基于VB焊接疲勞壽命分析系統(tǒng)的開發(fā)*

張自斌,王偉民,趙玉軍,舒海燕

(甘肅省機械科學研究院, 甘肅 蘭州 730030)

1 引 言

焊接連接是現(xiàn)代鋼結構中最主要的連接方式，具有優(yōu)化構件截面、節(jié)省材料、易于加工連接、性能好、便于采用自動化生成等優(yōu)點，廣泛應用于汽車、航空航天、鐵路機車車輛、建筑等工業(yè)領域，焊接技術作為制造業(yè)的基礎工藝和技術在20世紀為工業(yè)領域的發(fā)展做出了重要貢獻。但由于焊接連接的本身缺點，焊縫區(qū)金屬與母材的力學性能不匹配，在焊接接頭容易產(chǎn)生裂紋與缺陷，導致存在應力集中和殘余應力等，使焊接結構的抗疲勞性能降低，因而導致了焊縫成為最薄弱環(huán)節(jié)，焊縫的壽命也往往低于母材的壽命，焊縫位置也就成為了容易發(fā)生疲勞破壞的位置，預測焊縫的疲勞壽命可以有效減少由于焊接疲勞而引起的不必要的損失，為工業(yè)生產(chǎn)提供安全保障[1]。筆者引用美國2007年ASME標準中的焊接疲勞壽命計算原理[2-3]，利用高級編程語言VB[4]和有限元軟件ABAQUS[5]聯(lián)合開發(fā)了能夠用于焊接結構中焊接接頭疲勞壽命的計算程序，對工程設計人員提供了便利，為參數(shù)化建模的軟件開發(fā)者提供了思路。

2 ASME焊接疲勞壽命計算原理

2.1 主S-N曲線法

ASME標準中的主S-N曲線法是董平沙博士基于力學基本原理及大量焊接疲勞試驗而發(fā)明的計算焊縫疲勞壽命的最新方法。該方法采用來了“網(wǎng)格不敏感的結構應力計算方法及主S-N曲線法”，可以相對準確的計算出空間任意走向的焊縫疲勞壽命，解決了名義應力法計算疲勞壽命的困難。2007年，美國ASME將其列為焊接結構焊縫疲勞壽命計算標準，2009年，歐洲也將其列為計算標準。

2.2 等效結構應力

等效結構應力[6-7]是以結構應力為控制參數(shù)計算應力強度因子，以斷裂力學為基礎，并結合疲勞壽命直接相關的參數(shù)，在這個機遇斷裂力學的表達式的結構應力中，不僅考慮焊趾缺口、焊接接頭板厚度的影響，并以這些影響因素為參數(shù)導出等效結構應力轉化方程：

(1)

以等效結構應力變化ΔSk為參數(shù)的主S-N曲線的焊縫疲勞壽命計算公式為：

(2)

式中:m=3.6；Δσk應力變化范圍；ΔSk等效結構應力變化；t為板厚；I為描述載荷模式效應的函數(shù)；C和h為主S-N曲線(見圖1)試驗常數(shù)；N為疲勞壽命的循環(huán)次數(shù)。

主S-N曲線方程中用變化范圍度量的等效結構應力并不是針對具體的焊接接頭形式而提出的，它反映應力集中的結構應力、焊接接頭的板厚、外載荷引起的薄膜應力與彎曲應力比進行了綜合，因而對任何走向的焊縫都有效，是個具有普遍意義的數(shù)學模型。

圖1 主S-N曲線試驗數(shù)據(jù)

2.3 Miner′s損傷累計理論

Miner′s 線性累計損傷理論在多數(shù)情況下，其壽命計算與試驗結果有相當程度的吻合，是目前應用最為普遍的疲勞壽命預測方法。Miner′s疲勞損傷累計認為：根據(jù)S-N曲線的定義，在恒定應力幅S作用下，零件運轉循環(huán)次數(shù)N時，將產(chǎn)生完全損傷或失效，那么零件在S作用下運轉比N小的應力循環(huán)次數(shù)n時，將產(chǎn)生部分損傷，同時又認為，在這一過程中，每一次循環(huán)載荷作用下的損傷相同，則在n次循環(huán)載荷作用下的損傷率為n/N。如果一個零件在不同應力水平的工作狀態(tài)下，則產(chǎn)生的損傷為各個應力狀態(tài)下的損傷之和 ，當結構的損傷和達到1時，就可以認為結構失效。

基于Miner′s累積損傷理論的結構損傷為：

(3)

式中:ni為每級加載次數(shù)；Ni為每級載荷下的疲勞壽命；該極限壽命用主S-N曲線方法提供的公式獲得。

3 VB開發(fā)的焊接疲勞壽命計算軟件

根據(jù)上述焊接結構中焊接接頭疲勞壽命計算原理，按照圖2所示系統(tǒng)開發(fā)結構圖，用VB建立參數(shù)化設計界面。如圖3、4所示，為角接焊接結構焊縫疲勞壽命分析界面及其結果界面。在圖3分析界面中，通過界面?zhèn)鬟f參數(shù)化數(shù)據(jù)，利用有限元軟件ABAUQS后臺調用這些數(shù)據(jù)分析了角接焊縫的受力情況、提取載荷譜并進行雨流統(tǒng)計，用主S-N曲線和Miner′s損傷理論計算了焊縫疲勞壽命，對于內部開發(fā)程序這里不再詳細描述。圖4為角接焊縫疲勞壽命計算結果，圖中包含了載荷應力譜曲線、雨流統(tǒng)計圖及疲勞壽命等信息。

圖2 疲勞壽命計算系統(tǒng)結構圖

圖3 焊接疲勞壽命分析界面

圖4 焊接疲勞壽命結果界面

4 結 論

(1) 等效結構應力法中的結構應力計算可實現(xiàn)對網(wǎng)格不敏感，比基于其它算法的結構應力計算具有明顯優(yōu)勢。

(2) 等效結構應力法中的結構應力可用有限元方法計算得到，并采用單一的主S-N曲線方法計算

疲勞壽命，避免了復雜焊接結構及其疲勞設計S-N曲線的確定難度。

(3) 疲勞壽命分析系統(tǒng)可以有效預測焊接結構焊縫疲勞壽命，減少經(jīng)濟損失，為工業(yè)生產(chǎn)提供了安全保障。

參考文獻:

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[2] 2007 ASME Boiler & Pressure Vessel code VIII Division 2, Fatigue Assessment of Welds-Elastic Analysis and Structural Stress[S],2007.

[3] Dong P, Hong J K. Analysis of Recent Fatigue Data Using the Structural Stress Procedure in ASME Div2 Rewrite[J].Journal of Pressure Vessel Technology,2007(129):355-362.

[4] 邱李華. Visual Basic程序設計教程[M].第二版.北京：機械工業(yè)出版社, 2007.

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[7] 李亞娜,藍志峰.基于等效結構應力法的電機機座焊接結構疲勞壽命預測[J].大連交通大學學報,2012,33(3):10-12.