(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202211257837.5 (22)申请日 2022.10.13 (71)申请人 徐州工程学院 地址 221018 江苏省徐州市 云龙区丽水路2 号 申请人 中国矿业大 学 (72)发明人 宋威　满铮　徐杰　石端虎　 (74)专利代理 机构 徐州市三联专利事务所 32220 专利代理师 周爱芳 (51)Int.Cl. G06F 30/23(2020.01) G06F 119/04(2020.01) (54)发明名称 含错位高强低匹配承载十字焊接接头疲劳 定量分析方法 (57)摘要 本发明公开了一种含错位承载型十字焊接 接头疲劳性能定量分析方法， 属焊接技术领域。 基于局部评估方法的微结构支撑效应引入修正 参数的基本思路建立疲劳解析模型， 具体方法 是： （1） 确定十字焊接接头疲劳寿命和包括错位 程度的承载接头局部几何形状参数； （2） 通过有 限元分析方法确定各参数模型下潜在失效区域 的平均应变能密度； （3） 基于理想疲劳解析模型 引入平均应变能修正参数 km量化分析不同程度 错位的影响； 步骤四： 疲劳解析模型误差分析及 矫正； （4） ： 基于疲 劳解析模型的失效转变区域预 测和疲劳寿命分析。 该方法基于平均应变能理 论， 解析模型可靠度高， 能分析不同承载状态下 焊根和焊趾的疲劳失效区域和疲劳寿 命变化。 权利要求书3页 说明书7页 附图3页 CN 115455792 A 2022.12.09 CN 115455792 A 1.一种含错位承载型十字焊接接头疲劳性能定量分析方法， 其特征在于， 具体包括如 下步骤： 步骤一： 确定十字焊接接头疲劳寿命和包括错位程度的承载接头局部几何形状参数： 所述参数用于有限元解析模型的建立和解析模型的定量分析； 所述参数包括承载接头高周 疲劳寿命N， 以及焊接接头的几何参数主板厚度T、 副板厚度t、 接头焊接大小h、 熔覆率p、 位 移错位大小e、 角错 位大小a， 步骤二： 通过有限元分析 方法确定各参数模型 下潜在失效区域的平均应 变能密度 基于十字焊接接头试样特征建立二维有限元疲劳特征值解析模型， 极坐标系下线弹性 均质模型某点的应 变能由下式确定： 式中， E表示弹性模量； v表示泊松比； σi和 τi表示该点方向上正应力和切应力大小。 在 焊 根和焊趾等潜在失效区域的缺口尖端位置建立半径为R的扇形区域或半径为R的三维扇形 圆柱体， 其平均应 变能 式(2)， 特 征参数ei的经验公式为式(3)和(4)； e1＝‑5.373·10‑6(2α )2+6.151·10‑4(2α )+0.13 30 (3) e2＝4.809·10‑6(2α )2‑2.346·10‑4(2α )+0.340 0 (4) 式中， 是不同类型拉伸型和张开型缺口应力应力强度因子， ei是关于泊松比和张开 角的相关参数， λ是缺口张开角特征参数， 建立承载型十字焊接接头二维有限元模型， 分别 计算不同几何形状参数模型 下焊根和焊趾处平均应 变能 步骤三： 基于理想疲劳解析模型引入平均应变能修正参数km量化分析不同程度错位的 影响： 根据缺口力学 方法， 通过引用无量纲参数ki， 缺口应力强度因子简化 为下式： 式中， Δσn为名义应力范围， 结合式(2)和式(5)， 平均应 变能表示 为： 通过代换wi＝ei·ki和引入修正参数wi,k·wk， 考虑不同类型错位的平均应变 能 由式 (6)和(7)表示： wi＝{Ai+Bi·ea·(h/t)+Ci·eb·(h/t)+c·(p/t)}·wi,k·wm (7) 式中， wi,k和wk为考虑局部细节的修正系数， 其中wi,k和错位程度相关， wk和其它局部几 何参数相关； 步骤四： 疲劳特征参量解析模型误差分析及矫正： 基于缺口应力强度因子分析结果， 所 述解析模型平均应 变能的准确性 为：权　利　要　求　书 1/3 页 2 CN 115455792 A 2其中 和 分别为应力强度因子的解析解及有限元计算结果， 相应的， 基 于有限元平均应 变能分析 结果， 所述 解析模型平均应 变能的准确性： 式中， 和 分别为平均应 变能的解析解及有限元计算结果。 ； 步骤五： 基于解析模型的失效转变区域预测和疲劳寿命分析， 通过解析模型的量化计 算分析， 考虑不同承载状态和局部几何特征确定焊根和焊趾处平均应变能数值， 结合平均 应变能结果变化规律判断十字接接头中潜在的疲劳失效位置， 根据疲劳试验获取试样疲劳 寿命N， 建立平均应变能和材料疲劳寿命之间存在的 曲线关系方程， 同工况承载接头 疲劳寿命可以通过 下式进行估算： 式中， m和A为材 料疲劳性能相关参数， N和 为疲劳寿命。 2.根据权利要求1所述的含错位承载型十字焊接接头疲劳性能定量分析方法， 其特征 在于所述的承载十字接头主板坡口角度为60 °， 坡口间隙为2mm， 载荷条件为单向拉伸且副 板不受边界条件约束的高周疲劳的分析。 3.根据权利要求1所述的含错位高强低匹配承载十字焊接接头疲劳定量分析方法， 其 特征在于步骤三中不含轴和角错 位的理想模型其定量 解析模型为： wtoe＝0.4168 ‑3.416·e‑3.416·(h/t)+1.998·e‑2.857·(h/t)‑3.48·(p/t) wroot＝0.2392‑6.575·e‑2.183·(h/t)+1.793·e‑2.113·(h/t)‑2.307·(p/t) 式中， h/t和p/t分别为焊缝大小及熔透率与板厚比率， wtoe和wroot分别为焊根与焊趾处 的应变能密度几何特 征值。 4.根据权利要求1所述的含错位高强低匹配承载十字焊接接头疲劳定量分析方法， 其 特征在于步骤三中， 含轴错 位模型其定量 解析模型为： 式中， x为错位量， wa,toe和wa,root分别为焊根与焊趾处的轴错位下应变能密度几何特征 值， wm,toe和wm,root分别为焊根与焊趾处的角错 位下应变能密度几何特 征值。 5.根据权利要求1所述的含错位高强低匹配承载十字焊接接头疲劳定量分析方法， 其 特征在于步骤三中含角错 位理想模型其定量 解析模型为：权　利　要　求　书 2/3 页 3 CN 115455792 A 3