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1、基于场强法的法兰角焊接结构的疲劳寿命估算方法武奇，郭海丁( 南京航空航天大学动力工程系南京2 1 0 0 1 6 )擅要：本文采用应力场强法( s F I 法) 来预测法兰角焊缝接头的疲劳寿命由于焊接接头疲劳损伤的局部性特征和法兰角焊缝接头应力集中踢显的特点，运用s F f 法可综合考虑宏观应力和应力集中区应力梯度对焊接接头疲劳损伤的影响通过对焊接接头应力集中区的弹塑性有限元计算和应力场强数值球解，得到了焊接接头焊趾区局部应力场强；根据法兰角焊缝焊趾区应力场强值计算和光滑试件的S - N 益钱，计算得到了法兰角焊缝接头的疲劳搿命与局部瘟力应变法相比，用$ F I 法对法兰角犀麓接头进行的疲劳寿
2、命预测精度有较大提高，与试验结果吻台息好，对工程应用有较好的参考价值-关一词；疲劳损伤；弹塑性有限元：应力场强洼；应力集中：疲劳寿命1 引言航空发动机结构中，焊接结构己普遍得到广泛应用。焊接接头除了存在化学成分、微观组织的不均匀性外，其几何尺寸的不完整性也是影响其接头疲劳性能的主导因素之一。航空结构往往在焊接部位发生疲劳破坏，因此，研究航空发动枫焊接结构的疲劳性能、预测其疲劳寿命始终是航空发动机可靠性分析重点关注的问题之一。现代材料的破坏机理和疲劳损伤的微观、细观与宏观研究的结果表明：疲劳是一种局部损伤现象。构件的疲劳行为主要由应力集中区域内材料的损伤状态所控制。结构疲劳的发展主要取决于局部高
3、应力或高应变区疲劳损伤的累积，并与材料性能、应力集中区附近的应力梯度、应力、应变状态等因素有密切关系。以往对焊接结构的症劳寿命评估多以局部区域内的最大应力或最大应变作为参量( 如局郝应力应变法) ，而未考虑该点的应力梯度，这显然不够完备，也难以解释疲劳损伤机制【”。场强法刚则另辟蹊径。该方法认为：应力集中区域存在一破坏区。该区域大小只与材料性能有关。控制该区域疲劳损伤的参数可用应力、应变场强度来袭示。应力场强法可定量地考虑材料性能、最大应力、应力梯度和应力状态等与疲劳发展的有关参数，该方法特别适用于含缺口的结构疲劳分析。由于焊接接头一尤其是角接焊接接头应力集中现象明显，用此方法有望对分析航空发
4、动机焊接部件的结构疲劳问题提供一个新途径”J 。2 应力场强法的基本思想应力场强法的主要思想基于：可在缺口根部一个区域力( 应力集中区) 中，定义有效应力参数一场强。旷来反映缺口试件受载的严重程度。同时假定：若缺口根部的应力场强度变化历程与同材质光滑试件的应力场强度变化历程相同，则两者具有相同的寿命。与此类似，在焊接接头区，由于在焊趾处几何形状发生突变，故可将焊趾看作“缺口”。此缺口会产生应力集中，而疲劳裂纹多发源于此。如图1 ( a ) 所示：通常P 点处应力值最大，而图1 0 ) Q 点处应力对P 点峰值应力也具有一定的贡献。事实上，焊趾处的应力集中和缺口件的应力集中都是由于几何形状上的突
5、变导致，二者形成应力集中的机理相似。因此用2 7 6场强法来评价焊接接头焊趾处疲劳载荷的苛刻程度具有合理性。本文将针对法兰角焊缝接头展开研究，角焊缝接头如图2 所示。应力场强计算公式如F ；= 古J ，( 嘞弦( r ) 咖( 1 )n 式中唧l 为应力集中域场强度：础应力集中域破坏区；V 为力的体积；贝呦为破坏应力函数；妒( ，) 为权函数，在物理上表征Q 点处的应力对P O 处峰值应力的贡献。r 为该点到峰值应力处的距离。对于平面问题，上式可写为：= f ，( 气p ( ，) 凼( 2 ) uD式中s 为区域D 的面积。对于光滑试件，应力集中系数K F l 因此伊( ，) 2 1 。光滑试
6、件受均布载荷，可以认为应力处处相等，所以破坏应力函数f ( 嘞为常数。按场强法定义，光滑试件的场强为：嘞= ，( 嘞= 常数而光滑试件的破坏准则是口= 嘞。对于应力集中试件，破坏准则为国= ，( 嘞田其中，印为光滑试件破坏应力，即当含应力集中试件的场强碟大于或等于同种材料的光滑试件的场强酩时，试件破坏。由此可见，应力场强法理论模型包含了影响材料强度的多种因素，给出了一个定量描述含“缺口”构件应力强度的参数o h ，将微观应力分布与宏观应力场有机地结合起来。卜* _ lN 厂刊i 、r 1 “图1 焊趾处应力场强法模型图2场强法示意图3 应力场强法的计算对于实际工程问题，( 嘞和妒( r ) 均
7、难以用显示解析式表达，只能用数值求解来实现。这里需要注意：2 7 7，；、一#rn丛k( 1 ) 材料不同，适用的强度理论有所不同，因而应力函数，( o D 的选取也不同。在比例加载下，对于碳钢、铝台金、钛台金等宏观各向同性韧性金属材料，厂( 劫按V o nM i s e s等效应力公式计算；( 2 ) 权函数妒在物理上表征Q 点处应力对处峰值应力的贡献。从疲劳破坏的机理看，疲劳损伤的累积不仅与损伤域中的最大应力应变有关，还和某一范围内的应力应变场有关。 州应满足以F 三个条件：4 0 妒( r ) l ，且妒( r ) 是关于的广义单调函数；a 妒( 0 ) = l ，应力集中域最大应力处对
8、疲劳裂纹萌生的贡献最大：c 当应力梯度G = O 时，伊( ，) = 1 。光滑试件或全屈服试件在破坏区内各处对疲劳裂纹萌生的贡献相同。烈，) 的具体形式有多种。伊( ，) 应与距离和方向p 有关，此处取：矿( ，) = 1 - c r ( 1 + s i n O )c 为与应力梯度有关的系数，可取相对应力梯度：c ：1 一上L m “( 5 )式中q 。为焊趾根部处最大应力，呸为r 处的等效庶力。( 3 ) 应力集中破坏区Q 的大小和形状与破坏机理有关。基于这种思想场强法认为：疲劳破坏区只与材料性能有关。但是要将疲劳损伤域的大小和形状与疲劳破坏机制定量的联系起来，目前尚有困难。从宏观力学的角
9、度，可假定破坏区是以应力最大值点为圆心的一个圆( 对空间问题则为一圆球) ，其半径称为“场径”，可通过试验拟合来确定。4 含法兰焊接接头疲劳寿命计算计算模型如图3 所示，为莱型发动机燃烧室机匣后村套安装座平板模型。材料为1 c r l 8 N i 9 T i不锈钢，安装座为锻件，板厚度为2 2 r a m ，试件长：3 0 0 m m ，试验段宽：1 3 0 r a m 。安装座和平板采用T 型氩弧焊焊接。模型材料、加工工艺、焊接工艺及质量检验标准与原燃烧室外套同。4 1 场径计算场径计算将直接影响应力场强的计算结果。圈3 后村蛰滇型焊接处考虑场径大小与载荷无关，场径计算所需基本数据可以采用同
10、种材料的同类焊缝试验结果。在此选用文献“1 试验结果。试件为十字接头( 角接) 。材料为I C r l 8 N i 9 T i 不锈钢板材”J ，板厚8 m m 。用氩弧焊焊接，如图4 所示。其尺寸为：板厚：t - - 4 0 r a m ，焊缝宽度：B = 1 0 5 m m 。场强计算利用有限元技术和公式( 2 ) 。考虑对称性，取1 4 模型进行计算，所需试验数据取自文献”J ，见表l 。对表1 所给出的每一组数据，分别按假定的场径及权函数( 式( 5 ) ) 计算其场强矿。对其计算值与试验值的误差按最小二乘法求其累积误差，以其累计误差最小的那一组值的场径作为该材料的场径期望值。计算结果
11、为：炀径) = = 0 A S m m 。该值作为这种材料的场径均值。为检验计算结果，将计算得到的场径计算结果代入式( 2 ) 计算其它光滑试件场强( 最大载荷) ，结果对比如表2 。囤4焊缝几何特征参数示意衰Il C r l S N i Y r i 材料的试验鼓据“表2光滑试件场强计算值与试验值( 最大载荷) 对比试验值( M P a )计算的a ( M e a )误差+ ( )2 9 l3 0 1 83 7 1 2 7 92 “ 2 42 栅2 6 82 3 1 01 3 8 注：衰中的误差等于= ( 计算值一试验值) 试验值I 2 含法兰焊接接头疲劳寿命计算疑与试验对比模型如图1 。计算
12、分三步进行：( 1 ) 通过有限元租算，找到焊缝处的危险点；( 2 ) 采用应力场强法对焊接试件危险点区域的应力场强进行计算：( 3 ) 将卿，代入光滑试件的s - 瞌线可以得到焊接接头的疲劳寿命。考虑实际模型在应力集中区域应力可能超过屈服应力，应力场采用增量弹塑性有限元法分析。材料本构关系采用1 C r l 8 N i 9 T i 不锈钢循环口一s 曲线。场径取D r 0 4 8 r a m ( 如前) 。计算结果将与局部应变法计算结果和试验结果进行对比。试验采用载荷控制。应力比R = 0 1 。最大名义应力a ；。为3 1 0 M P a ，共7 件。表3 为依据场强法的法兰焊接接头疲劳寿
13、命计算结果与局部应变法计算结果和试验结果对比。表3不同计算方法及试验所得疲劳寿命对比注：N a 为平均寿命，叩11f下l印，上4 3 分析( 1 ) 从表3 中可以看出：场强法与局部应力应变法相比，所计算的法兰焊接接头疲劳寿命精度有较明显提高。究其原因，场强法在考虑了应力梯度变化后，其“疲劳载荷强度”控制参量低于局部应力应变法。而局部应力应变法显然给出了更加苛刻的“疲劳载荷强度”控制参量，因而寿命计算结果更加保守。( 2 ) 应力场强法对法兰焊接结构的疲劳循环寿命计算结果低于并十分接近模型试验件最小循环寿命，表明其估算结果仍具有一定的安全性，在此类结构疲劳寿命估算方蕊能给出更加符合实际情况的结
14、果。( 3 ) 由于场强计算需要在结构有限元分析的基础上进行数值积分，故计算工作量较大。但由于在场强计算中，场径的试验数值拟合只需要针对较为简单的结构进行( 如本文中用十字角焊缝计算场径) ，因此可以降低试验的难度，减少试验费用。( 4 ) 应力场强法在用于结构低周疲劳分析时，应注意由于计算只考虑结构的应力梯度变化，因此对于屈服范围较大的情形，由于“场径”范围内的应力梯度会明显降低，由此可能导致场强计算结果偏低。由此得到的疲劳寿命估算结果可能会偏大，此时可考虑用应变作为场强评估量。( 5 ) 本文在运用应力场强法过程中，拟合场径和疲劳寿命计算只部分考虑了焊接后材质不均匀的影响，敌计算结果与实际
15、焊接接头的疲劳寿命应存在一定偏差。5 结论( i ) 对于应力集中效应较明显的焊接结构疲劳寿命预测，应力场强法可以给出更为适合的估算值。由于此方法综台考虑了应力梯度对疲劳寿命计算结果的影响其计算结果与局部应力应变法相比与试验结果更加接近。( 2 ) 用场强法进行疲劳寿命计算可尽量避开经验公式引入的误差，其疲劳寿命估算结果具有更高的精度。( 3 ) 用场强法进行疲劳寿命计算，所需试验数据可以通过相对简单的试验件获得，因而可以减少试验代价。参考文献： 1 J a n o s c hJJ D e b i e zS I n f l u e n c eo ft h es h a p eo fu n d
16、e r c u to nt h ef a t i g u es t r e n g t ho ff i l l e tw e l d e da s s e m b l i e s l p p l i c a t i o ao ft h el o c a la p p r o a c h J W e l d i n gi nt h eW o r l d ，1 9 9 8 ，4 1 ：3 5 0 3 6 0 2 姚卫星金属材料疲劳行为的应力场强法描述固体力学学报，1 9 9 7 ，1 8 ( 1 ) 3 Y a n gxH ，C h e nYL F a t i g u el i f ec a l c u l a t i o nw i t hS t r e s sf i e l di n t e n s i t ym e t h o dC P r o c e e d i n g so ft h eS e v e n t
