梯形波纹腹板焊接梁疲劳寿命分析

针对梯形波纹腹板焊接梁结构,分别基于不同的表征应力方法(名义应力法、热点应力法、等效结构应力法)建立梁结构的有限元模型,研究焊缝处各表征应力的分布规律,分析裂纹产生的位置,计算疲劳寿命,比较不同表征应力的评定效果.结果表明,名义应力和热点应力的分布曲线相似,存在一定的波纹特性,但根据波纹变化无法准确判断裂纹产生位置及预测疲劳寿命;等效结构应力分布曲线的波纹变化特性十分显著,可较好地预测裂纹产生位置并较准确地估算疲劳寿命.因此建议采用等效结构应力作为梯形波纹腹板焊接梁结构的寿命控制参量.     

基于平均等效应力强度因子的焊缝疲劳寿命预测

目前普遍应用的焊缝疲劳仿真分析方法主要有名义应力法和结构应力法,针对两种方法的应用局限性及未考虑剪切结构应力导致的预测精度不高等问题,提出了一种新的高精度焊缝疲劳寿命预测方法。该方法是以断裂力学为理论基础,通过有限元软件提取焊缝周围节点的节点力及力矩,并通过一系列计算得到整个裂纹扩展路径上的平均等效应力强度因子ΔKeq,并将其作为本文中焊缝疲劳寿命预测方法的评价参数。通过对DP800GI和HSLA350GI两种高强钢材料的搭接接头进行疲劳试验,并将ΔKeq与试验所得的疲劳寿命数据进行双对数回归分析,得到的一条主ΔKeq-N曲线作为焊缝的疲劳寿命预测曲线,并与目前的名义应力法和结构应力法进行预测精度对比,得出本文中的焊缝疲劳寿命预测方法的预测精度高于目前的名义应力法和结构应力法。     

基于不同应力法的焊接构架纵向角接头疲劳累积损伤评估

在焊接构架结构应力计算整体有限元模型基础上,通过考虑接头角焊缝和1 mm焊趾虚拟缺口半径,对转臂定位座板与箱形侧梁下盖板的组焊纵向角接头进行逐步细化,构建热点应力和有效缺口应力计算局部模型.在动态疲劳试验载荷等效的9级载荷谱作用下,分别基于名义、热点及有效缺口三种不同应力参量,结合ⅡW建议的疲劳设计S-N曲线进行累积损伤计算.结果表明,有效缺口应力的累积损伤远高于名义和热点应力,极有可能引起评估结果过于保守.为充分发挥有效缺口应力法的优势,需要以更加符合结构实际的缺口几何数据和强度数据作为支撑.     

焊缝余高对焊接接头疲劳性能影响的定量分析

为了研究焊缝余高对焊接接头疲劳性能的影响,采用名义应力法对含有焊缝余高的焊接结构连接件进行了有限元分析及寿命预测.结果发现:结构的疲劳寿命受焊缝坡度影响,随着焊缝坡度的增大,接头疲劳寿命先增大后减小,呈抛物线变化趋势.焊缝余高的变化也影响着结构疲劳性能,当焊缝余高为0.4mm、焊缝坡度为65°时,焊接接头疲劳寿命最大.     

焊接结构模态结构应力法程序开发及工程应用

主S-N曲线法作为疲劳计算的新方法在焊接结构疲劳分析中被广泛采用.为了实现该方法在试验载荷下基于稳态动力学计算结果开展焊接结构疲劳寿命预测,首先引入台架模型作为边界条件,实现将试验载荷作为仿真分析的输入,基于模态叠加法的稳态动力学理论获得较准确的焊缝动态响应.其次在主S-N曲线法的准静态计算流程基础上,扩展其内涵,提出基于模态结构应力叠加的动态结构应力计算方法,该方法将稳态动力学计算的模态坐标与焊缝的模态结构应力进行叠加,实现动态结构应力计算及动态等效结构应力计算,再采用主S-N曲线进行寿命评估预测.进一步开发了焊接结构模态结构应力法疲劳评估软件,基于该软件开展了车体疲劳评估和疲劳试验对比.结果表明,该方法比传统方法更能有效地识别出动态加载下车体的疲劳破坏部位,验证了该方法在试验动态载荷加载下开展焊接结构疲劳评估的有效性和优越性,为研究焊接结构疲劳寿命评估理论和拓展主S-N曲线法提供了技术基础.     

铝合金非承载十字接头疲劳特性

基于结构应力法,计算拉伸疲劳加载时不同几何尺寸的7N01铝合金非承载十字接头的结构应力,并结合疲劳试验数据建立其疲劳失效的主S-N曲线.结果表明,与名义应力法相比,基于结构应力法的主S-N曲线线性相关性更好,能够适应不同几何尺寸十字接头疲劳的计算.进一步分析相同名义应力下,承载板厚度对疲劳寿命的影响,结果表明,接头疲劳承载能力的增加与板厚的增加并非线性关系,随着承载板厚度增加,接头疲劳寿命降低.     

基于结构应力的焊接接头疲劳分析

基于结构应力法对来自相关文献中的16Mn钢十字非承载焊接接头、十字承载接头和纵向立板角焊缝接头的疲劳强度的试验数据进行了分析.推导了适合有限元计算的离散结构应力计算公式,得到焊接接头的结构应力集中系数.证实了该方法具有网格划分不敏感性,给出了应用结构应力法进行疲劳评定时适合上述各类接头的结构应力S-N曲线.结果表明,同名义应力法相比较,采用结构应力表示的焊接接头疲劳试验数据其分散性较小.     

焊缝余高对焊接接头疲劳寿命影响的有限元分析

使用Pro/E软件建立3种不同焊缝余高的焊接接头的几何模型,使用Hypermesh软件对接头进行网格划分,使用ABAQUS软件进行应力模拟分析,根据IIW标准,进行了基于名义应力法和热点应力法的接头疲劳寿命预测;使用ANSYS FE-SAFE软件进行基于网格不敏感结构应力法的疲劳寿命预测。结果表明:焊缝余高的存在降低了焊接接头的疲劳强度,且焊缝余高越大,疲劳寿命越差。     

焊接结构主S-N曲线拟合方法及软件开发

主S-N曲线法是当前焊接结构疲劳计算的新方法,在焊接结构疲劳分析中被广泛采用. 该方法以等效结构应力为核心参量,实现了以一条S-N曲线计算不同载荷模式和焊接形式结构的疲劳寿命. 依据主S-N曲线法,利用不同材料和焊接形式的疲劳试验建立了焊接结构疲劳试验数据库. 考虑厚度、弯曲比及多轴应力等修正参量的影响,采用最小二乘法原理,研究了不同主S-N曲线方程的拟合方法及其标准差. 在此基础上,开发了主S-N曲线拟合方法的专用软件. 基于VC++编程环境实现了名义应力、结构应力、等效结构应力、剪切结构应力、多轴结构应力及初始裂纹修正等主要计算功能. 基于该软件,完成了试验数据的多参量的对比分析,为研究焊接结构疲劳寿命评估及影响因素分析提供了技术基础.     

Q235钢CO_2气体保护焊焊接接头的疲劳寿命及断口分析

对某型号装载机上发生开裂的Q235钢焊接油箱进行了断口观察、有限元结构分析和热点应力法疲劳评价、化学成分检测、硬度检查和金相分析,对发生开裂的原因进行了分析。结果表明,油箱和连接件材料均为Q235钢,油箱母材夹杂物情况和显微组织正常,母材品质没有明显问题。油箱的最大应力出现在焊接角部位置,热点应力法计算出的焊接应力集中部位的应力幅值为21 MPa,低于IIW给出的FAT级别63 MPa,油箱不会发生疲劳断裂。硬度测试结果表明,在焊接材料和焊接热量方面也没有明显的问题。断口为脆性断口,裂纹产生于焊接热影响区的粗晶区,属于焊接冷裂纹中的焊趾裂纹。油箱开裂的原因可能与氢致开裂有关。     

双相不锈钢焊接接头疲劳强度

试验对SAF2205双相不锈钢纵向角接板焊接接头的疲劳强度进行了研究，用有限元计算热点应力集中系数，分别得出了名义应力和热点应力疲劳S-N曲线；用国际焊接学会推荐的方法进行统计处理，并和相同接头形式结构钢的疲劳强度进行了比较。试验表明，双相不锈钢纵向角接板焊接接头名义应力疲劳强度试验结果为FAT136，热点应力疲劳强度试验结果为FAT163，高于相同接头形式结构钢的疲劳级别；双相不锈钢的静载强度级别对其疲劳强度设计级别没有明显的影响。     

热点应力有限元分析的主要影响因素

用热点应力方法评定焊接结构的疲劳强度获得了越来越广泛的应用。在热点应力方法中，有限元分析是至关重要的。热点应力的外推方法、有限元网格尺寸大小是影响计算精度的主要因素。文中对三点弯焊接接头进行了有限元计算，比较分析了由不同外推方法和有限元网格划分得到的热点应力，说明了网格尺寸对热点应力有较大的影响，在网格划分时要考虑单元类型的影响。外推方法对热点应力的影响不是很大，一般情况下可用两点线性外推。     

复杂焊接接头多轴疲劳强度评估的等效热点应力法

基于焊缝本身引起的非线性分布应力自平衡的性质,在板厚方向非线性分布应力大小为零的位置(零点位置)定义等效热点应力,提出一种新的能够用于复杂焊接接头多轴疲劳应力评价方法.首先,分析了零点位置的影响因素和变化规律,建立了确定零点位置的拟合方程.然后,和公开发表的试验数据以及现有的热点应力法有限元计算结果进行了对比.结果表明,等效热点应力法和现有的热点应力法具有很好的一致性,而且能够在一定程度上考虑厚度效应对疲劳强度的影响,具有更高的精度.文中方法还能够和多轴疲劳理论相结合,用于焊接接头的多轴疲劳强度评估.     

不锈钢车体点焊接头疲劳特性分析

为获取不锈钢车体点焊结构的疲劳特性,提出了一种用于点焊疲劳寿命评估的S-N曲线和P-S-N曲线. 首先,对点焊试件进行拉剪疲劳试验,得到点焊试件的疲劳寿命. 然后,建立点焊试件体单元和壳单元有限元模型,并将仿真结果与准静态试验结果对比,验证了壳单元有限元模型的准确性. 之后,基于Rupp法得到点焊试件的等效结构应力,并根据等效结构应力和试验寿命得到点焊试件在不同应力比下的S-N曲线. 为了消除应力比对S-N曲线的影响,基于Goodman修正法将非对称循环下的结构应力当量为对称循环下的结构应力,得到了点焊试件的基本S-N曲线. 最后,根据三种方法绘制出了点焊的P-S-N曲线,对比得到基于破坏率的方法一和基于等效寿命的方法三能够较为准确地预测点焊的真实寿命,为点焊结构的设计及寿命预测提供一定的参考.     

热点应力法评定焊接接头疲劳强度的影响因素

将三种方法确定的热点应力作为控制应力,引入焊接接头的疲劳切口系数,由Taylor的临界距离理论得到该系数.通过讨论接头类型、焊缝局部尺寸、板厚以及热点应力的确定方式对疲劳切口系数的影响,揭示热点应力法进行焊接接头疲劳评定的影响因素.结果表明,腹板厚度与焊缝局部几何尺寸对疲劳切口系数的分散性影响较小,但主板厚度的效应明显,由疲劳切口系数得到的板厚效应预测与试验结果接近;以两种外推法为基础构成的热点应力法能明显减少疲劳数据的分散性及其对接头类型与载荷形式的依赖性.     

基于改进条件邻域熵的接头疲劳寿命影响因素分析

引入监督策略对粒化条件邻域熵进行改进,提出基于监督粒化的条件邻域熵属性约简算法. 在4个公开的数据集上对算法性能进行了试验. 结果表明,所提出的算法具有较高的约简率和分类准确率. 建立了基于该算法的铝合金焊接接头疲劳寿命影响因素分析模型,并基于互信息理论分析了焊接接头疲劳寿命各影响因素之间的耦合关系. 分析结果表明,应力集中系数受接头类型与焊接方法影响最大,受焊脚长度影响最小,说明在计算应力集中系数时接头类型与焊接方法的影响需要重点考虑;等效结构应力范围对于接头疲劳寿命影响的权重为0.461 2,名义应力范围的权重为0.347 3,说明经过应力修正之后,等效结构应力范围相较于名义应力范围对接头疲劳寿命影响的权重值增加,因而能更准确的预测接头的疲劳寿命.     

Investigation of Fatigue Crack Propagation in Spot-Welded Joints Based on Fracture Mechanics Approach

In this paper, fatigue crack propagation life of resistance spot welds in tensile-shear specimens is investigated based on the calculation of stress intensity factors and J-integral using three-dimensional finite element method. For comparison, experimental works on 5083-O aluminum alloy spot-welded joints have been carried out to verify the numerical predictions of fatigue crack propagation of welded joints. A lot of analyses have been performed to obtain stress intensity factors and J-integral in tensile-shear specimens of spot-welded joints by using commercial software ANSYS. These gathered data have been formulated by using statistical software SPSS. The results of fatigue propagation life and predicted fatigue crack path revealed very good agreement with the experimental fatigue test data and photograph of cross-section of the fatigued spot-weld specimens.