对比解析模型和有限元分析结果对比，误差较大时，重复步骤三采用不同的多参数拟合方程方法。

技术总结
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


技术研发人员：宋威 满铮 徐杰 石端虎
受保护的技术使用者：中国矿业大学
技术研发日：2022.10.13
技术公布日：2022/12/9