焊接结构多轴疲劳寿命评估方法

技术领域

本发明涉及一种焊接疲劳结构分析方法，尤其涉及一种焊接结构多轴疲劳 寿命的评估方法。

背景技术

海洋平台焊接结构处于多轴疲劳损伤状态。一是焊接结构本身受到不同类 型载荷的联合作用；二是焊接部位复杂的几何外形，导致局部区域处于多向应 力状态。

目前，规范上主要基于单轴疲劳方法来评估海洋平台的疲劳寿命，是导致 疲劳断裂事故仍未得到完全控制的主要原因之一。国际上，虽然提出了多种多 轴疲劳寿命评估方法，但是到目前为止，还没有方法可以应用于实际复杂的海 洋平台焊接结构。

热点应力法已成为工程上最受欢迎的焊接结构疲劳寿命评估方法。从工程 应用角度来看，国际上最新的成果是基于热点应力法并结合修正沃勒曲线法 MWCM评估焊接接头的多轴疲劳寿命，但是该方法只能处理载荷类型和结构形 式都非常简单的焊接接头，其主要原因是利用结构表面应力插值获得的应力难 以处理实际海洋平台焊接结构焊趾处复杂且不断变化的应力状态。

发明内容

本发明针对以上问题的提出，而研制的一种焊接结构多轴疲劳寿命评估方 法，具有如下步骤：

—建立待测定焊接结构的有限元模型；在焊接结构处施加多种实验载荷， 求解得到焊趾端面沿板厚方向所有节点的结构应力张量[σ]；

—根据节点的结构应力张量[σ]计算节点对应的载荷比例系数R，进而确定 应力峰值临界点的位置；使用插值的方法得到所述应力峰值临界点的结构应力 张量[σ_CPSP]；

—根据应力峰值临界点的结构应力张量[σ_CPSP]计算得出疲劳寿命临界损伤 面的最大剪应力和正应力范围，应用联合多轴疲劳寿命预测方法MWCM进行多 轴疲劳寿命预测。

所述应力峰值临界点定义：

焊趾处切口应力σ(x)在板厚方向的分布分解为三部分：膜应力σ_m，弯曲应 力σ_b和非线性应力峰值σ_nlp；计算公式分别如下：

${\sigma }_m=\frac{1}{t}{\int }_0^t\sigma \left(x\right)\mathrm{dx}---\left(1\right)$

${\sigma }_b=\frac{6}{t^2}{\int }_0^t\sigma \left(x\right)(\frac{t}{2}-x)\mathrm{dx}---\left(2\right)$

${\sigma }_{\mathrm{nlp}}=\sigma \left(x\right)-{\sigma }_m-(\frac{2x}{t}-1){\sigma }_b---\left(3\right)$

当非线性应力峰值沿着板厚方向衰减为零时，该点的切口只包含所述的膜 应力和弯曲应力，该点即为所述的应力峰值临界点。

在应力峰值临界点处焊趾处切口应力σ(x)与外加载荷的关系如下：

$R=\frac{{\sigma }_m}{{\sigma }_m+{\sigma }_b}---\left(4\right)$

所述步骤“—根据节点的结构应力张量[σ]计算节点对应的载荷比例系数R， 进而确定应力峰值临界点的位置；”采用临界点拟合公式计算临界点的位置：

式中，x_CPSP为临界点到板表面的距离，a＝0.06833,b＝0.06374；根据该临界点 周边节点的结构应力张量，使用插值的方法计算得出临界点的结构应力张量 [σ_CPSP]。

所述建立待测定焊接结构的有限元模型步骤中：在焊趾位置进行局部网格 细化。

所述联合多轴疲劳寿命预测方法为修正沃勒曲线法。

由于采用了上述技术方案，本发明提供的焊接结构多轴疲劳寿命评估方法， 实现了海洋平台焊接结构从单轴疲劳寿命评估到多轴疲劳寿命评估的跨越，对 提高海洋平台焊接结构疲劳寿命评估精度具有重要的理论意义和工程应用价 值。其优越性具体体现在以下四个方面：1本发明方法不需要考虑海洋平台焊 接结构的焊趾形状及尺寸大小，继承了传统热点应力法的优点，便于应用于工 程实际；2本发明方法从临界点位置直接提取结构应力作为评估应力，比传统 热点应力法的插值取法具有更明确的物理意义；3本发明方法能够考虑厚度效 应对疲劳寿命的影响，通过对疲劳试验数据的计算分析，证明比传统热点应力 法具有更高的精度；4传统的热点应力法是通过表面插值计算焊趾处的应力状 态，不能计算复杂焊接结构的应力状态，因此无法应用于工程实际。而本发明 方法通过有限元计算，可以直接在临界点处提取多轴应力状态，能够应用于实 际复杂的海洋平台焊接结构。

附图说明

为了更清楚的说明本发明的实施例或现有技术的技术方案，下面将对实施 例或现有技术描述中所需要使用的附图做一简单地介绍，显而易见地，下面描 述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不 付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的流程图

图2为本发明实施例1的焊接结构示意图：图中具有经过热点A的纵截面 ABEF和横截面ABCD；

图3为图2中纵截面ABEF上正应力分解；

图4为图2中横截面ABCD上剪应力分解；

图5为本发明实施例1中采用的焊接模型几何尺寸示意图；

图6为发明方法的多轴疲劳寿命预测精度对比示意图；

具体实施方式

为使本发明的实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合本发明 实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚完整的描述：

如图1所示：主要包括如下步骤：一种焊接结构多轴疲劳寿命评估方法， 具有如下步骤：

首先建立待测定焊接结构的有限元模型，在焊趾位置进行局部细化，在本 发明的实施例中焊趾细化网格尺寸为0.1t×0.1t，其余位置粗网格尺寸0.5t×0.5t。

在焊接结构处施加多种实验载荷，根据试验数据对所建立的有限元模型施 加相应的疲劳载荷：纯弯曲、纯扭转、同相加载、非比例加载，具体载荷见附 表1：

其中，非比例加载的相位差是90°。非比例载荷加载时采用正弦函数加载， 将一个循环周期内的载荷离散为36个载荷工况（间隔10°）。

提取焊趾端面沿板厚方向所有节点的结构应力张量[σ]：

$\left[\sigma \right]=\left(\begin{array}{ccc}{\sigma }_x& {\tau }_{\mathrm{xy}}& {\tau }_{\mathrm{xz}}\\ {\tau }_{\mathrm{xy}}& {\sigma }_y& {\tau }_{\mathrm{yz}}\\ {\tau }_{\mathrm{xz}}& {\tau }_{\mathrm{yz}}& {\sigma }_z\end{array}\right)$

应用膜应力和弯曲应力计算公式，计算对应的载荷比例系数R，然后代入本 发明方法通过大量有限元分析计算得到的临界点拟合公式（所述公式5），确定 临界点位置以及相应的临界点结构应力。

在确定临界点位置后，使用插值的方法得到临界点的结构应力张量[σ_CPSP]

$\left[{\sigma }_{\mathrm{CPSP}}\right]=\left(\begin{array}{ccc}{\sigma }_x& {\tau }_{\mathrm{xy}}& {\tau }_{\mathrm{xz}}\\ {\tau }_{\mathrm{xy}}& {\sigma }_y& {\tau }_{\mathrm{yz}}\\ {\tau }_{\mathrm{xz}}& {\tau }_{\mathrm{yz}}& {\sigma }_z\end{array}\right).$

根据临界点位置的结构应力张量计算疲劳临界损伤平面——最大剪应力 面。

对于给定应力峰值临界点x_CPSP，x₁≤x_CPSP≤x₂，在节点的结构应力张量[σ]中 分别对应[σ₁]、[σ_CPSP]、[σ₂]，使用线性插值的方法计算[σ_CPSP]，插值公式如下：

${\sigma }_{\mathrm{CPSP}}]=[{\sigma }_2]+\left(\right[{\sigma }_2]-[{\sigma }_1\left]\right)·\frac{x_2-x_{\mathrm{CPSP}}}{x_1-x_2}$

式中，x₁和x₂为所述的应力峰值临界点x_cpsp在板厚度方向的两个相邻节点 与板上表面的距离，[σ_CPSP]即为应力峰值临界点的结构应力张量。

本发明所采用的修正沃勒曲线法MWCM（modifiedcurve method）， 认为对于焊接结构复杂应力状态可以用最大剪应力范围Δτ与疲劳临界面上的法 向正应力范围Δσ_n的比值来评估，因此使用MWCM进行多轴疲劳寿命预测则必 须计算疲劳临界损伤平面以确定最大剪应力范围Δτ与疲劳临界面上的法向正应 力范围Δσ_n。

在本实施例中，采用如图5所示的焊接模型：以1°为间隔，遍历经过临界 点的任意空间平面共361×181＝65341个平面，计算每个空间平面经历一个加载循 环后的最大剪应力范围Δτ及相应的正应力范围Δσ_n，然后比较所有平面，得到最 大剪应力范围所在的平面，即疲劳临界损伤平面。确定最终最大剪应力范围Δτ及 相应的正应力范围Δσ_n。

选用国际公开发表的实验数据（Yousefi F,Witt M,Zenner H.Fatigue strength  of welded joints under multiaxial loading:experiments and calculations,2001）对本方 法进行验证。

本发明采用修正沃勒曲线法MWCM（modifiedcurve method）进行验 证：

该方法由Luca Susmel提出，认为对于焊接结构复杂应力状态可以用最大剪 应力范围Δτ与疲劳临界面上的法向正应力范围Δσ_n的比值来评估，如下式所示：

${\rho }_{\omega }=\frac{{\mathrm{\Delta \sigma }}_n}{\mathrm{\Delta \tau }}---\left(6\right)$

（6）式中：ρ_ω为应力状态；具体而言，在给定循环寿命N_A下，MWCM定义焊接结 构的多轴疲劳循环次数，如下式所示：预测寿命N_f为：

$N_f=N_A·{\left[\frac{\Delta {\tau }_{A,\mathrm{Ref}}\left({\rho }_{\omega }\right)}{\mathrm{\Delta \tau }}\right]}^{k_{\tau }\left({\rho }_{\omega }\right)}---\left(7\right)$

式中，反向斜率k_τ(ρ_ω)和参考剪应力幅值Δτ_A,Ref(ρ_w)由下式确定。

$\left(\begin{array}{cc}{k}_{\tau }\left({\rho }_{\omega }\right)=a{\rho }_{\omega }+b& 0\le {\rho }_{\omega }\le {\rho }_{\omega ,\lim }\\ k_{\tau }\left({\rho }_{\omega }\right)=k_{\tau }\left({\rho }_{\omega ,\lim }\right)& {\rho }_{\omega }>{\rho }_{\omega ,\lim }\end{array}\right)---\left(8\right)$

$\left(\begin{array}{cc}{\mathrm{\Delta \tau }}_{A,\mathrm{Ref}}\left({\rho }_{\omega }\right)=\alpha {\rho }_{\omega }+\beta & 0\le {\rho }_{\omega }\le {\rho }_{\omega ,\lim }\\ {\mathrm{\Delta \tau }}_{A,\mathrm{Ref}}\left({\rho }_{\omega }\right)={\mathrm{\Delta \tau }}_{A,\mathrm{Ref}}\left({\rho }_{\omega ,\lim }\right)& {\rho }_{\omega }>{\rho }_{\omega ,\lim }\end{array}\right)---\left(9\right)$

MWCM方法的优点是可以与各种疲劳强度计算方法联合，如名义应力法、 热点应力法及切口应力法。其中热点应力法的MWCM控制方程是根据标准疲劳 曲线FAT90（单轴拉压曲线）和FAT100（纯扭转曲线）计算得到，在假定失效 寿命N_A＝2×10⁶，FAT90标准差为0.25（IIW建议），生存概率为50%时，其控制 方程为：

$\left(\begin{array}{cc}{k}_{\tau }\left({\rho }_{\omega }\right)=-2{\rho }_{\omega }+5& 0\le {\rho }_{\omega }\le 1\\ k_{\tau }\left({\rho }_{\omega }\right)=3& {\rho }_{\omega }>1\end{array}\right)---\left(10\right)$

$\left(\begin{array}{cc}{\mathrm{\Delta \tau }}_{A,\mathrm{Ref}}\left({\rho }_{\omega }\right)=-83{\rho }_{\omega }+149& 0\le {\rho }_{\omega }\le 1.4\\ {\mathrm{\Delta \tau }}_{A.\mathrm{Ref}}\left({\rho }_{\omega }\right)=32.8& {\rho }_{\omega }>1.4\end{array}\right)---\left(11\right)$

确定最终最大剪应力范围Δτ及相应的正应力范围Δσ_n后，根据公式（6）计 算得出代入控制方程（10）和（11）中，通过公式（7）即可得到预 测寿命N_f。

在双对数坐标系下，以横轴为预测寿命N_f,e、纵轴为真实试验寿命N_f，做 精度验证图，并将校准曲线FAT90和FAT100的预测分布带在附图6中画出。

附图6可以看出应用本发明方法得到的寿命预测结果基本落于单轴疲劳寿 命预测分布带内部，可知本发明方法可以成功与修正沃勒曲线法MWCM联合进 行多轴疲劳寿命预测，并且可以得到满意的预测结果。

附表1

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局 限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本 发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护 范围之内。