焊接結(jié)構(gòu)完整性評定與疲勞壽命預(yù)測系統(tǒng).pdf

1、工程結(jié)構(gòu)的安全性能預(yù)測包含對含缺陷結(jié)構(gòu)的完整性評定以及剩余疲勞壽命的預(yù)測,是一項多學(xué)科交叉的綜合技術(shù),它涉及到斷裂力學(xué)、連續(xù)介質(zhì)力學(xué)、損傷力學(xué)以及材料力學(xué)等多個領(lǐng)域。焊接加工作為最廣泛采用的制造方法,具有多種優(yōu)越性,但由于焊接熱過程的局部、快速等特點,造成焊接結(jié)構(gòu)三個方面的明顯不足:焊接缺陷、組織性能惡化及高殘余應(yīng)力場,這直接導(dǎo)致結(jié)構(gòu)服役性能的大幅度降低,并使其可靠性評估極為復(fù)雜。
　　針對上述情況,本文通過研究焊接結(jié)構(gòu)完整性評定

2、以及剩余壽命預(yù)測過程涉及的基礎(chǔ)理論,結(jié)合虛擬現(xiàn)實技術(shù)開發(fā)了一套可視化的焊接結(jié)構(gòu)可靠性預(yù)測系統(tǒng)。本系統(tǒng)可實現(xiàn)對焊接缺陷的規(guī)則化、焊接結(jié)構(gòu)的一次應(yīng)力、二次應(yīng)力的計算,還可實現(xiàn)基于不同的評定標(biāo)準(zhǔn)含缺陷焊接結(jié)構(gòu)的完整性評定以及基于S-N曲線的疲勞壽命預(yù)測等。本系統(tǒng)首次將有限元分析與解析評定過程相結(jié)合,真正意義上實現(xiàn)了虛擬現(xiàn)實技術(shù)在焊接技術(shù)上的全面應(yīng)用。本系統(tǒng)中完整性評定程序涵蓋了GB19264、CEGB R/H/R6、BS7910、SINTAP

3、/FITNET以及 IIW doc. XIII-1965-03/XV-1127-03,可應(yīng)用于壓力容器、軌道交通等行業(yè)的多種復(fù)雜焊接結(jié)構(gòu)中。
　　系統(tǒng)主要包含基本參數(shù)數(shù)據(jù)采集模塊、焊接接頭質(zhì)量評估模塊、焊接結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分析模塊、焊接結(jié)構(gòu)的完整性評定模塊,焊接結(jié)構(gòu)剩余壽命計算模塊,結(jié)果輸出模塊,本文詳細(xì)闡明了主要模塊的構(gòu)建方案與功能。系統(tǒng)具有基本參數(shù)的約束條件判斷、自動化有限元分析、有限元結(jié)果智能篩選、評估過程與結(jié)果的實時性分析與回饋

4、、系統(tǒng)與有限元軟件之間無縫集成等特點。
　　基于 MSC接口平臺,采用python腳本語言構(gòu)建的基于焊接特征的FEA模塊在可視化界面中實現(xiàn)了與MSC環(huán)境下等同性,操作便捷。本文將此模塊應(yīng)用于高速列車地板大型復(fù)雜鋁合金擠壓中空型材結(jié)構(gòu)的拼焊過程的變性分析。同時為提高計算精度,試驗測試了隨溫度變化的材料動態(tài)力學(xué)性能參數(shù)及熱物理參數(shù),并采用移動雙橢球體熱源模型模擬 MIG焊接熱源。對多個高速列車地板結(jié)構(gòu)的焊后撓曲變形進(jìn)行了現(xiàn)場測試,結(jié)果

5、證明,模擬計算結(jié)果與測試數(shù)據(jù)具有很高的吻合度。
　　針對現(xiàn)行工藝進(jìn)行了焊接順序優(yōu)化嘗試,提出由外側(cè)向中心對稱焊接地板結(jié)構(gòu)上的6條縱焊縫的方案,數(shù)值模擬結(jié)果證明,焊后撓曲變形規(guī)律與現(xiàn)行工藝一致,但是變形量僅為現(xiàn)行工藝條件下的78.6％,對于類似地板結(jié)構(gòu)的大型復(fù)雜薄壁構(gòu)件,可以利用結(jié)構(gòu)自身重力造成的三點彎曲作用,制定合理的工藝措施來控制焊接角變形,矯正其平面度偏差。
　　利用構(gòu)建的系統(tǒng)完成了對CRH2型高速列車框架式底架結(jié)構(gòu)的完

6、整性評定,評定規(guī)范采用SINTAP/FITNET。借助基于熱-力耦合分析的FEA模塊,模擬計算了底架結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)板、地板與底架連接主要焊縫的焊接過程,并對焊后底架結(jié)構(gòu)的殘余應(yīng)力場進(jìn)行分析。底架結(jié)構(gòu)的焊后 Von Mises等效應(yīng)力最高為143MPa,接近焊絲 ER5356的屈服強(qiáng)度,殘余應(yīng)力分布區(qū)域較窄。模擬計算獲得了底架結(jié)構(gòu)動應(yīng)力的總體分布規(guī)律,采用基于 set特征的算法,獲取了結(jié)構(gòu)的承載危險點,確定了底架結(jié)構(gòu)上危險部位的一次應(yīng)力與二次應(yīng)

7、力水平。在采用虛擬裂紋的方案,分別開展了對半橢圓表面裂紋與角裂紋的完整性評定,評定過程中分別考慮一次應(yīng)力與二次應(yīng)力的作用,以及一次應(yīng)力與二次應(yīng)力之間的相互作用。評定結(jié)果表明,對于在牽引梁上各個危險部位存在a/2c=0.5,a=3mm的裂紋均處于安全狀態(tài),不存在脆斷的危險。當(dāng)補(bǔ)強(qiáng)板與牽引梁上出現(xiàn) a=6mm,2c=12mm的半橢圓表面裂紋時,結(jié)構(gòu)不安全,需要采取相關(guān)措施去除裂紋。
　　通過對斷裂韌度的機(jī)理研究,提出 A7N01P-T

8、5鋁合金斷裂韌度KC(B)的厚度效應(yīng)解析公式,此公式可以計算任意厚度材料的斷裂韌度,具有普適性與高精度的優(yōu)勢,并為其它材料斷裂韌度KC的厚度效應(yīng)研究提供了參考。由該 KC(B)公式計算得出的KIC值為32.03 MPa·m1/2,與CTOD試驗線性擬合曲線的KIC值32.02 MPa·m1/2高度吻合。
　　進(jìn)一步將系統(tǒng)應(yīng)用于對高速列車底架的主要部位疲勞壽命預(yù)測,采用低頻疲勞試驗測試了A7N01P-T5的母材,削平余高焊件與帶余高