30CrMnSiNi2A管材補(bǔ)焊件疲勞失效行為模擬*

唐婷婷，李 毅，張 敏，王森淼，馬宏偉，易 朗

（西安理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，西安 710048）

0 前 言

30CrMnSiNi2A 鋼是在30CrMnSiA 鋼的基礎(chǔ)上提高了錳和鉻的含量，并添加了1.40%～1.80%的Ni，從而顯著提高了其淬透性、韌性和回火穩(wěn)定性。經(jīng)熱處理后，可獲得高強(qiáng)度、高塑性和韌性、良好的抗疲勞性和斷裂韌性、低疲勞裂紋膨脹率，常被用作飛機(jī)起落架等重要應(yīng)力結(jié)構(gòu)[1-2]。該鋼具有較高的淬透性、切削加工性和較好的焊接性，但對(duì)缺口和氫脆比較敏感。在彎曲、拉伸、扭轉(zhuǎn)等載荷的復(fù)合作用下，該鋼制作的零件在使用過(guò)程中容易失效，帶來(lái)飛行安全隱患[3-5]。飛機(jī)起落架上大多數(shù)結(jié)構(gòu)件在使用過(guò)程中均承受著疲勞載荷的作用，而焊接是飛機(jī)結(jié)構(gòu)中常用的連接方式之一，焊接結(jié)構(gòu)中70 %以上的事故是由焊接接頭的疲勞斷裂引起的。因此，研究焊接結(jié)構(gòu)件的疲勞性能具有重要意義。為了提高焊接結(jié)構(gòu)部件的力學(xué)性能，減少損失，通常采用補(bǔ)焊的方法進(jìn)行修復(fù)[6-8]。補(bǔ)焊的成本較低，并且可以保證焊接結(jié)構(gòu)的完整性[9-10]，而補(bǔ)焊后結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的變化及其能否滿足結(jié)構(gòu)的性能要求是必須要研究和解決的問(wèn)題。

飛機(jī)起落架在實(shí)際工作中受到來(lái)自地面、機(jī)身等各個(gè)方向的交變載荷作用，很容易發(fā)生疲勞斷裂，這將嚴(yán)重影響飛機(jī)結(jié)構(gòu)件的使用壽命，對(duì)飛機(jī)的安全性有著很大的影響[11]。而傳統(tǒng)的疲勞試驗(yàn)僅可進(jìn)行取樣檢測(cè)，難以全面反映復(fù)雜形狀零部件整體的疲勞失效行為，且試驗(yàn)周期較長(zhǎng)，花費(fèi)較大。30CrMnSiNi2A 為中碳調(diào)制鋼，一般需要進(jìn)行焊后熱處理，通過(guò)焊后去應(yīng)力退火的方式能夠較大程度地使焊后殘余應(yīng)力分布均勻化[12-13]。因此，本研究通過(guò)對(duì)30CrMnSini2A 管材焊接件的計(jì)算模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，以補(bǔ)焊后補(bǔ)焊熱影響區(qū)力學(xué)性能變化為側(cè)重點(diǎn)，對(duì)其原始焊接接頭以及補(bǔ)焊接頭分別進(jìn)行了疲勞壽命及疲勞損傷情況的數(shù)值模擬計(jì)算，研究了補(bǔ)焊次數(shù)對(duì)30CrMnSiNi2A 管材焊接接頭疲勞性能的影響，探究了30CrMnSiNi2A 管材焊接接頭的疲勞失效行為規(guī)律，為后續(xù)30CrMnSiNi2A飛機(jī)起落架補(bǔ)焊修復(fù)提供參考。

1 疲勞分析方法及理論

1.1 疲勞分析方法

目前常用的疲勞壽命分析方法主要有名義應(yīng)力法、局部應(yīng)力應(yīng)變法和應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)法。三種分析方法類似，但是各有優(yōu)缺點(diǎn)，而且應(yīng)用場(chǎng)合也不同，本研究使用名義應(yīng)力法進(jìn)行疲勞性能分析。名義應(yīng)力疲勞壽命分析法是最早形成的一種進(jìn)行抗疲勞設(shè)計(jì)的方法，其分析的基礎(chǔ)為材料的S-N曲線，針對(duì)試件疲勞危險(xiǎn)處的名義應(yīng)力以及應(yīng)力集中系數(shù)，應(yīng)用相關(guān)的疲勞累積損傷理論對(duì)其進(jìn)行疲勞壽命估算。名義應(yīng)力壽命法的分析步驟[14]為：①確定機(jī)械結(jié)構(gòu)中的疲勞危險(xiǎn)部位；②對(duì)此部位進(jìn)行應(yīng)力分析，求出名義應(yīng)力和集中系數(shù)Kt；③由機(jī)械結(jié)構(gòu)載荷進(jìn)行名義應(yīng)力譜分析；④根據(jù)機(jī)械結(jié)構(gòu)的疲勞損傷積累理論（本研究基于Miner 線性損傷理論）以及已獲得的材料S-N曲線，求出此部件危險(xiǎn)部位的疲勞壽命。

1.2 Miner線性損傷理論

當(dāng)機(jī)械產(chǎn)品或材料受到交變載荷而發(fā)生疲勞破壞時(shí)，認(rèn)為是產(chǎn)品結(jié)構(gòu)或材料受到疲勞累積損傷的結(jié)果，在機(jī)械產(chǎn)品或材料疲勞計(jì)算時(shí)采用Miner-Palmgren 疲勞累積損傷理論來(lái)預(yù)估產(chǎn)品的疲勞壽命，該理論假定在機(jī)械產(chǎn)品每經(jīng)歷一次載荷歷程時(shí)都會(huì)消耗一定量的疲勞壽命分量，消耗的疲勞壽命與機(jī)械產(chǎn)品或材料所吸收的能量（損傷量）成正比，機(jī)械產(chǎn)品或材料在發(fā)生疲勞破壞時(shí)所吸收的總能量（總損傷量）是一個(gè)常量，且發(fā)生疲勞損傷情況與載荷加載次序無(wú)關(guān)[15]。因此，歸納出線性疲勞累積損傷關(guān)系式為

或

式中：bi——損傷分量或每次消耗的壽命分量；

B——總損傷量；

ni——應(yīng)力級(jí)為si載荷下工作循環(huán)次數(shù)；

Ni——應(yīng)力級(jí)為si載荷下發(fā)生疲勞破壞時(shí)工作循環(huán)次數(shù)；

Mi——吸收的能量（損傷量）；

M——發(fā)生疲勞破壞時(shí)所吸收的總能量（總損傷量）。

將公式（2）代入公式（1）中可得

公式（3）為Miner-Palmgren 理論表達(dá)式，大量試驗(yàn)結(jié)果表明，機(jī)械產(chǎn)品或材料在發(fā)生疲勞破壞時(shí)的損傷累積B平均值接近于1，Miner-Palmgren 理論成功之處就在于此，雖然Miner-Palmgren理論有一定局限性，但在工程上仍被廣泛使用，原因在于它比較簡(jiǎn)潔，其他方法則需要通過(guò)大量試驗(yàn)來(lái)擬合修正參數(shù)，且精度不一定高于Miner-Palmgren理論。

1.3 Ansys nCode Design Life模塊簡(jiǎn)介

本研究使用Ansys軟件中的nCode Design Life疲勞仿真分析模塊進(jìn)行疲勞壽命分析。Ansys nCode Design Life 是英國(guó)恩科（nCode）公司研發(fā)的新一代疲勞分析程序，是一個(gè)基于有限元的、面向過(guò)程的疲勞分析包，主要用于識(shí)別危險(xiǎn)點(diǎn)位置并計(jì)算疲勞壽命。該軟件具有非常全面的疲勞分析能力，幾乎可以模擬所有類型的疲勞問(wèn)題，例如應(yīng)力疲勞、應(yīng)變疲勞、多軸疲勞、焊縫和點(diǎn)焊疲勞、高溫疲勞等，可廣泛應(yīng)用于機(jī)械、船舶、汽車、航空航天、醫(yī)療器械等領(lǐng)域。Ansys nCode Design Life 在產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程中的應(yīng)用，能夠預(yù)先進(jìn)行耐久性估計(jì)，從而避免由于不恰當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)和加工而導(dǎo)致的重大經(jīng)濟(jì)損失，其計(jì)算步驟如圖1所示。

圖1 Ansys nCode Design Life疲勞分析步驟

2 有限元計(jì)算模型的建立

基于焊接接頭的形狀尺寸，在Ansys Workbench軟件自帶的SC模塊建立實(shí)體模型。根據(jù)實(shí)際焊接接頭的焊縫尺寸確定有限元模型中的焊縫尺寸，計(jì)算時(shí)綜合體視顯微鏡、金相顯微鏡和掃描電鏡的測(cè)定結(jié)果，由于焊縫形狀不規(guī)則，所以測(cè)定的尺寸存在一定的誤差。焊縫尺寸如圖2 所示，建立的30CrMnSiNi2A 管材對(duì)接接頭的有限元模型如圖3所示（此次計(jì)算均不考慮焊縫中存在的裂紋、氣孔、夾雜等）。

圖2 焊接接頭及尺寸示意圖

圖3 30CrMnSiNi2A管材對(duì)接接頭有限元模型

由圖2可知，此次焊接接頭的區(qū)域總共分為5 個(gè)部分，即補(bǔ)焊焊縫、補(bǔ)焊熱影響區(qū)、原始焊縫、原始焊縫熱影響區(qū)和母材區(qū)域。微觀組織是影響焊接接頭性能的決定性因素，因此考慮焊縫及熱影響區(qū)隨補(bǔ)焊次數(shù)的的微觀組織演變，以研究補(bǔ)焊次數(shù)對(duì)管材疲勞性能的影響規(guī)律?；谝延醒a(bǔ)焊試驗(yàn)成果，原始焊縫打底焊層組織主要為板條馬氏體+鐵素體。補(bǔ)焊過(guò)程中，焊接熱輸入的增加直接導(dǎo)致其室溫組織粗大。隨著補(bǔ)焊次數(shù)的增加，晶粒逐漸粗化且組織演變?yōu)橐择R氏體為主，同時(shí)，鐵素體逐漸減少，降低了焊接接頭的力學(xué)性能，從而對(duì)接頭的疲勞性能產(chǎn)生不利影響。所有試樣均在補(bǔ)焊區(qū)發(fā)生斷裂，補(bǔ)焊區(qū)已成為整個(gè)試樣的薄弱區(qū)域[16-17]。由于本次補(bǔ)焊材料始終不變，并且焊接熱輸入只會(huì)對(duì)熱影響區(qū)的材料性能產(chǎn)生影響，因此在本次材料性能參數(shù)設(shè)定中，只需要對(duì)補(bǔ)焊熱影響區(qū)進(jìn)行改變即可，其余材料參數(shù)均不改變[18]。

隨后，根據(jù)結(jié)構(gòu)的不同分別對(duì)焊縫、母材和熱影響區(qū)進(jìn)行網(wǎng)格劃分，母材與焊縫選用六面體網(wǎng)格劃分，劃分精度為3 mm；熱影響區(qū)選用四面體網(wǎng)格，精度選用2 mm。網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖4 所示，共生成217 016 個(gè)節(jié)點(diǎn)、95 250 個(gè)單元。

圖4 有限元網(wǎng)格劃分結(jié)果

此次疲勞計(jì)算的載荷為拉應(yīng)力與壓應(yīng)力交變載荷，疲勞失效的位置往往都是應(yīng)力應(yīng)變集中處，所以對(duì)焊件的拉應(yīng)力與壓應(yīng)力分別進(jìn)行了分析，其靜力學(xué)分析示意圖如圖5所示，根據(jù)飛機(jī)起落架實(shí)際載荷情況，設(shè)置施加的載荷大小為1×106N。

圖5 靜力學(xué)分析示意圖

將結(jié)構(gòu)件的應(yīng)力、應(yīng)變計(jì)算結(jié)果耦合到疲勞分析軟件ANSYS nCodeDesignLife 中，然后利用軟件中自帶的施加載荷模塊對(duì)模型施加正弦交變載荷，載荷譜如圖6 所示，載荷大小1×106N，載荷頻率為1 Hz；最后讀入材料的S-N曲線，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)焊接件疲勞受損的計(jì)算，軟件計(jì)算界面如圖7所示。

圖6 施加疲勞載荷譜

圖7 疲勞計(jì)算界面

3 有限元計(jì)算結(jié)果分析

3.1 靜力學(xué)計(jì)算結(jié)果

圖8為拉力與壓力交變載荷下焊件的應(yīng)力應(yīng)變分布圖，由計(jì)算結(jié)果可知，當(dāng)焊件受到的軸向力為1×106N（應(yīng)力為367 MPa）時(shí)，補(bǔ)焊焊縫的熱影響區(qū)處與補(bǔ)焊焊縫的焊趾處均發(fā)生了較為明顯的應(yīng)力與應(yīng)變集中，其受到的應(yīng)力值為477 MPa左右，產(chǎn)生的應(yīng)變值為0.002 2 mm左右。

圖8 拉力與壓力交變載荷下焊件的應(yīng)力應(yīng)變分布圖

3.2 疲勞分析方法可靠性驗(yàn)證

為了驗(yàn)證此疲勞計(jì)算方法的可行性，建立了30CrMnSiNi2A 管材母材的標(biāo)準(zhǔn)疲勞試樣有限元模型并計(jì)算其疲勞性能，結(jié)果如圖9所示。

圖9 疲勞試樣計(jì)算結(jié)果

由圖9可知，疲勞受損位置為整體疲勞試樣的中間部分，與實(shí)際疲勞試驗(yàn)結(jié)果一致。模擬計(jì)算結(jié)果顯示，當(dāng)材料受到最大應(yīng)力分別為1 411 MPa、1 346 MPa、1 291 MPa、1 261 MPa、1 196 MPa時(shí)，對(duì)應(yīng)材料的疲勞壽命分別為24 460次、43 610次、61 820次、75 080次、148 500次。

圖10 所示為模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比，可以發(fā)現(xiàn)兩者吻合度較高，證明此焊接件疲勞計(jì)算方法具有較好的的可靠性。

圖10 試驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果對(duì)比

3.3 疲勞損傷結(jié)果分析

圖11為未補(bǔ)焊、補(bǔ)焊1次、補(bǔ)焊2次、補(bǔ)焊3 次、補(bǔ)焊4 次下的焊接接頭的疲勞損傷計(jì)算結(jié)果。從損傷圖中可以看出，在相同正弦波應(yīng)力加載下，整個(gè)焊件補(bǔ)焊焊縫熱影響區(qū)（未補(bǔ)焊為原始焊縫熱影響區(qū)）以及焊趾為損傷最嚴(yán)重的地方，這也正是靜力學(xué)分析中應(yīng)力與應(yīng)變集中的地方。

圖11 未補(bǔ)焊及補(bǔ)焊后焊接接頭疲勞損傷計(jì)算結(jié)果

計(jì)算結(jié)果顯示，在受到一次正弦波加載后，未補(bǔ)焊接頭的最大受損量為6.773×10-6（受損量達(dá)到1 以后發(fā)生失效），受損位置為原始焊縫熱影響區(qū)；在經(jīng)歷1次補(bǔ)焊之后，焊件的最大受損量為9.149×10-6，受損位置為補(bǔ)焊焊縫的焊趾部位；經(jīng)過(guò)2 次補(bǔ)焊后，焊接件最大受損量為36.9×10-6，受損位置為補(bǔ)焊熱影響區(qū)；3 次補(bǔ)焊焊接件的最大受損量為40.56×10-6，受損位置在補(bǔ)焊熱影響區(qū)；4 次補(bǔ)焊焊接件的最大受損量為151.1×10-6，受損位置在補(bǔ)焊熱影響區(qū)。圖12 所示為最大疲勞受損量與補(bǔ)焊次數(shù)的關(guān)系，可以看出在相同應(yīng)力加載下，隨著補(bǔ)焊次數(shù)的增加，焊件的受損程度逐漸變得嚴(yán)重。對(duì)補(bǔ)焊件而言，只有補(bǔ)焊1 次焊件的最初受損位置發(fā)生在焊趾處，補(bǔ)焊2～4次后焊件的最初受損位置均位于補(bǔ)焊熱影響區(qū)。

圖12 補(bǔ)焊次數(shù)與最大受損量的關(guān)系

3.4 疲勞壽命結(jié)果分析

為進(jìn)一步研究補(bǔ)焊對(duì)焊接件疲勞壽命的影響，計(jì)算了不同補(bǔ)焊次數(shù)下焊接接頭的疲勞壽命，結(jié)果如圖13所示。圖14 所示為補(bǔ)焊次數(shù)與循環(huán)次數(shù)的關(guān)系，由圖14 可知，隨著補(bǔ)焊次數(shù)的增加，疲勞壽命循環(huán)次數(shù)逐漸減少。

圖13 未補(bǔ)焊及補(bǔ)焊后接頭疲勞壽命計(jì)算結(jié)果

圖14 補(bǔ)焊次數(shù)與循環(huán)次數(shù)的關(guān)系

結(jié)合圖14，由圖13（a）可見(jiàn)，未補(bǔ)焊接頭熱影響區(qū)疲勞壽命最短，焊趾處次之。且焊趾、焊縫中心和母材加載的循環(huán)次數(shù)均超過(guò)107次，因此可以看作不會(huì)發(fā)生疲勞。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，未補(bǔ)焊焊縫的熱影響區(qū)受到約507 MPa 的最大應(yīng)力，并在進(jìn)行了約1 476 000 次循環(huán)后開(kāi)始出現(xiàn)失效區(qū)域。由圖13（b）可見(jiàn)，補(bǔ)焊1 次的焊縫熱影響區(qū)疲勞壽命最短，其次為補(bǔ)焊焊縫焊趾處與原始焊縫熱影響區(qū)。原始焊縫、焊縫中部和母材的加載次數(shù)均超過(guò)107次，因此可以看作不會(huì)發(fā)生疲勞。根據(jù)計(jì)算結(jié)果顯示，補(bǔ)焊一次焊件在進(jìn)行約1 093 000 次循環(huán)后，在焊趾處開(kāi)始出現(xiàn)失效區(qū)域，受到了約325 MPa 的最大應(yīng)力。由圖13（c）可見(jiàn)，補(bǔ)焊2 次焊縫的熱影響區(qū)處的疲勞壽命最短，其次為補(bǔ)焊焊縫的焊趾處。原始焊縫熱影響區(qū)、原始焊縫、焊縫中部和母材的加載循環(huán)次數(shù)均超過(guò)107次，因此可以看作不會(huì)發(fā)生疲勞。計(jì)算結(jié)果顯示，補(bǔ)焊2次的焊件在經(jīng)歷約271 000 次應(yīng)力循環(huán)后，補(bǔ)焊熱影響區(qū)開(kāi)始出現(xiàn)失效區(qū)域，受到約514 MPa 的最大應(yīng)力。

由圖13（d）可見(jiàn)，補(bǔ)焊3 次焊縫的熱影響區(qū)處的疲勞壽命最短。原始焊縫熱影響區(qū)、原始焊縫、焊縫中部和母材的加載循環(huán)次數(shù)均超過(guò)107次，因此可以看作不會(huì)發(fā)生疲勞。計(jì)算結(jié)果顯示，補(bǔ)焊3次的焊件在經(jīng)歷約24 660次應(yīng)力循環(huán)后開(kāi)始在補(bǔ)焊熱影響區(qū)出現(xiàn)失效區(qū)域，受到了約514 MPa 的最大應(yīng)力。由圖13 （e）可見(jiàn)，補(bǔ)焊4 次焊縫的熱影響區(qū)處疲勞壽命最短，其次為補(bǔ)焊焊縫的焊趾處。原始焊縫熱影響區(qū)、原始焊縫、焊縫中部和母材的加載循環(huán)次數(shù)均超過(guò)107次，因此可以看作不會(huì)發(fā)生疲勞。由計(jì)算結(jié)果顯示，補(bǔ)焊4 次的焊件在經(jīng)歷6 617 次左右應(yīng)力循環(huán)后開(kāi)始在補(bǔ)焊熱影響區(qū)出現(xiàn)失效區(qū)域，受到了約512 MPa 左右的最大應(yīng)力。

4 結(jié) 論

（1）通過(guò)建立30CrMnSiNi2A 管材的疲勞試樣模型，對(duì)其疲勞損傷及高周疲勞性能進(jìn)行了計(jì)算，計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合良好，表明所建模型及計(jì)算方法具有較高的可靠性。

（2）通過(guò)建立30CrMnSiNi2A 管材原始焊接件及補(bǔ)焊1～4次試件的模型，對(duì)其疲勞損傷位置進(jìn)行模擬計(jì)算，結(jié)果表明，補(bǔ)焊1次焊件疲勞失效起始位置位于焊趾處，其余焊件疲勞失效起始位置均位于補(bǔ)焊熱影響區(qū)，原因是此處容易產(chǎn)生應(yīng)力、應(yīng)變集中。

（3）通過(guò)建立30CrMnSiNi2A 管材原始焊接件及補(bǔ)焊1～4次試件的模型，對(duì)其高周疲勞壽命進(jìn)行了模擬計(jì)算，結(jié)果表明，隨著補(bǔ)焊次數(shù)增加，補(bǔ)焊熱影響區(qū)的力學(xué)性能下降，疲勞壽命逐漸降低。