基于VB焊接疲劳寿命分析系统的开发*

张自斌,王伟民,赵玉军,舒海燕

(甘肃省机械科学研究院, 甘肃 兰州 730030)

1 引 言

焊接连接是现代钢结构中最主要的连接方式，具有优化构件截面、节省材料、易于加工连接、性能好、便于采用自动化生成等优点，广泛应用于汽车、航空航天、铁路机车车辆、建筑等工业领域，焊接技术作为制造业的基础工艺和技术在20世纪为工业领域的发展做出了重要贡献。但由于焊接连接的本身缺点，焊缝区金属与母材的力学性能不匹配，在焊接接头容易产生裂纹与缺陷，导致存在应力集中和残余应力等，使焊接结构的抗疲劳性能降低，因而导致了焊缝成为最薄弱环节，焊缝的寿命也往往低于母材的寿命，焊缝位置也就成为了容易发生疲劳破坏的位置，预测焊缝的疲劳寿命可以有效减少由于焊接疲劳而引起的不必要的损失，为工业生产提供安全保障[1]。笔者引用美国2007年ASME标准中的焊接疲劳寿命计算原理[2-3]，利用高级编程语言VB[4]和有限元软件ABAQUS[5]联合开发了能够用于焊接结构中焊接接头疲劳寿命的计算程序，对工程设计人员提供了便利，为参数化建模的软件开发者提供了思路。

2 ASME焊接疲劳寿命计算原理

2.1 主S-N曲线法

ASME标准中的主S-N曲线法是董平沙博士基于力学基本原理及大量焊接疲劳试验而发明的计算焊缝疲劳寿命的最新方法。该方法采用来了“网格不敏感的结构应力计算方法及主S-N曲线法”，可以相对准确的计算出空间任意走向的焊缝疲劳寿命，解决了名义应力法计算疲劳寿命的困难。2007年，美国ASME将其列为焊接结构焊缝疲劳寿命计算标准，2009年，欧洲也将其列为计算标准。

2.2 等效结构应力

等效结构应力[6-7]是以结构应力为控制参数计算应力强度因子，以断裂力学为基础，并结合疲劳寿命直接相关的参数，在这个机遇断裂力学的表达式的结构应力中，不仅考虑焊趾缺口、焊接接头板厚度的影响，并以这些影响因素为参数导出等效结构应力转化方程：

(1)

以等效结构应力变化ΔSk为参数的主S-N曲线的焊缝疲劳寿命计算公式为：

(2)

式中:m=3.6；Δσk应力变化范围；ΔSk等效结构应力变化；t为板厚；I为描述载荷模式效应的函数；C和h为主S-N曲线(见图1)试验常数；N为疲劳寿命的循环次数。

主S-N曲线方程中用变化范围度量的等效结构应力并不是针对具体的焊接接头形式而提出的，它反映应力集中的结构应力、焊接接头的板厚、外载荷引起的薄膜应力与弯曲应力比进行了综合，因而对任何走向的焊缝都有效，是个具有普遍意义的数学模型。

图1 主S-N曲线试验数据

2.3 Miner′s损伤累计理论

Miner′s 线性累计损伤理论在多数情况下，其寿命计算与试验结果有相当程度的吻合，是目前应用最为普遍的疲劳寿命预测方法。Miner′s疲劳损伤累计认为：根据S-N曲线的定义，在恒定应力幅S作用下，零件运转循环次数N时，将产生完全损伤或失效，那么零件在S作用下运转比N小的应力循环次数n时，将产生部分损伤，同时又认为，在这一过程中，每一次循环载荷作用下的损伤相同，则在n次循环载荷作用下的损伤率为n/N。如果一个零件在不同应力水平的工作状态下，则产生的损伤为各个应力状态下的损伤之和 ，当结构的损伤和达到1时，就可以认为结构失效。

基于Miner′s累积损伤理论的结构损伤为：

(3)

式中:ni为每级加载次数；Ni为每级载荷下的疲劳寿命；该极限寿命用主S-N曲线方法提供的公式获得。

3 VB开发的焊接疲劳寿命计算软件

根据上述焊接结构中焊接接头疲劳寿命计算原理，按照图2所示系统开发结构图，用VB建立参数化设计界面。如图3、4所示，为角接焊接结构焊缝疲劳寿命分析界面及其结果界面。在图3分析界面中，通过界面传递参数化数据，利用有限元软件ABAUQS后台调用这些数据分析了角接焊缝的受力情况、提取载荷谱并进行雨流统计，用主S-N曲线和Miner′s损伤理论计算了焊缝疲劳寿命，对于内部开发程序这里不再详细描述。图4为角接焊缝疲劳寿命计算结果，图中包含了载荷应力谱曲线、雨流统计图及疲劳寿命等信息。

图2 疲劳寿命计算系统结构图

图3 焊接疲劳寿命分析界面

图4 焊接疲劳寿命结果界面

4 结 论

(1) 等效结构应力法中的结构应力计算可实现对网格不敏感，比基于其它算法的结构应力计算具有明显优势。

(2) 等效结构应力法中的结构应力可用有限元方法计算得到，并采用单一的主S-N曲线方法计算

疲劳寿命，避免了复杂焊接结构及其疲劳设计S-N曲线的确定难度。

(3) 疲劳寿命分析系统可以有效预测焊接结构焊缝疲劳寿命，减少经济损失，为工业生产提供了安全保障。

参考文献:

[1] 霍立兴.焊接结构的断裂行为及评定[M].北京:机械工业出版社,2000.

[2] 2007 ASME Boiler & Pressure Vessel code VIII Division 2, Fatigue Assessment of Welds-Elastic Analysis and Structural Stress[S],2007.

[3] Dong P, Hong J K. Analysis of Recent Fatigue Data Using the Structural Stress Procedure in ASME Div2 Rewrite[J].Journal of Pressure Vessel Technology,2007(129):355-362.

[4] 邱李华. Visual Basic程序设计教程[M].第二版.北京：机械工业出版社, 2007.

[5] 石亦平,周玉蓉.ABAQUS有限元分析实例详解[M].北京：机械工业出版社, 2006.

[6] 李晓峰,谢素明,时慧焯,等.车辆焊接结构疲劳寿命评估方法研究[J].中国铁道科学,2007,28(3): 74-78.

[7] 李亚娜,蓝志峰.基于等效结构应力法的电机机座焊接结构疲劳寿命预测[J].大连交通大学学报,2012,33(3):10-12.