[发明专利]一种基于耗散能考虑残余应力的焊缝超高周寿命预测方法

说明书

本发明公开了一种基于耗散能考虑焊接残余应力的焊缝超高周寿命预测方法，属于焊缝寿命预测领域。目的是为了解决高频载荷作用下考虑焊接残余应力变化特性而提高焊缝耗散能超高周疲劳寿命预测模型精度的问题。其原理是通过开展焊接接头试件残余应力数值模拟，得到焊缝有效残余应力，进行高频载荷作用下焊缝红外热像超高周疲劳试验，获取焊缝耗散能超高周疲劳寿命模型；再将焊缝有效残余应力作为平均应力，利用Gerber方法修正应力幅值，建立修正后应力幅值数学表达式，从而构建修正后耗散能超高周疲劳寿命模型进行焊缝寿命预测。该方法能够考虑焊接残余应力对疲劳损伤能量耗散行为的影响，提高预测模型的计算精度，且效率高。

技术领域

本发明涉及一种基于耗散能考虑残余应力的焊缝超高周寿命预测方法，属于焊缝疲劳寿命预测领域。

背景技术

焊接是机械结构常用连接方式，但是焊接过程中由于材料存在温度梯度而冷热不均匀，不可避免地产生残余应力。焊缝超高周疲劳试验的加载频率通常在100Hz以上，超声振动疲劳试验加载频率更是高达20000Hz，而这种高频激励会在疲劳试验过程中释放焊缝残余应力，从而造成焊缝超高周疲劳试验残余应力状态与实际物理状态不相符，影响到焊缝超高周疲劳寿命模型的计算精度。

随着机械结构服役条件的提高，诸如航空航天、海洋平台等装备要求关键零件具有超高周疲劳特性，科研学者逐渐关注机械结构的超高周疲劳问题。四川大学的李久楷发明了一种汽轮机转子超高周疲劳强度与疲劳寿命评估方法(公开号：106202630A)，根据转子构件的超高周疲劳S-N曲线获得转子构件服役期对应的疲劳强度，进而得到转子构件带负荷稳定运行的等效单向对称应力幅，确定转子构件的许用安全系数而进行转子构件超高周疲劳强度校核，计算转子构件安全疲劳寿命和超高周疲劳寿命损耗。佛山科学技术学院的聂宝华发明了一种基于损伤力学的高强金属材料变幅超高周疲劳寿命预测方法(公开号：108627406A)，基于超高周疲劳试验结果和损伤力学模型，提供一套高强金属材料变幅超高周疲劳寿命预测方法；采用超声疲劳试验快速获取高强金属材料超高周疲劳性能，试验频率为20kHz，完成10^9周次仅需要13.9小时；基于非线性损伤力学理论，引入变幅应力水平的损伤因子，建立材料变幅超高周疲劳寿命预测模型，定量预测变幅载荷下的超高周疲劳寿命。然而上述研究均没有涉及焊接残余应力对超高周疲劳损伤演化的影响。中国航空工业集团公司北京航空材料研究院的顾玉丽发明了一种模拟高温合金超高周疲劳损伤的方法(公开号：105067791A)，利用中子衍射方法测试高温合金漏斗形试样表面和亚表面残余应力绝对差值，得到循环周次与残余应力绝对差值的关系曲线；利用纳米压痕仪测试材料内部枝晶干与枝晶间的弹性模量绝对差值，得到循环周次与弹性模量绝对差值的关系曲线；利用电子背散射衍射分析材料的晶体变形情况，得到循环周次与小角度亚晶界的晶体变形的关系曲线。然而，该方法并没有建立考虑焊接残余应力的超高周疲劳寿命预测数学模型。因此，如何精确表征焊接残余应力对材料或结构超高周疲劳行为的影响，还有待进一步研究。

发明内容

为解决现有焊缝超高周疲劳寿命预测方法所存在的计算精度和效率偏低等问题，克服背景技术所述缺陷，本发明提供一种基于耗散能考虑残余应力的焊缝超高周寿命预测方法，本发明方法包括以下步骤：

(1)结合焊接热力学理论和双椭球体热源模型和焊缝材料热物理参数，建立焊缝残余应力数值模拟方法，得到焊缝有效残余应力，焊缝有效残余应力σ_r按式(1)进行计算：

σ_r＝k_tk_wk_lk_mσ_max (1)