復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下焊接接頭的疲勞壽命預(yù)測方法研究.pdf

1、為滿足大型復(fù)雜機械結(jié)構(gòu)的輕量化要求，焊接技術(shù)被越來越多地應(yīng)用到工程實際中。由于大型復(fù)雜機械結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)異常復(fù)雜，服役環(huán)境愈趨惡劣，導(dǎo)致焊接結(jié)構(gòu)的疲勞問題變得尤為突出。而焊接接頭中通常存在的裂紋、氣孔、夾雜、未熔合、未焊透等缺陷，使得焊接接頭成為整個焊接結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)。針對焊接接頭開展疲勞壽命預(yù)測研究，以制定安全評估及健康管理決策，實現(xiàn)焊接結(jié)構(gòu)的最大化利用，可以大大降低經(jīng)濟損失和減少人員傷亡。因此，研究復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下焊接接頭的疲勞壽命預(yù)

2、測方法具有重要的理論意義和工程價值。
　　目前，用于焊接接頭疲勞壽命預(yù)測的方法主要有兩類，一類是基于S-N曲線和疲勞累積損傷理論的方法，另一類是基于斷裂力學(xué)理論和裂紋擴展率曲線的方法。針對上述兩類方法在工程應(yīng)用中的局限性，以及焊接結(jié)構(gòu)的復(fù)雜承載狀態(tài)，本文開展了焊接接頭的疲勞累積損傷和概率疲勞壽命預(yù)測方法研究。其主要研究內(nèi)容包括：
　?。?）提出考慮載荷間相互作用效應(yīng)的改進Manson-Halford模型及剩余壽命預(yù)測方法

3、r>　　工程中，焊接接頭的疲勞壽命預(yù)測模型通常忽略了載荷順序效應(yīng)和載荷間相互作用效應(yīng)的影響，導(dǎo)致預(yù)測精度常常不能滿足工程要求。針對此，由于Manson-Halford模型對疲勞累積損傷受外部載荷施加順序的影響有較好的考慮，本文將載荷間相互作用效應(yīng)以指數(shù)函數(shù)形式引入到該模型中，提出改進Manson-Halford模型。改進Manson-Halford模型可同時考慮不同加載順序和載荷間相互作用對疲勞累積損傷的影響。通過分析剩余壽命的模型預(yù)測

4、值和試驗值，改進Manson-Halford模型具有較高的預(yù)測精度，可應(yīng)用于工程中復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下焊接接頭的疲勞壽命預(yù)測。
　　（2）提出考慮損傷程度和應(yīng)力狀態(tài)的改進Corten-Dolan模型及剩余壽命預(yù)測方法
　　應(yīng)用于工程的焊接結(jié)構(gòu)，如列車焊接構(gòu)架、焊接車體、焊接搖枕等，主要承受低于其疲勞極限的小載荷的作用，疲勞損傷亦主要由小載荷引起并進行累積。Corten-Dolan模型能考慮小載荷對累積損傷的影響，然而，目前對模型中

5、影響疲勞壽命預(yù)測精度的關(guān)鍵參數(shù)，即指數(shù)d的確定方法仍存在爭議。針對此問題，考慮到疲勞失效是材料或結(jié)構(gòu)在一定損傷情況下，應(yīng)力繼續(xù)作用的結(jié)果，本文在Corten-Dolan模型的基礎(chǔ)上，對指數(shù)d的確定方法進行研究，并提出能綜合考慮某一時刻的損傷程度和當(dāng)前應(yīng)力狀態(tài)的改進Corten-Dolan模型，該模型滿足二元失效判據(jù)，能更好地描述復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下疲勞破壞的物理機制。經(jīng)驗證，當(dāng)應(yīng)用改進Corten-Dolan模型預(yù)測常用焊接材料、焊接接頭在二

6、級、多級載荷下的疲勞壽命時，預(yù)測誤差均在50％以內(nèi)，且計算過程較為簡單，可用于復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下焊接接頭的疲勞壽命預(yù)測。
　?。?）提出基于廣義多項式混沌法的S-N曲線不確定性分析及概率疲勞壽命預(yù)測方法
　　試驗過程中，由于所采用的試件、條件、操作以及數(shù)據(jù)讀取等存在不確定性，使得焊接接頭常幅載荷下的疲勞壽命存在分散性，造成S-N曲線具有不確定性。因此，為使焊接接頭復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下的疲勞壽命預(yù)測結(jié)果能較好地反映實際情況，應(yīng)用對不確定

7、性有較好處理能力的多項式混沌理論，結(jié)合改進Manson-Halford模型和改進Corten-Dolan模型，提出了考慮S-N曲線不確定性的概率疲勞壽命預(yù)測模型。結(jié)果表明，基于廣義多項式混沌法的疲勞壽命預(yù)測方法能以較高的計算效率得到與MonteCarlo方法相接近的預(yù)測效果，這對廣義多項式混沌法應(yīng)用于疲勞壽命預(yù)測的合理性進行了驗證，拓展了多項式混沌理論的應(yīng)用范圍，并對基于S-N曲線和累積損傷理論的疲勞壽命預(yù)測方法進行了完善。
　　

8、（4）提出基于初始裂紋與等效裂紋的概率疲勞壽命預(yù)測方法
　　目前，當(dāng)采用斷裂力學(xué)理論結(jié)合裂紋擴展率曲線的方法對焊接接頭疲勞壽命進行預(yù)測時，初始裂紋尺寸的確定和隨機載荷下壽命預(yù)測過程復(fù)雜是亟需解決的問題。針對此，基于當(dāng)量初始缺陷尺寸、應(yīng)力強度因子模型以及裂紋萌生與擴展的分界，提出了考慮應(yīng)力水平的初始裂紋尺寸的確定方法，該方法可減少對人為經(jīng)驗的依賴，同時可節(jié)省試驗成本和時間。另外，為降低隨機載荷下疲勞壽命計算過程的復(fù)雜度，提出等效裂紋