含錯(cuò)位效應(yīng)十字焊接接頭疲勞可靠性評(píng)估

宋威，滿錚，徐杰，魏守盼，崔慕春，侍孝建，劉雪松

(1.徐州工程學(xué)院,徐州,221111；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué),徐州,221008；3.徐州徐工礦業(yè)機(jī)械有限公司,徐州,221000；4.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 先進(jìn)焊接與連接國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,哈爾濱,150001)

0 序言

承載十字焊接接頭廣泛用于交通運(yùn)輸、船舶工程、海洋平臺(tái)等結(jié)構(gòu)工程領(lǐng)域，在結(jié)構(gòu)連接、承載、整體性方面具有明顯優(yōu)勢(shì).焊接區(qū)域組織結(jié)構(gòu)的形成來源于熱、力和冶金組織的綜合作用，常是裂紋、咬邊、錯(cuò)位等缺陷產(chǎn)生的重點(diǎn)區(qū)域，并在后續(xù)接頭服役過程中成為影響接頭承載能力和疲勞壽命的主要因素[1].長(zhǎng)裂紋及咬邊在接頭加工及質(zhì)量檢測(cè)中容易避免，而錯(cuò)位缺陷修復(fù)在焊接構(gòu)件制造中較為困難，因此焊后成形的含錯(cuò)位缺陷結(jié)構(gòu)疲勞性能評(píng)價(jià)尤為重要.焊接接頭錯(cuò)位的種類分為兩種，分別為位移錯(cuò)位及角錯(cuò)位，或兩種錯(cuò)位缺陷并存.其在焊接疲勞評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)中均有描述和分析，如IIW[2]、Eurocode3[3]、BS7910[4]，此類標(biāo)準(zhǔn)中錯(cuò)位缺陷常以容差形式考慮在各類型焊件的評(píng)估方法和疲勞等級(jí)中.但在復(fù)雜焊接工藝和環(huán)境因素的影響下，焊接結(jié)構(gòu)幾何特征和缺陷參數(shù)的不確定性會(huì)顯著影響構(gòu)件損傷進(jìn)程，對(duì)焊接結(jié)構(gòu)的安全服役及可靠性提升帶來挑戰(zhàn)[5].因此，結(jié)合不確定性量化含錯(cuò)位效應(yīng)焊接接頭結(jié)構(gòu)的疲勞壽命和疲勞損傷具有重要意義.

目前，針對(duì)焊接接頭錯(cuò)位效應(yīng)國(guó)內(nèi)外已有相關(guān)分析.Ahola 等人[6]應(yīng)用結(jié)構(gòu)應(yīng)力方法分析錯(cuò)位對(duì)于非承載焊接接頭壽命的影響，同時(shí)分析了殘余應(yīng)力影響下的疲勞強(qiáng)度變化.Song 等人[7]基于局部應(yīng)變能密度方法探究了十字焊接接頭幾何特征對(duì)于疲勞特征參量的影響.研究文獻(xiàn)[8-9]表明，焊接幾何特征是疲勞壽命的重要影響因素，錯(cuò)位缺陷會(huì)加劇焊接接頭的局部峰值應(yīng)力大小，進(jìn)而增加循環(huán)載荷下局部位置的損傷程度.傳統(tǒng)疲勞壽命分析?；诖_定性參數(shù)進(jìn)行分析，而忽略了幾何、載荷及缺陷的隨機(jī)特征，使得接頭疲勞壽命預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性較難判定，而基于疲勞可靠性分析的方法能夠從概率角度確定結(jié)構(gòu)安全及失效概率.

常見的可靠性設(shè)計(jì)方法包括剩余強(qiáng)度模型、累計(jì)損傷模型、臨界疲勞壽命模型，其將傳統(tǒng)的單值疲勞失效問題進(jìn)行概率描述，為針對(duì)接頭局部幾何隨機(jī)特征對(duì)疲勞強(qiáng)度的影響評(píng)價(jià)提供了可行的途徑.近期，Dong 等人[10]采用疲勞準(zhǔn)則中參考的修正方法并基于蒙特卡洛和一次二階矩方法對(duì)比探究了錯(cuò)位效應(yīng)對(duì)對(duì)接焊結(jié)構(gòu)件的疲勞可靠性影響，結(jié)果對(duì)比了焊接方法對(duì)于錯(cuò)位程度的影響，并說明了錯(cuò)位效應(yīng)對(duì)于疲勞可靠性的影響.Qiu 等人[11]分析了薄T 型板在各約束條件下初始變形和角錯(cuò)位程度對(duì)應(yīng)力修正系數(shù)的影響，并基于S-N 曲線和累積損傷理論分析了結(jié)構(gòu)件幾何特征影響下的疲勞可靠性問題，結(jié)果表明初始變形和角錯(cuò)位會(huì)顯著降低疲勞可靠性.

除上述經(jīng)驗(yàn)公式和響應(yīng)面法外，柯爽[12]基于BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和Fourier 正交基神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)探究了渦輪軸材料參數(shù)和運(yùn)行條件對(duì)于疲勞可靠性的影響，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的非線性映射能力能夠提升可靠性結(jié)果的準(zhǔn)確性.然而，由于含錯(cuò)位效應(yīng)疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)的匱乏，基于疲勞可靠性理論在錯(cuò)位十字焊接接頭的疲勞評(píng)定方面仍缺少系統(tǒng)性研究.

1 試驗(yàn)方法

局部分析方法?；赟-N曲線進(jìn)行焊接接頭疲勞壽命評(píng)估，如等效結(jié)構(gòu)應(yīng)力、熱點(diǎn)應(yīng)力、有效缺口應(yīng)力、平均應(yīng)變能密度、峰值應(yīng)力等方法，各方法具有相應(yīng)的疲勞壽命評(píng)估曲線及強(qiáng)度準(zhǔn)則[1,13].本文基于局部應(yīng)變能密度及熱點(diǎn)應(yīng)力法對(duì)結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布特征及可靠度問題進(jìn)行對(duì)比分析，針對(duì)位移、角錯(cuò)位效應(yīng)對(duì)焊接接頭疲勞壽命的影響進(jìn)行定量評(píng)估.首先，確定不同錯(cuò)位水平下疲勞特征參數(shù)與缺陷參數(shù)數(shù)值關(guān)系，并基于試驗(yàn)數(shù)據(jù)探究其對(duì)疲勞強(qiáng)度的影響，其次，進(jìn)行不同錯(cuò)位水平下的疲勞可靠性及損傷分析.該研究分析的整體流程如圖1所示.

1.1 試驗(yàn)及試樣

十字焊接接頭試驗(yàn)試樣采用船用907L(10.5 mm)和D32(12 mm)高強(qiáng)鋼等匹配焊接，如圖2 所示，承載板焊口開有間距為2 mm 的60°坡口便于焊接，且板長(zhǎng)和寬度分別為150 mm 和30 mm.由于焊接復(fù)雜因素的影響，焊縫區(qū)域出現(xiàn)不同類型的錯(cuò)位，如單一類型位移錯(cuò)位、角錯(cuò)位及混合類型錯(cuò)位.為進(jìn)一步探究錯(cuò)位缺陷對(duì)于焊接頭疲勞性能的影響，對(duì)所有接頭樣品進(jìn)行尺寸掃描并獲取焊接接頭幾何特征參數(shù)尺寸.測(cè)量參數(shù)內(nèi)容如圖2 所示，主要包括特征參數(shù)：熔透率(P)、焊腳(Hi、Vi)、板厚(T)及缺陷參數(shù)：位移錯(cuò)位(a)和角錯(cuò)位(e)，其分別用于后續(xù)有限元模型的建立及疲勞強(qiáng)度和可靠性的系統(tǒng)評(píng)估.最后，應(yīng)用MTS-810 疲勞試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行高周疲勞實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)加載頻率為10 Hz，應(yīng)力比R=0.1，獲取循環(huán)載荷及疲勞壽命等數(shù)據(jù).

圖2 焊接接頭尺寸及標(biāo)注(mm)Fig.2 Welded joint size and mark

1.2 有限元分析模型

采用Abaqus 軟件建立焊接接頭有限元分析模型，材料屬性楊氏模量(E)和泊松比(v)分別設(shè)置為210 MPa 和0.3，截面屬性為均質(zhì)且各向同性.為更好地結(jié)合高周疲勞試驗(yàn)條件，邊界條件為副板單軸水平拉伸，母板上下兩端不受任何約束.如圖3為有限元分析模型網(wǎng)格劃分細(xì)節(jié)，網(wǎng)格采用平面應(yīng)變4 節(jié)點(diǎn)縮減積分單元.用于平均應(yīng)變能密度方法分析的網(wǎng)格區(qū)域半徑設(shè)置為0.28 mm.為更好地探究局部特征尺寸對(duì)于缺口應(yīng)力狀態(tài)的影響，除試驗(yàn)獲取的分析參量外，還加入了不同程度服役應(yīng)力水平進(jìn)行比較分析.結(jié)合各特征參數(shù)尺寸下大量的理想錯(cuò)位模型和試驗(yàn)參數(shù)模型，基于平均應(yīng)變能密度及熱點(diǎn)應(yīng)力特征參量考察潛在失效區(qū)域焊趾處疲勞特征變化狀態(tài)，并進(jìn)一步評(píng)估焊接接頭疲勞可靠性.

圖3 含錯(cuò)位焊接頭的二維有限元網(wǎng)格模型Fig.3 2D finite element model for misaligned welded joint

1.3 平均應(yīng)變能密度方法

平均應(yīng)變能密度考慮裂紋尖端范圍內(nèi)場(chǎng)參量變化狀態(tài)，其可以準(zhǔn)確的表征幾何特征對(duì)于局部應(yīng)力狀態(tài)的影響，是焊接接頭及結(jié)構(gòu)疲勞評(píng)估的有效方法.在線彈性條件下，其應(yīng)變能密度可以表示為

式中：σi和τi為極坐標(biāo)下的正應(yīng)力和切應(yīng)力，根據(jù)Williams 公式對(duì)于裂紋尖端應(yīng)力分布狀態(tài)的計(jì)算公式以及Lazzarin 等人[14]對(duì)于缺口應(yīng)力強(qiáng)度因子的簡(jiǎn)化計(jì)算公式，即

式中：ki為引入的無量綱參數(shù)；t為板厚；λi是缺口張開角特征參數(shù).半徑為R0的扇形區(qū)域內(nèi)平均應(yīng)變能?(R)可以表示為

式中：ei是泊松比和張開角的特征參數(shù)，簡(jiǎn)化計(jì)算參照文獻(xiàn)[14].單軸拉伸試樣裂紋失效過程受Ⅱ型應(yīng)力強(qiáng)度因子影響較小，可以進(jìn)一步將公式進(jìn)行簡(jiǎn)化為

1.4 可靠性分析方法及流程

選用S-N曲線作為該試樣的疲勞壽命評(píng)估方法，疲勞應(yīng)力(S)和疲勞壽命(N)呈線性對(duì)數(shù)關(guān)系，其表達(dá)式為

式中：C和m為材料特征常數(shù)；S表示為裂紋或缺口尖端應(yīng)力狀態(tài)幅值.

根據(jù)Miner 線性累計(jì)損傷理論，即

總損傷Df可以表示為f次應(yīng)力幅值下的疲勞壽命ni和相應(yīng)總壽命Ni之比總和，且每次疲勞壽命循環(huán)累計(jì)損傷等價(jià).

橫幅載荷下焊件的損傷和臨界壽命是可靠性設(shè)計(jì)的重要組成部分.取50%概率S-N擬合曲線的疲勞特征參數(shù)C，m為疲勞損傷Di的預(yù)測(cè)參數(shù)，Dcr為當(dāng)前參數(shù)和載荷條件下全熔覆率(P=0)臨界損傷值.該焊接頭的疲勞極限狀態(tài)方程可以表示為

幾何特征和缺陷參數(shù)對(duì)局部參量影響復(fù)雜，簡(jiǎn)化擬合關(guān)系難以探究各參數(shù)和平均應(yīng)變能間的隱性耦合關(guān)系.文中以公式(4)為基礎(chǔ)，采用BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)擬合無量綱參數(shù)ki和各特征參數(shù)的隱性關(guān)系式，并引入疲勞標(biāo)準(zhǔn)推薦缺陷修正方法進(jìn)行對(duì)比分析.隨后，采用蒙特卡洛法80 萬次隨機(jī)取值用于該模型的疲勞壽命可靠概率的求解計(jì)算，以保證疲勞可靠性的準(zhǔn)確度.根據(jù)求解可靠概率R，可靠性指標(biāo)β可以表示為

式中，Φ是標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布函數(shù).

疲勞可靠性模型建立過程中，不確定性條件具體考慮了位移錯(cuò)位(e)，角錯(cuò)位(a)、板厚(T)，特征參數(shù)(C)和累計(jì)損傷(D)共五個(gè)參數(shù)的分布類型和變異系數(shù).疲勞可靠性分析流程如圖4 所示.

圖4 疲勞可靠性分析流程Fig.4 Fatigue reliability analysis process

2 結(jié)果分析和討論

2.1 含缺陷疲勞分析模型

以角錯(cuò)位a=3°，位移錯(cuò)位不斷增加的混合錯(cuò)位條件下為例，如圖5 展示了不同評(píng)估方法下應(yīng)力集中系數(shù)的變化情況.

圖5 應(yīng)力集中系數(shù)km 對(duì)比Fig.5 Comparison of stress concentration factor. (a)Hot spot stress method; (b) Average strain energy density method

應(yīng)力集中系數(shù)直觀地反映了缺陷效應(yīng)帶來的局部應(yīng)力狀態(tài)變化趨勢(shì)，可見錯(cuò)位缺陷對(duì)于整體疲勞強(qiáng)度的影響顯著.對(duì)于混合錯(cuò)位情況，IIW等[2,4]推薦將位移和角缺陷的修正系數(shù)疊加進(jìn)行分析，即

對(duì)含錯(cuò)位焊趾失效的十字焊接接頭，IIW等[2,4]標(biāo)準(zhǔn)基于簡(jiǎn)化力學(xué)模型分別給出了解析修正方法，即

式中：λ 表示為不同的約束條件；li表示為板長(zhǎng)參數(shù).

如圖5a 所示，基于數(shù)值分析計(jì)算的單一缺陷條件下應(yīng)力集中系數(shù)之和和混合錯(cuò)位的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，具有較好的一致性.但實(shí)際情況下，該方法僅將約束條件和板長(zhǎng)作為修正參量，沒有考慮焊縫區(qū)域幾何特征參數(shù)影響，限制了該修正方法的準(zhǔn)確分析.

如圖5b 展示了不同缺陷類型下，以平均應(yīng)變能為基礎(chǔ)的應(yīng)力集中系數(shù)對(duì)比，應(yīng)力集中系數(shù)疊加和數(shù)值分析結(jié)果對(duì)比，結(jié)果相對(duì)保守.因此采用該方法的錯(cuò)位缺陷分析時(shí)，應(yīng)充分考慮各缺陷參數(shù)間的耦合關(guān)系.平均應(yīng)變能方法以應(yīng)變能作為評(píng)估參量，相較于熱點(diǎn)應(yīng)力方法，較好的反應(yīng)了幾何不連續(xù)及潛在失效區(qū)域的應(yīng)力狀態(tài)，文中以平均應(yīng)變能為基礎(chǔ)進(jìn)行疲勞可靠性的分析.基于數(shù)值分析方法，BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法可充分考慮不同類型錯(cuò)位的耦合關(guān)系，并進(jìn)行各參數(shù)的隱形表達(dá)關(guān)系的擬合，顯著增加分析準(zhǔn)確性.通過上述有限元模型獲取各幾何參數(shù)條件下SED 值，結(jié)合SED 計(jì)算公式并采用BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立局部分析模型.該隱性表達(dá)式可納入不同測(cè)量參量，較好地反映各參量之間相互關(guān)系.為確保該模型分析效果，將各參數(shù)歸一化后用于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型建立，以消除各參數(shù)間數(shù)值差異的影響.如圖6 展示了有限元和預(yù)測(cè)模型的差異統(tǒng)計(jì)圖，誤差主要分布在0 值附近，且誤差范圍小，可以用于后續(xù)疲勞可靠性分析.

圖6 擬合誤差直方圖Fig.6 Fitting error histogram

2.2 幾何特征對(duì)于局部應(yīng)力狀態(tài)的影響

基于有限元分析方法，圖7 展示了各幾何參數(shù)10%變化率對(duì)于局部應(yīng)力特征參量的影響.以含混合錯(cuò)位缺陷的焊接頭為例，10%的板厚變化對(duì)于局部應(yīng)力狀態(tài)的影響最大.這是由于板厚的變化造成其他局部尺寸比例的相對(duì)減小，局部應(yīng)力集中程度顯著增加導(dǎo)致的.其次，混合錯(cuò)位對(duì)于SED 的影響較大，顯著大于單一錯(cuò)位效應(yīng)的影響.因此定量探究錯(cuò)位及幾何參數(shù)對(duì)于局部應(yīng)力狀態(tài)和疲勞壽命的影響具有重要意義，通過合理控制局部特征參數(shù)和缺陷參數(shù)改善缺口應(yīng)力狀態(tài)，合理的進(jìn)行焊件疲勞壽命設(shè)計(jì)和檢測(cè).

圖7 幾何特征參數(shù)影響Fig.7 Effect of geometric characteristic parameters

圖8 為平均應(yīng)變能和熱點(diǎn)應(yīng)力方法下，含錯(cuò)位效應(yīng)和無錯(cuò)位效應(yīng)模型的雙對(duì)數(shù)S-N曲線對(duì)比圖.針對(duì)不同方法，疲勞評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)IIW、BS7608 和Lazzarin 等人[15]推薦了相應(yīng)的疲勞強(qiáng)度評(píng)估曲線.含錯(cuò)位效應(yīng)的疲勞評(píng)估點(diǎn)局部應(yīng)力狀態(tài)變化明顯，但均分布在相應(yīng)的疲勞評(píng)估曲線上方，結(jié)果優(yōu)于未考慮錯(cuò)位效應(yīng)的疲勞評(píng)估點(diǎn).另一方面，考慮錯(cuò)位的疲勞評(píng)估點(diǎn)的離散度具有一定程度的下降，尤其是對(duì)于平均應(yīng)變能方法，這說明將缺陷特征參數(shù)考慮到S-N曲線評(píng)估方法是有效的.

圖8 S-N 疲勞評(píng)估曲線對(duì)比Fig.8 Comparison of S-N curves.(a) hot spot stress method;(b) average strain energy method

2.3 不確定參量量化

不確定因素的量化分析是疲勞可靠性評(píng)估的基礎(chǔ)，將試驗(yàn)條件下不同幾何、錯(cuò)位參數(shù)通過統(tǒng)計(jì)學(xué)方法進(jìn)行概率描述.根據(jù)實(shí)驗(yàn)試樣掃描和統(tǒng)計(jì)結(jié)果，位移錯(cuò)位和角錯(cuò)位服從極大值分布，極大值分布概率密度函數(shù)為：

式中：μi為位置參數(shù)；σi為尺度參數(shù)；和錯(cuò)位a和e的均值和離散程度等相關(guān).如圖9 所示，是不同類型錯(cuò)位的極大值分布擬合圖，位移錯(cuò)位和角錯(cuò)位的位置參數(shù)μi分別為0.366 3 和0.855 3，尺度參數(shù)σi分別為0.530 1 和0.734 3.由于焊接過程中各類復(fù)雜因素的影響，造成錯(cuò)位缺陷的產(chǎn)生，極大值分布特征符合實(shí)際工程情況.經(jīng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合參數(shù)和相關(guān)文獻(xiàn)[16]說明，焊接接頭S-N曲線參數(shù)及特征參數(shù)的分布類型等信息匯總在表1 中.

表1 影響因素統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)Table 1 statistical descriptors of influencing factors

圖9 位移和角錯(cuò)位概率分布曲線Fig.9 Probability distribution of axial and angular misalignment.(a) axial misalignment;(b) angular misalignment

2.4 可靠性分析

疲勞載荷是影響疲勞壽命的主要因素.如圖10 所示，繪制了在不確定參數(shù)條件下，載荷分別為100 MPa、200 MPa、300 MPa、400 MPa 的疲勞壽命分布曲線.通過蒙特卡羅隨機(jī)抽樣求解的疲勞壽命分布，可以采用極大值分布函數(shù)進(jìn)行描述.疲勞壽命的分布是由于各不確定參數(shù)的分布類型造成的，主要包含了錯(cuò)位缺陷的影響.隨著疲勞載荷幅值增加，疲勞壽命顯著減小，其概率密度的尺度參數(shù)隨之減小.可見，在應(yīng)力幅度較小時(shí)，錯(cuò)位等不確定因素對(duì)于疲勞壽命的分布影響較大.

圖10 疲勞壽命概率分布曲線Fig.10 Probability distribution of fatigue life

試驗(yàn)結(jié)果顯示疲勞試樣的疲勞載荷主要集中在200～ 300 MPa，為說明該疲勞可靠性分析模型的準(zhǔn)確性，如圖11 以模型計(jì)算和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)作為對(duì)比，分別繪制了200 MPa 和300 MPa 時(shí)疲勞壽命的累計(jì)分布及疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù).試驗(yàn)疲勞試樣的可靠概率較好的分布在200 MPa 和300 MPa 區(qū)域內(nèi)，說明該疲勞模型可以用于該批試樣的可靠性分析.從累計(jì)失效概率角度分析，隨疲勞循環(huán)次數(shù)的增加，失效概率也不斷增大.該模型中缺陷作為各載荷下的主要影響因素，直接影響疲勞壽命的分布狀態(tài).

圖11 疲勞壽命累計(jì)分布函數(shù)Fig.11 Cumulative probability distribution of fatigue life

圖12 展示分析了100 MPa 疲勞載荷條件下錯(cuò)位缺陷對(duì)于疲勞可靠性的差異.隨著疲勞壽命的增加，無錯(cuò)位缺陷試樣疲勞失效概率顯著好于含缺陷試樣.含錯(cuò)位構(gòu)件3.5×104次循環(huán)載荷即出現(xiàn)失效現(xiàn)象，而無錯(cuò)位構(gòu)件3.6×105次循環(huán)載荷發(fā)生失效現(xiàn)象.此外，相同可靠概率下，疲勞壽命具有明顯差異，含錯(cuò)位試樣首先出現(xiàn)失效，錯(cuò)位的出現(xiàn)顯著改變了局部缺口的應(yīng)力狀態(tài)和疲勞壽命分布.因此，定量分析錯(cuò)位效應(yīng)的影響是研究結(jié)構(gòu)的疲勞壽命時(shí)重要的評(píng)估過程.

圖12 混合錯(cuò)位對(duì)于可靠性的影響Fig.12 Effect of misalignment on reliability

焊接接頭質(zhì)量受多方面因素影響，且由于焊接過程中各影響因素的復(fù)雜性，如鋼材類型，焊接工藝，約束條件等，缺陷參數(shù)離散性受到影響，因此探究混合錯(cuò)位的尺度參數(shù)變化對(duì)于疲勞可靠性影響十分必要.根據(jù)S-N曲線及形狀參數(shù)和特征參數(shù)的分布特征，通過引入縮放比例參數(shù)q對(duì)尺度參數(shù)進(jìn)行縮放，進(jìn)行不同混合錯(cuò)位缺陷離散度情況下疲勞壽命的分析.如圖13 所示，繪制了不同尺度參數(shù)縮放比例下疲勞壽命概率分布直方圖.隨著縮放比例的增加，疲勞壽命趨于減小，說明混合缺陷的離散程度對(duì)于疲勞壽命的分布較為顯著，考慮焊接缺陷能提升疲勞強(qiáng)度評(píng)估的準(zhǔn)確性.

圖13 尺度參數(shù)縮放比例對(duì)疲勞壽命分布的影響Fig.13 Fatigue life distribution for different scale parameters

以當(dāng)前載荷和特征條件為基礎(chǔ)，完全熔透(P/T=0.5)條件下的疲勞壽命為臨界疲勞壽命，進(jìn)行疲勞極限狀態(tài)方程的構(gòu)建.如圖14 繪制了不同缺陷參數(shù)離散度下可靠性指標(biāo)的變化，其中橫坐標(biāo)是尺度參數(shù)的縮放比例q，縱坐標(biāo)為可靠性指標(biāo).隨著尺度參數(shù)的比例的增加，即錯(cuò)位離散程度的增加，疲勞可靠性指標(biāo)顯著下降.當(dāng)熔透率P=0 時(shí)，隨著q的增加，相應(yīng)的可靠度由97.9%下降為33.95%，可見疲勞壽命的分布受混合錯(cuò)位尺度參數(shù)的顯著影響.因此在焊接過程中應(yīng)嚴(yán)格控制缺陷質(zhì)量，以保證疲勞壽命評(píng)估結(jié)果的準(zhǔn)確性.

圖14 不同尺度參數(shù)縮放比例的可靠性指標(biāo)Fig.14 Reliability index for different scale parameters

3 結(jié)論

(1) 對(duì)承載十字焊接接頭實(shí)驗(yàn)試樣的和角錯(cuò)位進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析，位移和角錯(cuò)位服從極大值分布類型，且考慮焊縫幾何特征和缺陷特征的評(píng)估方法在數(shù)據(jù)離散度方面具有明顯優(yōu)勢(shì).

(2) 基于平均應(yīng)變能法的缺口應(yīng)力狀態(tài)分析結(jié)果，接頭幾何特征參量對(duì)疲勞缺口特征值變化較為明顯，混合錯(cuò)位缺陷相較于單一錯(cuò)位缺陷對(duì)于局部應(yīng)力狀態(tài)的影響更加顯著.

(3) 對(duì)比無錯(cuò)位缺陷的失效概率，含錯(cuò)位焊接接頭較早出現(xiàn)失效現(xiàn)象，錯(cuò)位缺陷是焊接接頭疲勞可靠性分析的重要影響因素.此外，隨著尺度參數(shù)的增加，疲勞可靠度顯著下降.特定條件下，可靠度可由97.9%下降為33.95%，缺陷均值和離散度等因素是影響疲勞可靠性的重要原因.