基于宏观损伤力学的焊接试件疲劳寿命评估.pdf

四川建筑第4 3卷第4 期工程结构基于宏观损伤力学的焊接试件疲劳寿命评估杨景明（甘肃公航旅城市建设发展有限公司，甘肃兰州7 30 0 0 0）【摘要】随着我国桥梁建造技术的快速发展，焊接连接在钢结构桥梁中得到了广泛应用，然而焊接过程不可避免地引入初始微缺陷和不均匀初始应力场，使得焊接结构的疲劳失效问题较于结构母材更为复杂。为了准确分析焊接结构的疲劳损伤问题，对其疲劳寿命进行有效评估，采用损伤力学的方法对典型的焊接接头试件进行了疲劳损伤分析研究。通过在广义宏观损伤力学的基础上，引入材料细观尺度本构模型，对钢桥中常见的焊接接头疲劳寿命进行评估。结果表明：对多组不同载荷下的焊接接头试件疲劳寿命进行预测，预测的疲劳寿命与试验值相比均没有超出试验值的3倍标准差范围，说明可以采用引入细观尺度材料本构模型的宏观损伤力学方法对焊接结构的疲劳寿命进行有效评估。【关键词】宏观损伤力学；细观尺度材料本构；耦合分析；寿命评估【中图分类号】TU311.20引言疲劳问题一直是钢结构桥梁发生破坏的主要原因之一，结构疲劳抗力的准确评估对于钢桥的正常使用和安全服役具有重要意义。钢结构桥梁在焊接过程中会不可避免地引人初始微缺陷和不均匀初始应力场，使得焊接结构的疲劳失效问题较于结构母材更为复杂。目前基于S-N曲线和Miner准则的线性累积损伤理论和基于Paris的疲劳裂纹扩展理论的断裂力学方法以及损伤力学的评估方法在钢结构桥梁的疲劳寿命或疲劳抗力评估中得到了广泛应用；相较于前2 种以弹塑性本构理论为基础的评估方法，损伤力学评估方法可以真实反映结构非线性损伤累积的特性，通过将疲劳裂纹的萌生阶段和疲劳裂纹的扩展阶段统一起来，实现了结构疲劳损伤致结构破坏的全过程分析。刘潇然以航天器结构中常见的典型疲劳构件为研究对象，针对传统疲劳寿命评估方法估算精度低、评估结果的安全可靠性难以有效把握等问题，通过建立非嵌入多项式混沌展开和贝叶斯概率预测模型获取参数概率特性，在宏观损伤力学的基础之上建立了非确定性疲劳寿命评估方法一概率疲劳寿命预测方法，实现了多重随机载荷作用下细观尺度应力应变场的准确分析以及结构疲劳损伤的非线性连续累积。谢阶栋 2 以弹性力学基本理论和宏观损伤力学基本原理为出发点，验证了接触应力区的交变切应力是导致滚动轴承发生疲劳损伤的主要原因这一重要结论，并推导得到了滚动轴承耦合接触疲劳损伤模型；基于此，分析研究了多种因素对滚动轴承疲劳寿命的差异化影响。李浩然 3基于不可逆热力学基本定律和宏观连续介质损伤唯象分析理论，推导得到高周疲劳损伤演化模型从单轴加载荷载工况到多轴加载荷载工况的基本约束条件；为了考虑非比例加载对材料疲劳寿命的影响，引入了修改微塑性循环系数法，进而建立了计入非比例加载附加强化效应的多轴、高周疲劳损伤演化模型的增量表达式。宋松【4 基于连续介质损伤力学【文献标志码】A（C D M）和热力学方程基本原理，分析建立了描述航天器结构在高低周复合载荷交互作用下发生疲劳失效问题的高低周复合疲劳损伤演化分析模型及其增量表达式，选取混合硬化模型来反映材料的弹塑性损伤力学行为，通过在高低周复合疲劳损伤演化分析模型中考虑材料混合硬化效应，对典型钛合金材料Ti-6Al-4V的疲劳损伤寿命进行了有效评估。本文通过在广义宏观损伤力学的基础上，引人材料细观尺度本构模型,对钢桥中常见的焊接接头试件疲劳寿命进行了评估。1损伤力学理论1.1 损伤变量Lemaitre损伤力学理论以代表性体元为研究对象，将代表性体元的有效承载面积3表示为式(1）5 。3=S-SD式中：S为表观面积；Sp为缺陷面积。考虑裂纹闭合效应后，有效承载面积S可以表示为式（2）。S=S-hS,=S(1-hD)式中:h为与材料相关的闭合参数，一般取h=0.2;D为损伤变量。对于各向同性损伤而言，结合应变等价原理，损伤变量D可以定义为式(3 6 )。SD=S-SD=1：SS式中：E为发生损伤后的弹性模量；E为初始状态下的弹性模量。1.2演化模型根据Lemaitre损伤演化模型，细观尺度代表性体元的失定稿日期 2 0 2 2 -10-11作者简介 杨景明（1996 一），男，硕士，助理工程师，研究方向为公路与桥梁工程。167(1)(2)E(3)E工程结构效寿命NR可以表示为式（4)7 。NR=4DC(Ag/2-0%)1-(1-D.)2*2su(SpR-pD)2(2s+1)D,Ae(Ag2/2)式中：8 p为塑性应变门槛值；C,为运动硬化参数，C，=（，）;为名义极限应力；,为宏观屈服应力；8pu为塑性应变极限值；为渐进疲劳极限；A为应力幅值；D。为损伤阈值；8 pR为材料静力拉伸断裂时颈缩处的局部累积塑性应变；n3G(1-),G为剪切模量，为Eshel-by系数,=2(4-5v)15(1-v),v 为泊松比；m为材料损伤阈值指数，s为材料损伤累积指数（通过材性试验拟合得到)；A为细观尺度塑性应力增量，为细观尺度塑性应变增量，可以表示为式（5）。Ag-2g_ Ag2-20C,(1-D)考虑裂纹闭合效应的影响，每个循环内的损伤增量可以表示为式(6)。SD(Ag2/2)2(2ES。(1-D)式中：N为循环次数；S。为能量损伤参数，表示为式(7)。S。=2E/D/(8pR-8D)2损伤演化参数确定前述Lemaitre损伤演化模型中描述的结构或构件疲劳寿命评估方法，相关参数中除m和s外,其他均为材料常数，此处通过选取文献 8 中的不等厚对接焊缝试件疲劳试验数据，对疲劳损伤演化模型中的材料损伤演化相关参数m和s进行拟合（表1、图1）。疲劳损伤演化模型中与材料损伤相关的参数m和s的具体拟合方法为：选择一组除加载水平存在差异外，其他初始条件及加工方式均一致的疲劳试验试件，在一定加载水平范围内抽取若干有效的疲劳试验数据点，每组加载水平下都有一个真实疲劳寿命nr与之对应;由Lemaitre 损伤演化模型可知，细观尺度代表性体元的失效寿命N可表示为式(8)。(8)通过调整式(8)中参数m和s的取值，使得分析得到的不同加载水平下疲劳试验试件的计算疲劳失效寿命N尽量与真实疲劳寿命n接近，由式(9)可以拟合得到材料损伤演化相关参数m和s的最优值：eminn=minZ（(NR i-n R i)/n R i)i1=min(fi(m,s)-nRi)/nRi)式中：k为选取的试验数据点个数。本文通过在ABAQUS有限元分析软件中，建立从文献168四川建筑第4 3卷第4 期表1参数拟合选取的疲劳试验数据1(o.-or)(Ag2/2)2APZ2ES。(1-h D)NR=f(m,s)试件编号01-1(4)01-201-301-401-501-6图1不等厚对接焊缝试件有限元模型8 中选择的不等厚对接焊缝试件实体单元有限元计算模型(5)（单元类型为C3D8），对其在不同载荷水平下的应力应变场进行分析。材料常数与文献 8 中保持一致（钢材弹性模量为2 0 6 GPa，密度取为7 8 5 0 kg/m，泊松比为0.3），约束设置情况为：将焊接试件的夹持部位一端固定，在夹持部位的另一端施加与试验载荷水平相对应的应力幅值，在有限元模型(6)中分析得到不同载荷水平下不等厚对接焊缝试件的应力应变场。以文献 8 中选取的不等厚对接焊缝试件的疲劳试验结果为基础，结合分析得到的有限元模型在不同载荷水平下的应力应变场，由公式(9)拟合得到m和s的最优取值分别(7)为 1.0 5 和 0.96。3裂纹疲劳寿命研究从文献 9 中选取多组对接焊缝试件的疲劳试验数据作为研究对象，建立ABAQUS实体单元有限元模型（单元类型为C3D8）,材料常数与文献 9 中保持一致（钢材弹性模量为2 0 6 GPa，密度取为7 8 5 0 kg/m，泊松比为0.3），约束设置情况为：将焊接试件的夹持部位一端固定，在夹持部位的另一端施加与试验载荷水平相对应的应力幅值，计算得到有限元模型在不同载荷水平下的应力应变场。完成文献 9 中各个荷载工况下多组对接焊缝试件应力应变场的计算后，结合文献 8 中选取的不等厚对接焊缝试件的疲劳试验结果为基础拟合得到的损伤演化相关参数m和s（m 和s的最优取值分别为1.0 5 和0.96）,通过在MATLAB软件中编程,对文献 9中多组对接焊缝试件的疲劳寿命进行分析（表2、图2）。表2 对接焊缝试件的疲劳试验数据 9试验编号载荷水平/MPa02-1313.3002-2179.0402-3134.2802-4223.80(9)02-502-6载荷幅值/MPa9095120150180210223.80156.66循环次数/万次174.79140.9077.3161.5347.6629.59疲劳寿命/万次24.2050.8394.8536.0535.1055.654结束语本文在广义宏观损伤力学的基础上，引人材料细观尺度本构模型,首先从文献 8 中选取多组不等厚对接焊缝试件疲劳试验结果，对材料损伤演化相关参数m和s进行了拟杨景明：基于宏观损伤力学的焊接试件疲劳寿命评估图2 对接焊缝试件有限元模型 9分析得到文献 9 中多组对接焊缝试件的疲劳寿命预测值见表3,所选取的对接焊缝试件疲劳寿命预测值与相应试验值的相对关系如图3所示（其中0 2 4 和0 2-5 疲劳寿命预测值相同，点位重合）。由图3中多组不同载荷下的焊接接头试件预测的疲劳寿命与试验值的相对关系可知,采用前述损伤演化模型的疲劳寿命预测方法得到的文献 9 中多组对接焊缝试件疲劳寿命预测值与试验值相比，均没有超出试验值的3倍标准差范围带，表明可以采用引人细观尺度材料本构模型的宏观损伤力学方法对焊接结构的疲劳寿命进行有效评估(表3、图3)。表3对接焊缝试件的疲劳寿命预测值 9名义应力试件编号幅值/MPa02-1313.3002-2179.0402-3134.2802-4223.8002-5223.8002-6156.66500400300200100图3对接焊缝试件的疲劳寿命对比 9合;其次,基于拟合得到的材料损伤演化参数,对文献9 中多组对接焊缝试件的疲劳寿命进行分析预测，结果表明：对多组不同载荷下的焊接接头试件疲劳寿命进行预测，预测的疲劳寿命与试验值相比均没有超出试验值的3倍标准差范围，说明可以采用引人细观尺度材料本构模型的宏观损伤力学方法对焊接结构的疲劳寿命进行有效评估。1刘潇然金属结构双尺度概率疲劳寿命预测方法研究 D.西安：西北工业大学，2 0 19.2谢阶栋。基于损伤力学的滚动轴承疲劳寿命预测 D南京：南京航空航天大学，2 0 18.试验寿命/万次预测寿命/万次24.2019.8550.8350.44.94.8593.6036.0533.7535.1033.7555.6565.96中值一2 030预测值2040疲劳寿命/万次参考文献3李浩然.基于损伤力学的多轴高周疲劳寿命预测方法研究 D.秦皇岛：燕山大学，2 0 15.4宋松：基于连续损伤力学的Ti-6Al-4V钛合金高低周复合疲劳损伤研究 D天津：天津大学，2 0 18.5Lemaitre J.A Course on Damage Mechanics M.Berlin:Springer-Verlag,1996.6Shen F,Hu W,Meng Q,et al.A new damage mechanics based ap-proach to fatigue life prediction and its engineering application J.Acta Mechanica Solida Sinica,2015,28(5):510-520.7王虎基于细观力学的振动疲劳研究 D.南京：南京航空航天大学,2 0 18.8秦顺全武汉天兴洲公铁两用长江大桥关键技术研究M.北京：人民交通出版社，2 0 0 9.9郝李鹏。高强度钢材焊缝连接接头静力和疲劳性能试验研究 D.西安：西安理工大学，2 0 17.10Rabotnov Y N.On the equations of state for creep J.Progressin Applied Mechanics,1963,307-315.11Lemaitre J.How to use damage mechanics J.Nuclear Engi-neering and Design,1984,80(2):233-245.608010012Chaboche J L.Continuous damage mechanics-A tool to de-scribe phenomena before crack initiationJ.Nuclear Engineer-ing&Design,1981,64(2):233-247.169