复杂应力状态下焊接接头的疲劳寿命预测方法研究

发布时间：2018-03-29 07:38

本文选题：焊接接头　切入点：疲劳寿命　出处：《电子科技大学》2016年博士论文

【摘要】：为满足大型复杂机械结构的轻量化要求,焊接技术被越来越多地应用到工程实际中。由于大型复杂机械结构的受力状态异常复杂,服役环境愈趋恶劣,导致焊接结构的疲劳问题变得尤为突出。而焊接接头中通常存在的裂纹、气孔、夹杂、未熔合、未焊透等缺陷,使得焊接接头成为整个焊接结构的薄弱环节。针对焊接接头开展疲劳寿命预测研究,以制定安全评估及健康管理决策,实现焊接结构的最大化利用,可以大大降低经济损失和减少人员伤亡。因此,研究复杂应力状态下焊接接头的疲劳寿命预测方法具有重要的理论意义和工程价值。目前,用于焊接接头疲劳寿命预测的方法主要有两类,一类是基于S-N曲线和疲劳累积损伤理论的方法,另一类是基于断裂力学理论和裂纹扩展率曲线的方法。针对上述两类方法在工程应用中的局限性,以及焊接结构的复杂承载状态,本文开展了焊接接头的疲劳累积损伤和概率疲劳寿命预测方法研究。其主要研究内容包括:(1)提出考虑载荷间相互作用效应的改进Manson-Halford模型及剩余寿命预测方法工程中,焊接接头的疲劳寿命预测模型通常忽略了载荷顺序效应和载荷间相互作用效应的影响,导致预测精度常常不能满足工程要求。针对此,由于Manson-Halford模型对疲劳累积损伤受外部载荷施加顺序的影响有较好的考虑,本文将载荷间相互作用效应以指数函数形式引入到该模型中,提出改进Manson-Halford模型。改进Manson-Halford模型可同时考虑不同加载顺序和载荷间相互作用对疲劳累积损伤的影响。通过分析剩余寿命的模型预测值和试验值,改进Manson-Halford模型具有较高的预测精度,可应用于工程中复杂应力状态下焊接接头的疲劳寿命预测。(2)提出考虑损伤程度和应力状态的改进Corten-Dolan模型及剩余寿命预测方法应用于工程的焊接结构,如列车焊接构架、焊接车体、焊接摇枕等,主要承受低于其疲劳极限的小载荷的作用,疲劳损伤亦主要由小载荷引起并进行累积。Corten-Dolan模型能考虑小载荷对累积损伤的影响,然而,目前对模型中影响疲劳寿命预测精度的关键参数,即指数d的确定方法仍存在争议。针对此问题,考虑到疲劳失效是材料或结构在一定损伤情况下,应力继续作用的结果,本文在Corten-Dolan模型的基础上,对指数d的确定方法进行研究,并提出能综合考虑某一时刻的损伤程度和当前应力状态的改进Corten-Dolan模型,该模型满足二元失效判据,能更好地描述复杂应力状态下疲劳破坏的物理机制。经验证,当应用改进Corten-Dolan模型预测常用焊接材料、焊接接头在二级、多级载荷下的疲劳寿命时,预测误差均在50%以内,且计算过程较为简单,可用于复杂应力状态下焊接接头的疲劳寿命预测。(3)提出基于广义多项式混沌法的S-N曲线不确定性分析及概率疲劳寿命预测方法试验过程中,由于所采用的试件、条件、操作以及数据读取等存在不确定性,使得焊接接头常幅载荷下的疲劳寿命存在分散性,造成S-N曲线具有不确定性。因此,为使焊接接头复杂应力状态下的疲劳寿命预测结果能较好地反映实际情况,应用对不确定性有较好处理能力的多项式混沌理论,结合改进Manson-Halford模型和改进Corten-Dolan模型,提出了考虑S-N曲线不确定性的概率疲劳寿命预测模型。结果表明,基于广义多项式混沌法的疲劳寿命预测方法能以较高的计算效率得到与Monte Carlo方法相接近的预测效果,这对广义多项式混沌法应用于疲劳寿命预测的合理性进行了验证,拓展了多项式混沌理论的应用范围,并对基于S-N曲线和累积损伤理论的疲劳寿命预测方法进行了完善。(4)提出基于初始裂纹与等效裂纹的概率疲劳寿命预测方法目前,当采用断裂力学理论结合裂纹扩展率曲线的方法对焊接接头疲劳寿命进行预测时,初始裂纹尺寸的确定和随机载荷下寿命预测过程复杂是亟需解决的问题。针对此,基于当量初始缺陷尺寸、应力强度因子模型以及裂纹萌生与扩展的分界,提出了考虑应力水平的初始裂纹尺寸的确定方法,该方法可减少对人为经验的依赖,同时可节省试验成本和时间。另外,为降低随机载荷下疲劳寿命计算过程的复杂度,提出等效裂纹尺寸概念及其计算模型,并考虑模型不确定性。经验证,确定初始裂纹尺寸时考虑应力水平的影响是可行的,等效裂纹尺寸的提出简化了概率疲劳寿命的计算过程,而模型不确定性的考虑使得该模型更利于材料或结构的安全性和可靠性评估。
[Abstract]:In order to meet the requirement of light weight for large and complex mechanical structures , the welding technology has been applied more and more in engineering practice . The fatigue life prediction method of welded joints has important theoretical significance and engineering value . ( 2 ) In this paper , we propose an improved Corten - Dolan model to predict the fatigue life of welded joints under the condition of complex stress . ( 4 ) The method for predicting the fatigue life of welded joints based on initial crack and equivalent crack is proposed . The method of determining the initial crack size is proposed to reduce the fatigue life of welded joints . The method can reduce the dependence of the initial crack size and the calculation model of the crack initiation and extension . In addition , to reduce the complexity of the fatigue life calculation process under the random load , the equivalent crack size concept and its calculation model are proposed , and the model uncertainty is considered .

【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TG405

【参考文献】