含错位效应十字焊接接头疲劳可靠性评估_宋威.pdf

含错位效应十字焊接接头疲劳可靠性评估宋威1，满铮2，徐杰2，魏守盼3，崔慕春3，侍孝建3，刘雪松4(1.徐州工程学院,徐州,221111；2.中国矿业大学,徐州,221008；3.徐州徐工矿业机械有限公司,徐州,221000；4.哈尔滨工业大学先进焊接与连接国家重点实验室,哈尔滨,150001)摘要：探究缺陷效应对焊接件疲劳性能的影响是控制焊接质量的重要内容.文中引入焊接缺陷参数的影响，基于累计寿命-临界损伤建立含缺陷承载十字焊接接头疲劳可靠性分析模型.首先，根据结构件焊缝和缺陷参数以及载荷条件，建立有限元计算模型，并基于平均应变能密度方法(average strain energy density method，SED)和热点应力方法(hot spot method，HS)等评估方法探究各特征参数对疲劳性能的影响.其次，结合 BP 神经网络和 Miner 线性累计损伤准则建立可靠性分析模型，以概率统计相关参数为基础系统分析疲劳载荷和变异系数对于疲劳可靠性指标的影响.结果表明，位移和角错位及其概率分布参数显著影响焊件的疲劳寿命分布及可靠性概率，该可靠性模型为工程焊件的疲劳寿命设计及监测检修提供参考依据.创新点：(1)结合平均应变能密度理论，建立包含焊缝特征和混合缺陷等特征参数的可靠性分析模型.(2)基于概率统计理论，从缺陷分布和离散度各角度对疲劳损伤进行系统分析.关键词：焊接缺陷；错位缺陷；疲劳可靠性；局部分析方法中图分类号：TG441.7;TG405文献标识码：Adoi：10.12073/j.hjxb.202206290010序言承载十字焊接接头广泛用于交通运输、船舶工程、海洋平台等结构工程领域，在结构连接、承载、整体性方面具有明显优势.焊接区域组织结构的形成来源于热、力和冶金组织的综合作用，常是裂纹、咬边、错位等缺陷产生的重点区域，并在后续接头服役过程中成为影响接头承载能力和疲劳寿命的主要因素1.长裂纹及咬边在接头加工及质量检测中容易避免，而错位缺陷修复在焊接构件制造中较为困难，因此焊后成形的含错位缺陷结构疲劳性能评价尤为重要.焊接接头错位的种类分为两种，分别为位移错位及角错位，或两种错位缺陷并存.其在焊接疲劳评估标准中均有描述和分析，如 IIW2、Eurocode33、BS79104，此类标准中错位缺陷常以容差形式考虑在各类型焊件的评估方法和疲劳等级中.但在复杂焊接工艺和环境因素的影响下，焊接结构几何特征和缺陷参数的不确定性会显著影响构件损伤进程，对焊接结构的安全服役及可靠性提升带来挑战5.因此，结合不确定性量化含错位效应焊接接头结构的疲劳寿命和疲劳损伤具有重要意义.目前，针对焊接接头错位效应国内外已有相关分析.Ahola 等人6应用结构应力方法分析错位对于非承载焊接接头寿命的影响，同时分析了残余应力影响下的疲劳强度变化.Song 等人7基于局部应变能密度方法探究了十字焊接接头几何特征对于疲劳特征参量的影响.研究文献 8-9 表明，焊接几何特征是疲劳寿命的重要影响因素，错位缺陷会加剧焊接接头的局部峰值应力大小，进而增加循环载荷下局部位置的损伤程度.传统疲劳寿命分析常基于确定性参数进行分析，而忽略了几何、载荷及缺陷的随机特征，使得接头疲劳寿命预测的准确性较难判定，而基于疲劳可靠性分析的方法能够从概率角度确定结构安全及失效概率.常见的可靠性设计方法包括剩余强度模型、累计损伤模型、临界疲劳寿命模型，其将传统的单值疲劳失效问题进行概率描述，为针对接头局部几何随机特征对疲劳强度的影响评价提供了可行的途径.近期，Dong 等人10采用疲劳准则中参考的修正收稿日期：20220629基金项目：国家自然科学基金青年项目(52105403)；江苏省自然科学基金项目(BK20200174)；中国博士后基金面上项目(2021M0702753).第44卷第6期2 0 2 3 年 6 月焊 接 学 报TRANSACTIONS OF THE CHINA WELDING INSTITUTIONVol.44(6):20 26,34June 2023方法并基于蒙特卡洛和一次二阶矩方法对比探究了错位效应对对接焊结构件的疲劳可靠性影响，结果对比了焊接方法对于错位程度的影响，并说明了错位效应对于疲劳可靠性的影响.Qiu 等人11分析了薄 T 型板在各约束条件下初始变形和角错位程度对应力修正系数的影响，并基于 S-N 曲线和累积损伤理论分析了结构件几何特征影响下的疲劳可靠性问题，结果表明初始变形和角错位会显著降低疲劳可靠性.除上述经验公式和响应面法外，柯爽12基于BP 神经网络和 Fourier 正交基神经网络探究了涡轮轴材料参数和运行条件对于疲劳可靠性的影响，神经网络的非线性映射能力能够提升可靠性结果的准确性.然而，由于含错位效应疲劳试验数据的匮乏，基于疲劳可靠性理论在错位十字焊接接头的疲劳评定方面仍缺少系统性研究.1试验方法局部分析方法常基于 S-N 曲线进行焊接接头疲劳寿命评估，如等效结构应力、热点应力、有效缺口应力、平均应变能密度、峰值应力等方法，各方法具有相应的疲劳寿命评估曲线及强度准则1,13.本文基于局部应变能密度及热点应力法对结构应力分布特征及可靠度问题进行对比分析，针对位移、角错位效应对焊接接头疲劳寿命的影响进行定量评估.首先，确定不同错位水平下疲劳特征参数与缺陷参数数值关系，并基于试验数据探究其对疲劳强度的影响，其次，进行不同错位水平下的疲劳可靠性及损伤分析.该研究分析的整体流程如图 1所示.1.1试验及试样十 字 焊 接 接 头 试 验 试 样 采 用 船 用 907L(10.5 mm)和 D32(12 mm)高强钢等匹配焊接，如图 2 所示，承载板焊口开有间距为 2 mm 的 60坡口便于焊接，且板长和宽度分别为150 mm 和30 mm.由于焊接复杂因素的影响，焊缝区域出现不同类型的错位，如单一类型位移错位、角错位及混合类型错位.为进一步探究错位缺陷对于焊接头疲劳性能的影响，对所有接头样品进行尺寸扫描并获取焊接接头几何特征参数尺寸.测量参数内容如图 2 所示，主要包括特征参数：熔透率(P)、焊脚(Hi、Vi)、板厚(T)及缺陷参数：位移错位(a)和角错位(e)，其分别用于后续有限元模型的建立及疲劳强度和可靠性的系统评估.最后，应用 MTS-810 疲劳试验机进行高周疲劳实验，实验加载频率为 10 Hz，应力比 R=0.1，获取循环载荷及疲劳寿命等数据.13.7315.4315.5815.07150TViViHiHieP a12.6111.795.0313.0613.12 图2焊接接头尺寸及标注(mm)Fig.2Weldedjointsizeandmark 1.2有限元分析模型采用 Abaqus 软件建立焊接接头有限元分析模型，材料属性杨氏模量(E)和泊松比(v)分别设置为 210 MPa 和 0.3，截面属性为均质且各向同性.为更好地结合高周疲劳试验条件，边界条件为副板单轴水平拉伸，母板上下两端不受任何约束.如图 3为有限元分析模型网格划分细节，网格采用平面应变 4 节点缩减积分单元.用于平均应变能密度方法 试验分析概率统计有限元分析疲劳预测模型极限状态方程可靠性分析局部特征及边界条件热点应力/平均应变能Miner 线性累计损伤疲劳性能分析可靠性指标蒙特卡洛法疲劳寿命分布尺度参数疲劳载荷S-N 曲线 图1含错位效应焊接接头分析流程Fig.1Analysisprocessofmisalignedweldedjoint FR0YXO 图3含错位焊接头的二维有限元网格模型Fig.32D finite element model for misaligned weldedjoint第6期宋威，等：含错位效应十字焊接接头疲劳可靠性评估21分析的网格区域半径设置为 0.28 mm.为更好地探究局部特征尺寸对于缺口应力状态的影响，除试验获取的分析参量外，还加入了不同程度服役应力水平进行比较分析.结合各特征参数尺寸下大量的理想错位模型和试验参数模型，基于平均应变能密度及热点应力特征参量考察潜在失效区域焊趾处疲劳特征变化状态，并进一步评估焊接接头疲劳可靠性.1.3平均应变能密度方法平均应变能密度考虑裂纹尖端范围内场参量变化状态，其可以准确的表征几何特征对于局部应力状态的影响，是焊接接头及结构疲劳评估的有效方法.在线弹性条件下，其应变能密度可以表示为W(r,)=12E211+222+2332v(1111+1133+2233)+2(1+v)212(1)式中：i和 i为极坐标下的正应力和切应力，根据Williams 公式对于裂纹尖端应力分布状态的计算公式以及 Lazzarin 等人14对于缺口应力强度因子KiN的简化计算公式，即KNi=kint1i(2)W(R)式中：ki 为引入的无量纲参数；t 为板厚；i 是缺口张开角特征参数.半径为 R0的扇形区域内平均应变能可以表示为W(R)=e1E|KN1R110|2+e2E|KN2R120|2(3)式中：ei是泊松比和张开角的特征参数，简化计算参照文献 14.单轴拉伸试样裂纹失效过程受型应力强度因子影响较小，可以进一步将公式进行简化为W(R)=2nE|e1k21(tR0)2(11)|(4)1.4可靠性分析方法及流程选用 S-N 曲线作为该试样的疲劳寿命评估方法，疲劳应力(S)和疲劳寿命(N)呈线性对数关系，其表达式为lg(N)=lg(C)mlg(S)(5)式中：C 和 m 为材料特征常数；S 表示为裂纹或缺口尖端应力状态幅值.根据 Miner 线性累计损伤理论，即Df=fi=1niNi(6)总损伤 Df可以表示为 f 次应力幅值下的疲劳寿命 ni和相应总寿命 Ni之比总和，且每次疲劳寿命循环累计损伤等价.横幅载荷下焊件的损伤和临界寿命是可靠性设计的重要组成部分.取 50%概率 S-N 拟合曲线的疲劳特征参数 C，m 为疲劳损伤 Di的预测参数，Dcr为当前参数和载荷条件下全熔覆率(P=0)临界损伤值.该焊接头的疲劳极限状态方程可以表示为R=P(DfDcr 0)(7)几何特征和缺陷参数对局部参量影响复杂，简化拟合关系难以探究各参数和平均应变能间的隐性耦合关系.文中以公式(4)为基础，采用 BP 神经网络拟合无量纲参数 ki和各特征参数的隐性关系式，并引入疲劳标准推荐缺陷修正方法进行对比分析.随后，采用蒙特卡洛法 80 万次随机取值用于该模型的疲劳寿命可靠概率的求解计算，以保证疲劳可靠性的准确度.根据求解可靠概率 R，可靠性指标 可以表示为=1(R),R=Probx X|g(Df,X)0(8)式中，是标准正态分布函数.疲劳可靠性模型建立过程中，不确定性条件具体考虑了位移错位(e)，角错位(a)、板厚(T)，特征参数(C)和累计损伤(D)共五个参数的分布类型和变异系数.疲劳可靠性分析流程如图 4 所示.形状参数特征参数蒙特卡洛法BP 神经网络 G公式(4)(6)可靠概率 R=P(Df Dcr 0)可靠性指标 =1(R)PX(x=e,a,T)PX(x=C,D)Seiki2=P隐(PX(x),H,P)图4疲劳可靠性分析流程Fig.4Fatiguereliabilityanalysisprocess 2结果分析和讨论2.1含缺陷疲劳分析模型以角错位 a=3，位移错位不断增加的混合错22焊 接 学 报第44卷位条件下为例，如图 5 展示了不同评估方法下应力集中系数的变化情况.00.20.40.60.82.02.53.03.54.04.5km,axial+km,angularkm,axial+km,angular热点应力法应力集中系数 km应力集中系数 km错位程度 e/t 错位程度 e/t IIWFEMa=3km,mixkm,mix(a)热点应力法00.20.40.60.82468101214平均应变能a=3IIWFEM(b)平均应变能法 图5应力集中系数 km对比Fig.5Comparison of stress concentration factor.(a)Hot spot stress method;(b)