[发明专利]用于焊接结构的统一疲劳寿命评估方法

说明书

由于由焊接过程和连接过程所引入的几何不连续性，因此应力或应变会由于连接位置处的应力或应变奇异性而无法使用现代分析和计算机方法可靠地计算，接头位置处的应力或应变奇异性会导致严重的网格敏感性。这些结构的设计和疲劳评估仍然是经验性的。本公开通过对传统有限元计算结果进行新颖的后处理、通过切割平面牵引应力方法解决了焊接结构的应力/应变计算的网格不敏感性，以及为经受成比例或非比例的多轴疲劳载荷的低循环疲劳状态和高循环疲劳状态下的疲劳设计和结构寿命评估提供了统一的疲劳评估程序，以及提供了用于处理点焊缝的简单且可靠的方法。

相关申请的交叉引用

本申请要求于2018年8月6日提交的美国实用新型申请No.16/055485的优先权，并且还要求于2017年8月18日提交的美国临时申请No.62/547,343的权益。以上申请的全部公开内容通过参引并入本文。

技术领域

本公开涉及用于焊接接头和其他结构的统一疲劳寿命评估方法。

背景技术

经受时变载荷的工程结构易于疲劳损伤和失效。这些工程结构包括汽车、土方工程设备、压力容器和管道、飞行器、船和近海结构等。在这些结构的构造中，焊接是主要的制造过程。由于由焊接过程和连接过程所引入的几何不连续性，因此应力或应变会由于连接位置处的应力或应变奇异性而无法使用现代分析和计算机方法进行可靠地计算。到目前为止，这些结构的设计和疲劳评估仍然是经验性的。本公开不仅通过传统的有限元计算结果的新颖的后处理、通过切割平面牵引应力方法解决了用于焊接结构的应力/应变计算的网格不敏感性，而且通过积分处理为结构的疲劳设计和结构寿命评估提供了统一的疲劳评估程序。

本部分提供与本公开有关的背景信息，其不一定是现有技术。

发明内容

本部分提供本公开的总体概述，而不是其全部范围或所有特征的全面公开。

提出了用于估计焊接结构在载荷下的疲劳的统一方法。该方法包括：生成用于给定结构的有限元模型；使用有限元模型并且在给定结构处于给定载荷下时计算给定结构内的结构应力的分布，其中，应力的分布是相对于与给定结构相交的平面确定的；确定应力是否超过构成给定结构的材料的屈服强度；响应于确定应力小于材料的屈服强度而使用胡克定律计算给定结构内所经历的结构应变的分布；响应于确定应力超过材料的屈服强度而使用分析方法来计算给定结构内所经历的结构应变的分布，其中，结构应变的分布部分地根据计算出的结构应力的分布来计算，并且结构应力的分布是相对于平面通过至少两个闭式表达式来限定的，所述至少两个闭式表达式考虑了超过材料的屈服强度的应力；以及使用主E-N曲线使用计算出的结构应变的分布来计算给定结构在被置于给定载荷下时的疲劳寿命。

在一个实施方式中，对给定结构的焊缝类型进行识别，并且根据所识别的焊缝类型来计算应力的分布。

对于线型焊缝而言，通过根据有限元模型中的有限元节点和贡献节点力的单元识别焊线位置来计算给定结构内的结构应力的分布；将节点力和节点力矩分别转换为线力和线力矩；以及通过将线力除以板厚度以及将线力矩除以截面模量来计算沿着焊线的在每个节点位置处的结构应力。

对于点型焊缝而言，通过将点焊缝建模为联接在两个或更多个板之间的梁来计算给定结构内的结构应力的分布；限定封装点焊缝的正方形区域；从有限元模型中提取关于正方形区域边缘的节点力和节点力矩；以及使用叠加方法根据计算出的节点力和节点力矩来计算点焊缝的结构应力。

在一些实施方式中，确定给定结构是否经受非比例多轴载荷条件。当果给定结构没有经受非比例多轴载荷条件时，使用雨流循环计数来计算结构应变范围。另一方面，当给定结构经受非比例多轴载荷条件时，根据非比例损伤参数来计算结构应变范围，该非比例损伤参数考虑了法向剪切应力与平面内剪切应力之间的非比例载荷效应。例如，通过以分段线性形式表示非比例载荷路径来计算结构应变范围；通过将分段线性形式的每个线性区段的力矩相对于参考载荷路径进行数值积分来估算非比例损伤参数；以及根据非比例损伤参数来计算结构应变范围。