复杂载荷、极端环境下焊接结构疲劳寿命预测研究综述

焊接接头易出现缺陷和应力集中,在疲劳载荷作用下将成为疲劳裂纹萌生和扩展的薄弱区域。与均质材料相比,接头各区域微观组织及应力局部化使得焊接结构疲劳问题进一步复杂化。区别于理想实验条件,实际焊接结构服役环境复杂,疲劳寿命预测须考虑环境因素与焊接结构耦合特性。为此,对影响焊接结构的内在因素进行总结分析,从复杂载荷和极端服役环境两方面对现有焊接结构寿命预测模型进行综述,结合最新研究进展对改进焊接结构疲劳寿命评估方法提出建议。

基于Pavlou方法的焊接结构疲劳寿命预测

变幅载荷作用下的疲劳寿命预测一直是焊接结构完整性评估的重要内容.基于Pavlou提出的疲劳损伤区概念,采用BS7608标准中推荐的S-N曲线,运用有限元热传导分析技术,提出了一种焊接结构疲劳寿命的预测方法.针对承载型十字焊接接头、非承载型十字焊接接头和对接焊接接头,开展了二级变幅载荷谱块的拉伸疲劳试验,分别采用Miner模型、M-H模型和Pavlou方法估算了试件的疲劳寿命.结果表明,Pavlou方法的预测精度明显高于其它2种模型,预测寿命与试验寿命误差散射图中数据点的分布形态更加合理,验证了Pavlou方法的精确性和有效性.进一步讨论了焊接接头S-N曲线存活率对疲劳寿命预测精度的影响,提出2.3%存活率可以获得较为满意的预测结果.

基于模态叠加法的焊接结构疲劳寿命预测方法研究

针对焊接结构疲劳寿命预测,从动力学的角度提出了一种基于模态叠加法的动态结构应计算方法,并验证了其可行性与正确性,该方法以时变载荷作用下焊接结构的动平衡为基础,考虑结构自身振动加速度对用于评价焊缝疲劳寿命的结构应力的影响,实现了动态载荷下焊接结构的动态结构应力计算,有效地拓宽了主S-N曲线疲劳预测方法的应用领域。

车用薄板焊接结构疲劳寿命预测方法研究

薄板焊接结构的抗疲劳设计是轿车底盘结构件设计开发中的主要难题。文章通过焊缝有限元建模方法研究和大量的焊缝样件级物理试验研究,建立了求解稳定的焊缝局部建模规范和对应的薄板焊缝应力/寿命曲线,完善了薄板焊接结构疲劳预测方法。通过某轿车后桥、副车架两组台架试验结果的对比验证,验证了此预测方法的有效性,为轿车焊缝的抗疲劳设计打下了稳固的基础。

TBM刀盘筋板焊接结构疲劳寿命预测

为能够准确预测全断面隧道掘进机(TBM)刀盘筋板焊接区域的疲劳寿命,以疲劳累积损伤为理论基础,采用缺口应力法对焊接区域进行疲劳寿命研究。首先,在误差允许范围内对刀盘进行简化建模,简单分析刀盘工况,并编程简化获得外部激励载荷;其次,分析缺口应力法在刀盘焊接结构上的适应性,对刀盘整体进行瞬态动力学仿真确定危险区域为筋板位置,采用虚拟缺口半径法建立TBM刀盘筋板模型,从而更好地体现焊缝处的细节特征,随后进行子模型仿真分析,将结果中焊根处的应力作为疲劳评估的参考应力;最后,基于修正的S-N曲线结合修正的平均应力保守估算焊接结构的寿命。结果显示:1)采用缺口应力法可以精确预测刀盘的疲劳寿命,筋板的疲劳寿命在其焊根处最小N=2.326×10^(7),经计算刀盘掘进距离约为21.9 km时,焊缝处将率先发生疲劳破坏,所得计算结果与实际情况相近;2)TBM在掘进过程中刀盘焊接区域容易出现不同程度的疲劳损伤,导致TBM提前失去工作能力,造成工程上大量不必要的损失,研究刀盘焊接疲劳寿命对工程施工及结构改进具有重要的意义。

基于主S-N曲线法的焊接结构疲劳寿命预测系统开发和关键技术

根据ASME标准的计算公式,开发基于主S-N曲线法的焊接结构疲劳寿命预测软件,其核心是采用网格不敏感结构应力及一条主S-N曲线的方法计算焊接结构的疲劳寿命.系统开发选用面向对象的VC++语言和OpenGL开发库;采用模块化程序设计的思想将系统划分为有限元定义模块、焊缝定义及结构应力计算模块、载荷谱管理及雨流计数模块、主S-N数据管理及疲劳计算模块等4个核心模块;开发专用的接口程序和三维交互界面.该软件系统已在我国轨道交通制造行业中得到良好应用.以某货车车体关键焊缝疲劳寿命计算为典型实例,用软件系统进行车体疲劳寿命评估,计算结果表明该货车焊缝满足设计要求,同时也证明该软件系统的实用性和高效性.

浅议焊接结构疲劳寿命预测及抗疲劳措施

基于焊接结构疲劳破坏分析,从焊接接头形式与应力集中、焊接热影响区金属性能的变化及应力特征、焊接缺陷与环境介质等角度分析了焊接结构疲劳断裂的影响因素。结合已有的研究,从疲劳裂纹萌生机理与疲劳断裂过程的主要阶段分析了焊接结构疲劳失效的机理与过程,焊接结构疲劳失效的主要阶段包括初始疲劳裂纹在应力集中初的萌生、疲劳裂纹的亚临界或稳定扩展、疲劳裂纹的失稳扩展直至结构断裂三个阶段。基于断裂力学理论,介绍了焊接结构疲劳寿命评估方法,并从抗疲劳设计、控制焊接过程中产生的残余应力、焊接位置或母材的表面处理等角度介绍了常见的焊接结构抗疲劳措施。本研究对于焊接结构疲劳寿命研究及抗疲劳设计,具有一定的参考与借鉴意义。

发动机支架焊接结构疲劳寿命预测

以发动机消音器焊接支架为例,探讨发动机焊接结构的疲劳评估方法。采用惯性释放法和发动机多体动力学方法,以结构应力法为基础,根据焊根和焊趾的缺口系数计算焊接接头的缺口应力,建立基于准静态多通道疲劳分析法的焊接结构疲劳评估方法,并进行仿真和市场验证。结果表明,该方法在市场验证和跟踪中表现良好,可实现载荷输入、应力求解、焊缝识别和疲劳分析与评估的流程化作业,在产品设计初期预测焊接结构的疲劳寿命。

光伏发电板支架焊接结构疲劳寿命估计研究

光伏发电板支架焊接强度不足会导致支架焊接疲劳寿命短,焊接结构失效概率上升,为此,文中提出光伏发电板支架焊接结构疲劳寿命估计方法。考虑光伏发电板焊接厚度和局部过渡等因素,构建光伏发电板支架焊接结构模型。根据该模型确定焊趾为支架应力集中区,以支架焊趾为主获取光伏发电板支架焊趾疲劳应力分布,从中明确当前状态下发电板焊接结构疲劳应力状态,结合概率神经网络建立疲劳寿命估计模型,得到光伏发电板支架焊接结构疲劳寿命估计结果。试验结果表明:该方法能够确定精准的疲劳应力分布及疲劳寿命,该方法的疲劳寿命估计精度高。

基于BP神经网络的木芯复合材料结构疲劳寿命预测

以不同试验条件下木芯复合材料结构的三点弯曲疲劳试验和四点弯曲疲劳试验的疲劳试验数据为样本,构建载荷等级疲劳寿命(S N)曲线模型和BP神经网络模型,并对试件疲劳寿命进行预测,同时利用BP神经网络对木芯复合材料结构疲劳寿命影响因素进行权重分析。结果表明:指数函数模型、幂函数模型、BP神经网络模型均可有效实现对木芯复合材料结构的疲劳寿命预测,其中BP神经网络模型的预测精度最高;载荷等级、均质化格构腹板面积比、跨高比对疲劳寿命的影响权重依次降低,合理设置格构腹板是提高木芯复合材料结构疲劳寿命的有效方法之一。

基于模态结构应力法的焊接构架振动疲劳寿命研究

文章结合模态叠加法,提出了一种基于模态法的结构应力计算方法;然后基于刚柔耦合理论,建立了考虑构架柔性的刚柔耦合动力学模型,并利用虚拟激励法再现了转向架构架的真实服役环境,对服役条件下焊接构架的动态薄弱位置进行了识别,确定了焊接车架上的10个动态薄弱点,在连接侧梁外垂直板和下盖板的焊缝处观察到了最高的结构应力(均方根值为65 MPa)。最后,基于主S-N曲线法对焊接构架薄弱位置的服役寿命进行了预测。结果表明:随着曲线半径的增大,构架薄弱位置的损伤呈现出逐渐减小的规律;其损伤最大位置出现在侧梁外立板与抗侧滚扭杆座焊缝处,在1200万km的寿命要求下,其损伤为2.74,安全裕量较低。

电梯块式制动器热-结构耦合仿真及其热疲劳寿命预测

电梯紧急制动工况下,块式制动器制动轮与闸瓦在摩擦生热作用下使制动器强度减弱,最终导致制动器热疲劳失效,因此制动器热疲劳寿命受热-结构耦合特性影响。通过对电梯块式制动器热-结构耦合仿真,得到制动器温度场和应力场相互耦合,且两者分布不均匀;同时考虑在紧急制动工况下制动轮与闸瓦接触表面轴向、径向以及周向三向对应力场的影响,并获取制动轮与闸瓦接触区域的三向应力分布,根据制动器热-结构耦合仿真结果分析确定紧急制动时制动器易发生热疲劳部位。在紧急制动工况下,基于制动轮材料的S-N曲线采用Manson-Coffin公式,完成紧急制动工况下制动轮的热疲劳寿命预测,为电梯制动器的优化设计和维护提供依据。

基于卷积神经网络的焊接接头疲劳寿命预测

针对利用最小二乘法寻找应力-疲劳寿命曲线受制于特定加载条件与材料假设的问题,考虑影响疲劳寿命的不确定因素,提出一种基于卷积神经网络的疲劳寿命预测方法。测试结果表明,对于不同接头形式和材料类型的高低周疲劳寿命,卷积神经网络模型均能够进行有效预测,且其预测准确性和稳定性比反向传播(BackPropagation,BP)神经网络和最小二乘法方法更高。

焊接结构随机振动疲劳分析方法研究与应用

针对焊接结构在服役过程中承受的随机动载荷频率与结构固有模态频率接近时,接头可能发生疲劳破坏,使传统单轴静载疲劳分析方法不再适用的问题,提出评估焊接结构的多轴随机振动疲劳分析方法。该方法将时域激励信号转化为自谱和互谱,并结合模态分解与结构应力方法,得到包括结构正应力与剪应力的自谱和互谱,基于路径依赖的最大范围法原理得到等效结构应力的功率谱,最后通过Dirlik模型计算出结构损伤和振动疲劳寿命。以某高速货车为例进行疲劳寿命分析与改进校核,验证了该方法可进一步提升焊接结构疲劳寿命预测的时效性和准确性。

基于集成数据驱动方法的焊接接头疲劳寿命预测模型

文中基于集成数据驱动方法 (临界合成少数过采样技术、极端梯度提升算法、深度卷积神经网络)建立了一种新型疲劳寿命智能预测模型.其中,临界合成少数过采样技术用于疲劳性能数据库的数据增强,极端梯度提升算法实现疲劳寿命影响因素的权重分析,深度卷积神经网络作为模型框架用于理解疲劳寿命及其影响因素之间的多重非线性关系.根据不同技术组合的分析,发现权重分析和数据增强均有利于预测精度的提高,前者效果优于后者.并通过与其他新颖预测模型的对比,验证了所提出的方法的预测准确度和稳定性.

机车车体枕梁关键含缺陷结构疲劳寿命评估

为研究枕梁含缺陷结构服役安全问题,首先,基于有限元仿真对比不同尺寸下的底架枕梁结构刚度、挠度,根据最佳结构试验尺寸开展等效疲劳台架试验,获取焊缝关注点的应力分布状态及潜在裂纹位置,并验证枕梁结构与仿真模型的一致性;然后,基于BS 7910:2019标准中结构完整性评估方法,通过引入当量化裂纹缺陷获得结构临界失效状态,实现关键焊缝区域的寿命预测,同时结合断裂力学数值仿真方法,从仿真角度实现局部模型结构的裂纹扩展模拟,对含裂纹缺陷结构的损伤容限进行分析;最后,对比分析基于标准评估的理论方法与数值仿真方法结果的可靠性和差异性。研究结果表明:枕梁子模型结构台架试验与仿真模型的应力分布具有较好的一致性,枕梁结构薄弱区域集中在垂向减振器角焊缝位置,基于BS 7910:2019标准和数值仿真计算得到的减振器座角焊缝表面缺陷临界深度分别为6.50 mm和7.85 mm,对应疲劳载荷循环数分别为1.029×105和1.121×105次,两者评估结果具有较好的一致性。

基于健康监测的飞机结构寿命预测技术

飞机结构健康监测技术在飞机的结构设计、飞行及维护过程中发挥着重要作用,该技术可用于结构健康状况预判、辅助维修与维护决策。本文首先介绍了当前结构健康监测的概念及其适用范围,讨论了结构健康监测相关规范要求,以F-35和A400M为例分析了国外飞机结构健康监测技术的典型工程案例,并给出了典型飞机单机跟踪和寿命控制、某老龄飞机载荷谱实测及寿命预测,总结了基于裂纹的监测方法研究及限制其应用的主要因素。在此基础上,提出了飞机结构健康监测系统设计的主要思路,给出了寿命预计的基本流程,阐述了其中控制点选择、飞行参数筛选、载荷/应变方程构建、损伤计算及寿命评估、结果输出及方程验证等主要环节。最后,对航空领域未来开展结构健康监测智能化研究进行了展望。

TC4焊接接头多元竞争失效分析及寿命预测

针对TC4焊接接头多裂纹源竞争失效机制,提出一种超高周疲劳寿命预测方法。在应力比为-1以及应力幅值300 MPa下对接头开展超高周疲劳试验,以探究其超高周疲劳性能。通过扫描电镜对TC4焊接接头的疲劳断口观察可知,断口内部总计有三处裂纹起裂点,并在载荷持续作用下均得到了不同程度的扩展。进一步结合应力强度因子计算以及断口形貌,绘制断口内部的多元竞争机理图。分析表明,三处缺陷诱发的疲劳裂纹均在不同程度上降低了焊接接头的疲劳寿命,其中1号气孔诱发的裂纹在TC4焊接接头的失效过程中占据主导位置。基于竞争失效分析,构建了一种适用于多裂纹源疲劳失效的寿命预测方法,模型预测结果较好。

基于数据驱动的轨道车辆焊缝疲劳寿命预测

针对实际运行环境下轨道车辆受力情况复杂、寿命难以预测,而传统寿命预测方法耗时耗力的问题,文章提出了一种基于数据驱动的疲劳寿命预测方法。利用有限元仿真软件建立某地铁车辆三人位座椅的有限元模型,通过结构应力法计算得到座椅的一条关键焊缝在不同载荷下的多组疲劳寿命数据,并以此作为训练数据来训练模型,对座椅的关键焊缝进行试验验证。将使用结构应力法计算得到的疲劳寿命结果与文中所提方法预测的结果做对比,通过均方误差、百分比误差和决定系数三项评价指标对预测结果进行量化,最终结果显示,均方误差均在可接受范围内,百分比误差低至2.87%,决定系数均在0.9以上,表明该方法在轨道车辆焊缝疲劳寿命预测领域可行。

基于寿命包线的飞机典型搭接结构腐蚀疲劳寿命预测

针对飞机在腐蚀环境下服役的寿命预测问题,开展了某型飞机机身壁板搭接结构的腐蚀-疲劳交替试验。基于试验结果和飞机结构寿命包线理论体系,建立了该型飞机机身壁板搭接结构在不同服役地区、不同飞行强度下的寿命包线,并基于寿命包线对其剩余寿命进行了预测。通过开展验证试验,将试验结果与计算结果进行对比,发现预测误差为17.4%。说明结构寿命包线是飞机典型搭接结构寿命预测的有力工具,其预测结果是飞机服役过程中检修周期及寿命管理的一项重要参考依据。