基于等效结构应力法的高强钢焊接结构低温主S-N曲线

现有的疲劳S-N曲线已不再适用于北极的低温环境,为了评估北极海洋工程设备材料的低温疲劳寿命,有必要建立金属结构尤其是焊接结构的低温疲劳S-N曲线。本文基于等效结构应力法,计算出Q690高强钢管环焊缝的主S-N曲线,并通过共振疲劳试验对该方法进行了验证。在此基础上,结合大量的高强钢焊接结构试验结果,将温度敏感因子c引入到低温疲劳主S-N曲线的推导中,首次建立了基于低温金属焊接结构的主S-N曲线,并对文献中的疲劳S-N试验数据和ASME中的修正方法进行了对比和验证。结果表明,等效结构应力法能够较准确地计算出焊缝疲劳S-N曲线,推导出的金属焊接结构低温主S-N曲线与试验曲线吻合较好,能够满足低温地区工程要求,可为高强钢焊接结构在北极地区低温环境中的广泛应用提供理论指导。该方法可以为金属焊接结构的低温疲劳研究节省大量的成本,减少非标准试验操作造成的不必要的误差。这对北极海洋工程设备的设计、安全运行和疲劳评估具有重要意义。

基于主S-N曲线法的板边焊接接头疲劳评估

基于主S-N曲线的常规计算流程在评估板边焊接接头时存在难以计算疲劳控制应力的问题,提出3种可能的计算方案并进行对比分析。方案I通过定义虚拟焊线计算焊趾结构应力,但由于焊趾区域应力梯度过大,导致应力值对网格尺寸非常敏感;方案II和III的计算结果具有网格不敏感特性,同时与疲劳试验数据吻合良好,证明适用性。基于方案II和III,对某型号机车底架板边接头的疲劳开裂问题进行分析。结果表明:方案III只利用焊趾附近2倍板厚范围内的网格进行计算,更适用于几何特征和应力状态复杂的工程结构。

基于主S-N曲线法的焊接结构虚拟疲劳试验理论与应用

讨论了焊接结构虚拟疲劳试验技术的必要性与可行性.围绕美国机械工程师协会ASME(2007)标准中公开发表的用于焊接结构疲劳寿命评估的一个新方法:主S-N曲线法,进行了理论探讨,并认为它是基于焊接结构疲劳破坏机理的,因而比基于名义应力的方法更适合被选择为焊接结构虚拟疲劳试验的核心算法.介绍了两个典型的工程应用案例.结果表明,在设计阶段,基于主S-N曲线的焊接结构虚拟疲劳试验技术,可以有效地识别复杂焊接结构上每一条焊缝上的应力集中,这对设计修改具有很好的指导意义.

焊接结构超高周疲劳主S-N曲线拟合及寿命预测方法

超声波疲劳试验是获得焊接接头超高周疲劳强度的实用方法.目前还没有有效方法能够预测和评估任意焊接接头形式的超声超高周疲劳寿命.文中提出了一种超声简谐共振条件下,评估焊接接头疲劳寿命的瞬态结构应力法,以及超声超高周疲劳主S-N曲线拟合方法.基于已公开的300个焊接接头试验数据,拟合了铝合金焊接接头20 kHz超高周主S-N曲线.通过共振模型瞬态仿真分析,后雨流计数获得响应等效结构应力谱,与超高周疲劳主S-N曲线预测焊接结构疲劳寿命.结果表明,结构应力集中系数不会因焊接接头受到振动或外载大小变化而改变;拟合的超高周疲劳主S-N曲线是一条新的m=16.5的窄带,将主S-N曲线法理论的适用范围拓展到了超高周区域,可用于任意接头形式的焊接结构件超声振动超高周疲劳寿命预测.

基于主S-N曲线法的地铁车体焊缝疲劳分析

建立了包括焊缝在内的某B型地铁铝合金车体的有限元模型,采用美国ASME标准中"网格不敏感的结构应力法及主S-N曲线法",对车体焊缝进行了有限元分析,分析计算了焊缝上的应力集中以及焊缝的疲劳寿命与损伤。计算结果表明,所有焊缝的疲劳寿命均达到了车体的设计寿命要求。

基于主S-N曲线法的车体疲劳寿命评估

为研究动车组车体疲劳强度是否符合设计要求,采用主S-N曲线法分别评估车体在EN12663标准中疲劳工况下的疲劳强度和在实测低频载荷谱下的疲劳强度,并将两种工况下的计算结果进行对比。结果表明:在两种工况下车体疲劳强度都符合设计要求;使用EN12663标准提供的工况计算出来的疲劳寿命值更小,按照标准进行设计是十分安全的。

焊接节点低温疲劳试验与低温主S-N曲线的构建

为了拓展主S-N曲线法,使之更好地适用于低温、极地环境下船舶与海洋工程结构物的疲劳评估,进行了EH36材料T型焊接接头的低温疲劳性能试验,收集了国内外多个焊接节点低温疲劳数据,建立了疲劳试验试件的有限元模型,运用等效结构应力法,计算焊接节点的等效结构应力,构建低温环境下焊接节点的主S-N曲线。使用该曲线,预测低温疲劳试验的寿命,并与疲劳试验结果、常温主S-N曲线、常温中值D曲线的预测结果进行了比较,结果表明,所提低温主S-N曲线预测方法具有较高精度,可用于低温环境下船舶与海洋结构物疲劳寿命的预测。

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.

基于主S-N曲线的带止裂槽焊接接头疲劳寿命预测及改进

以带止裂槽焊接接头为研究对象,提取可能发生疲劳失效的焊趾截面、焊喉截面和止裂槽截面的节点力,基于主S-N曲线法求解截面的等效结构应力,评估焊缝的疲劳寿命,并提出改进接头的建议。分析发现:止裂槽的存在会显著增加局部位置的应力,导致疲劳寿命明显降低。填充止裂槽并适当增大水平方向焊脚尺寸,可以提高该位置疲劳寿命10倍左右。

基于主S-N曲线法的T形接头疲劳评估和试验验证

以T形焊接接头为研究对象,将可能发生疲劳破坏的焊趾截面和焊喉截面的节点力转换为相对于中面焊线的等效节点力和弯矩,并利用平衡等效原理转化为线力和线弯矩,基于材料力学公式求出截面的结构应力,解决应力对网格尺寸敏感的难题。从焊缝疲劳破坏的机理出发,基于Paris断裂力学公式推导以等效结构应力为变量的一条主S-N曲线,评估焊缝的疲劳寿命。分析结果发现:采用主S-N曲线法评估的寿命与试验值最接近且破坏位置准确,该主S-N曲线法准确性较高。

基于主S-N曲线的装载机工作装置疲劳寿命评估

针对装载机在使用过程中焊接结构的疲劳开裂问题,文中在其设计阶段进行了疲劳寿命评估。首先,建立了工作装置中连杆网格尺寸为10,5,2.5 mm的有限元模型,对其进行静力学求解并提取其焊趾节点的结构应力,结果表明,在这3种网格尺寸下结构应力大小的相对误差不超过1%,验证了主S-N曲线法对网格尺寸不敏感的特性。此外,建立额定载质量9 t的装载机工作装置在台架试验姿态下含有焊缝细节特征的三维有限元模型,采用实测得到的疲劳试验加速加载谱进行加载计算,获得焊线L1~L8的结构应力,根据各焊线所受的载荷模式及所处位置的板厚等参数计算得到了工作装置焊线L1~L8的疲劳寿命,并与采用FE-SAFE软件计算得到的8条焊线疲劳寿命进行对比,二者分析结果均在焊线L2(动臂板与动臂油缸连接处焊缝)处首先发生疲劳破坏,疲劳寿命分别为12376.3和9597.6 h;通过与采用IIW和BS 7608标准计算的寿命进行对比,分析了结果差异的原因,评估结果对改进装载机工作装置结构与焊缝优化提供了依据。

基于主S-N曲线法的铁路货车车体虚拟台架试验

由于缺少心盘、旁承等车体载荷数据,货车车体疲劳仿真分析的载荷谱通常由近似车型的标准载荷谱进行换算,计算结果与车体实际寿命存在差异。为了能够获取车体实际线路运行时的载荷谱提高疲劳寿命的计算精度,引入虚拟车体疲劳试验台架,该虚拟试验台架能够使用实物台架线路模拟后的驱动载荷数据,保证仿真输入的准确性。完成虚拟试验计算后,提取计算后的车体心盘、旁承和车钩载荷数据,根据损伤等效原则构建成典型工况的载荷谱,将该载荷谱与主S-N曲线法相结合,进行车体焊缝部位的寿命计算。结果表明:通过虚拟车体台架试验间接获得载荷谱与主S-N曲线法结合进行疲劳评估,解决了车体载荷输入不准确、名义应力法网格敏感的问题,比传统的车体疲劳评估更符合实际。

基于主S-N曲线法的轨道车辆转向架构架焊缝疲劳分析

利用HyperMesh软件建立包括焊缝在内的某转向架焊接构架的实体有限元模型,采用美国ASME标准中《网格不敏感的结构应力法及主S-N曲线法》,分析计算构架焊缝上的应力集中和焊缝的疲劳损伤,实现了转向架焊接构架危险焊缝位置预测,并对危险焊缝采用焊趾改善技术,大幅降低了焊缝疲劳损伤,有效提高了其抗疲劳能力。

基于主S-N曲线法的搅拌摩擦焊接头疲劳性能分析

对壁厚4.0 mm的6005A-T6铝合金侧墙型材实施搅拌摩擦焊,分析焊后接头组织和疲劳性能,讨论了不同疲劳试验方案的可行性。采用等效结构应力计算法与Abaqus有限元分析相结合的方法,研究基于主S-N曲线法的铝合金型材搅拌摩擦焊接头疲劳性能,结果表明:设计L型卡具加载方案可行,试验夹具加载方式的不同对接头疲劳性能存在一定的影响;短螺栓L型卡具辅助弯曲疲劳试验可以很好地规避螺栓连接的影响,并且可实现预期的接头焊根位置开裂失效模式。对搭接接头在承受较为苛刻的载荷环境下,尤其焊根缺口位置出现较高应力集中时,疲劳寿命下降比较严重。经对疲劳试样断口分析,冷搭位置不具备连接强度。

ANSYS平台下主S-N曲线法的开发应用

主S-N曲线法是美国机械工程师协会提出的一种新的焊接结构疲劳寿命预测方法,区别于传统的名义应力法,基于断裂力学原理推导的结构应力更适用于疲劳寿命预测,文中以Tcl/tk脚本语言和APDL为开发工具,在ANSYS平台下创建汉化的主S-N曲线法疲劳计算模块,实现了该方法在ANSYS平台下应用推广,通过专业疲劳分析软件FE-Weld中T型焊接钢板的计算对比,证实了该应用具有很高的准确性和实用性。

基于Bootstrap法的轨道车辆镁合金主S-N曲线研究

在轨道车辆轻量化设计中采用镁合金可以达到显著减少车体质量、提高列车运行速度以及减轻运营能源消耗的优化目标。针对在小子样疲劳试验空间中,镁合金焊接结构各存活率下主S-N曲线获取较为困难的问题,首先提出结合Bootstrap自助法与等效结构应力法的疲劳评估方法。在此框架下,对不同板厚、材料、类型和应力比的镁合金焊接接头进行物理疲劳试验,并采用有限元仿真,进行试件接头焊趾处的等效结构应力数值模拟试验。其次,分别采用传统成组法和Bootstrap自助法拟合得出不同存活率下镁合金焊接结构疲劳寿命预测模型的统计参数。结果表明,Bootstrap自助法得到的镁合金疲劳试验样本拟合结果更趋于稳定,提高了镁合金疲劳寿命试验数据的拟合程度和样本数目较小时疲劳寿命预测的准确性。基于此方法得到并验证了镁合金焊接结构主S-N曲线的较精确回归模型。

基于虚拟激励算法与频域主S-N曲线法的转向架随机振动疲劳分析

针对转向架设计初期阶段,仿真计算随机激励下构架振动响应谱计算量大与名义应力法预测构架焊缝疲劳寿命具有离散性的问题,建立简化的地铁车辆有限元模型,将大质量数置入轮轨接触点,依据虚拟激励算法与大质量法理论,将轨道不平顺位移激励转化为力激励施加于大质量点,直接求解构架振动响应的绝对位移功率谱,分别基于频域名义应力法与频域主S-N曲线法对构架进行随机振动疲劳寿命预测。计算过程表明,虚拟激励算法能快速、准确地求解构架振动响应谱;计算结果表明,构架的沉浮、横移与扭转模态对其疲劳寿命有较大的影响。同时,频域主S-N曲线法预测的构架焊缝疲劳寿命结果具有更好的一致性与准确性,且还可有效地识别焊缝的应力集中现象。

基于主S-N曲线法的驱动桥寿命预测及优化

针对驱动桥主要焊缝失效形式,介绍了不同焊接结构疲劳耐久性预测方法,并对主S-N曲线法进行重点介绍与推导。基于主S-N曲线法对台架试验工况下的标准搭接试件进行疲劳计算,并对3种网格尺寸的标准搭接焊件有限元模型进行3种应力对比,验证了结构应力对于网格尺寸的不敏感特性,同时与试验结果对比,验证通过结构应力方法进行焊接结构耐久性预测的可行性。最后应用结构应力法对驱动桥典型焊缝进行疲劳寿命分析,同时提出了优化建议。

基于结构应力的海底管道悬跨段涡激振动的焊缝疲劳研究

针对涡激响应条件下海底悬跨管道传统焊接疲劳的局限性,本文根据实际海洋工况条件,建立全尺寸海底悬跨管道含焊缝的“Beam-shell”有限元耦合模型,并将网格不敏感的结构应力法与涡激振动理论模型相结合,对相关的疲劳寿命公式拓展,提出适用于含焊缝的悬跨管道涡激振动的疲劳评价模型,使其具有海洋工程特色。结果表明:涡激振动导致的焊缝疲劳不仅取决于流速引起的涡激振动主导区间,而且还与海流流速的分布概率密切相关。在该小流速主导的海域中,由于顺流向涡激振动启动流速较低,更易被激发多模态的涡激振动,反而较横流向涡激振动更危险;横流向涡激振动虽然更剧烈,但启动流速较高,小流速的海况很难激发其响应。另外,该涡激响应的焊接疲劳评价模型具有很好的网格不敏感性,且主S-N曲线不存在选取的主观性,其评价结果可靠。因此,在工程上,可结合该网格不敏感的疲劳评价模型,提高海底管道设计的安全性和可靠性。

地铁焊接构架虚拟动态疲劳试验方法研究

焊接构架的台架动态疲劳试验包含多种不同加载频率载荷的叠加,并涉及到载荷方向和加载位置的变化,结构的应力状态变化较为复杂。为了利用数值方法获得更为可靠的疲劳评估结果,文中提出了新的基于主S-N曲线方法虚拟动态疲劳试验方法。该方法首先根据疲劳载荷的实际加载历程,计算试验过程中各时间点构架真实的结构应力,并利用雨流计数方法得到关键位置的结构应力范围和循环次数;然后利用主S-N曲线和Miner准则计算接头疲劳损伤,并进而识别出结构的相对疲劳薄弱位置;最后以某型号地铁构架为计算对象,计算并分析了典型接头的结构应力历程及特点,得到关键焊缝的疲劳损伤。计算结果表明,主体疲劳试验条件下构架的最大损伤为0.62,位于抗侧滚扭杆座焊缝。