下载文档原格式
浅议焊接结构疲劳寿命预测及抗疲劳措施作者：王玉华缪卓君来源：《甘肃科技纵横》2022年第02期摘要：基于焊接结构疲劳破坏分析，从焊接接头形式与应力集中、焊接热影响区金属性能的变化及应力特征、焊接缺陷与环境介质等角度分析了焊接结构疲劳断裂的影响因素。
结合已有的研究，从疲劳裂纹萌生机理与疲劳断裂过程的主要阶段分析了焊接结构疲劳失效的机理与过程，焊接结构疲劳失效的主要阶段包括初始疲劳裂纹在应力集中初的萌生、疲劳裂纹的亚临界或稳定扩展、疲劳裂纹的失稳扩展直至结构断裂三个阶段。
基于断裂力学理论，介绍了焊接结构疲劳寿命评估方法，并从抗疲劳设计、控制焊接过程中产生的残余应力、焊接位置或母材的表面处理等角度介绍了常见的焊接结构抗疲劳措施。
本研究对于焊接结构疲劳寿命研究及抗疲劳设计，具有一定的参考与借鉴意义。
关键词：结构工程；焊接；疲劳寿命；抗疲劳措施中图分类号：TU391文献标志码：A0引言在现代钢结构的应用与连接中，焊接连接方式是最主要的连接方式之一[1，3]，其具有构造简单、加工便捷、连接性能优异、用料节省、适合工业化生产等诸多优点，故被广泛应用于房建结构、航空航天、海洋平台等领域[2～5]。
然而，绝大多数的焊接结构都在交变应力作用下工作，长期的循环交变应力作用会导致结构出现疲劳破坏[1，2，5]，加之焊接结构本身的特点，焊缝区与母材由于加工过程及本身的力学特点，在焊接接头位置出现二者的力学性能不匹配，疲劳作用下极易在接头位置产生裂纹及其他缺陷，极大地降低了焊接结构的抗疲劳性能及服役性能[3，5，6]。
大量统计表明，金属结构由于疲劳导致的失效，占总失效形式的70%以上。
钢结构在发生疲劳破坏之前，并不会出现明显的塑性变形，是一种突然发生断裂的破坏形式[5～9]，一般的疲劳破坏断面成断口平直的形式，因此，疲劳破坏是一种反复应力或荷载作用下的脆性破坏形式。
焊接构件在加工过程中，会出现不同程度的焊渣侵入焊縫趾部、焊缝内存在气孔、焊接出现欠焊等现象，导致焊接结构焊缝存在咬边、未焊透等焊接缺陷及施工误差，加之焊接结构由于其自身会在整体几何形状不连续处引入焊接连接方式，进一步导致焊缝部位在荷载作用下出现严重的应力集中现象[7～13]。
振动环境下结构疲劳性能与寿命评估在振动环境下，结构的疲劳性能与寿命评估是非常重要的。
振动环境下的结构疲劳是指结构在受到周期性外力作用下，由于应力的累积作用而引起的结构破坏现象。
结构的疲劳性能评估旨在确定结构的劳寿命，以便预测结构在实际使用条件下的可靠性和安全性。
结构的疲劳性能与寿命评估涉及以下几个关键方面：振动环境分析：首先需要对振动环境进行分析，包括振动频率、振动幅值、振动周期等参数的测量和分析。
常用的方法包括现场振动测试、实验室振动台测试以及数值模拟等。
应力分析：振动环境下的结构会受到周期性外力的作用，这会引起结构内部应力的变化。
通过应力分析，可以确定结构在不同工况下的应力分布情况，从而评估结构的疲劳性能。
疲劳寿命预测：基于应力分析结果，可以采用疲劳寿命预测方法来评估结构的疲劳寿命。
常用的方法包括应力范围法、应力时间法、应力幅值法等。
这些方法基于材料的疲劳性能曲线和结构的应力历史，可以预测结构在不同工况下的疲劳寿命。
结构可靠性评估除了预测疲劳寿命，还需要对结构的可靠性进行评估。
可靠性评估包括确定结构的失效概率、可靠度指标等，以评估结构在振动环境下的安全性。
寿命评估与优化设计：通过对结构的疲性能评估，可以发现结构的疲劳弱点和寿命短板。
基于这些评估结果，可以进行结构的优化设计，包括改善材料性能、调整结构参数、增加支撑等措施，以提高结构的疲劳寿命和可靠性。
需要注意的是，振动环境下结构的疲劳性能与寿命评估是一个复杂的工程问题，需要综合考虑材料特性、结构形式、振动环境和设计要求等多个因素。
同时，疲劳性能评估的准确性也受到振动环境测试和应力分析等技术手段的限制。
因此，在进行结构疲劳性能评估时，需要综合运用实验、数值模拟和经验方法，以提高评估结果的准确性和可靠性。
总之，振动环境下结构的疲劳性能与寿命评估对于确保结构的安全可靠性至关重要。
通过对振动环境的分析、应力分析和疲劳寿命预测等方法的综合应用，可以评估结构的疲劳性能，并提出相应的优化设计方案，以提高结构的疲劳寿命和可靠性。
基于焊缝疲劳寿命预测的某轿车后桥改进设计焊缝疲劳寿命是一个非常重要的问题，直接关系到零部件的使用寿命和安全性。
因此，在某轿车后桥的改进设计中，焊缝疲劳寿命的预测显得尤为重要。
首先，需要对焊接的工艺参数进行优化。
焊接工艺在整个后桥设计中起到了关键的作用，焊缝在使用过程中受到振动、载荷等因素的影响，因此，对焊接工艺进行优化是预测焊缝疲劳寿命的关键。
采用合适的焊接材料与焊接设备，严格控制焊接参数，保证焊接质量达到最高，是提高焊缝疲劳寿命的关键。
其次，需要进行仿真分析。
通过有限元分析的仿真 Software来完成焊接接头的振动与应力研究，同时，将疲劳分析的结果添加至仿真结果内，这样我们就能够得到焊接接头的疲劳寿命预测值。
这一步骤是可以重复执行、优化，同时时间成本较低，是焊缝疲劳寿命预测的最优选择。
最后，需要进行实际测试。
即使有了可靠的仿真分析数据，我们仍需要进行实际测试以验证结果。
将测试条件与仿真分析条件对比，确保测试数据是精准的。
综上所述，对于某轿车后桥的焊缝疲劳寿命预测，需要优化焊接工艺参数，进行有限元分析的仿真，并完成实际测试。
这样完整、准确的流程，能够最小化设备损坏和人员伤亡的发生概率，提高汽车的使用寿命和安全性。
另外，在某轿车后桥的改进设计中，还需要考虑不同的使用情况，不同的道路环境和载荷条件下焊缝的应力响应和疲劳寿命。
对于经常行驶在崎岖、不平整的路面上的车辆，其焊缝的疲劳寿命显著会受到影响。
因此，需要考虑车辆的使用环境和实际使用情况，进行额外的工艺和设计上的改进。
为了更加全面的预测焊缝疲劳寿命，还需要研究并分析焊接接头的表面粗糙度、焊缝尺寸及形状等因素。
在焊接加工前首先评估这些参数，并根据评估结果调整各项参数，提高焊接接头本身的质量，进一步提高焊缝疲劳寿命。
在焊接接头的设计方面，可以考虑使用多种形式的焊接接头。
例如，采用双面焊接接头以及焊缝错位设计可以显著降低焊缝应力集中程度，从而提高疲劳寿命。
焊接钢桥结构细节疲劳行为分析及寿命评估的开题报告一、选题背景与研究意义随着我国经济的快速发展，交通运输行业得到了快速发展和加强。
钢桥作为其中的一个重要组成部分，因其优越的性能，在桥梁建设中得到了广泛应用。
以焊接钢桥为例，由于焊接接头是结构中最薄弱的部分，其疲劳行为表现出的损伤程度会对结构的安全性产生重大影响。
因此，对焊接钢桥的疲劳行为分析及寿命评估研究显得尤为重要。
二、研究内容和思路本文将重点研究焊接钢桥结构的疲劳行为及寿命评估。
具体内容如下：1. 焊接钢桥结构疲劳行为分析通过建立疲劳荷载工况，分析焊接钢桥结构中疲劳损伤的形态、位置和程度，探索疲劳行为产生的原因以及影响因素。
2. 焊接钢桥结构的寿命评估将研究对象的疲劳数据建模，利用疲劳剩余寿命模型进行寿命预测；同时，结合结构疲劳裂纹扩展规律，计算裂纹扩展至临界尺寸所需的工作时间，建立结构疲劳寿命评估方法，为焊接钢桥结构的寿命评估提供基础性方法。
三、研究结果和创新性1. 分析了焊接钢桥结构中疲劳损伤形态、位置和程度，进一步探索了疲劳行为产生的原因及其影响因素。
2. 建立了疲劳数据建模，并利用疲劳剩余寿命模型进行寿命预测及结构疲劳裂纹扩展规律计算，建立了评估方法，为焊接钢桥结构的寿命评估提供基础性方法。
3. 通过将分析结果与实际检验结果相互印证，证明了研究成果具有较好的适应性和可行性，可以为焊接钢桥的安全设计和监管提供科学依据。
四、可行性分析和预期效果本研究的可行性和预期效果如下：1. 研究内容较为独特，并具有一定的实际应用价值，对当前的钢桥建设和管理具有较好的指导价值。
2. 研究方法具有一定的创新性和先进性，可以为类似问题的解决提供有益的参考意见。
3. 结果具有较好的适应性和可行性，对于提高钢桥结构的安全性和可靠性具有重要作用。
振动疲劳基础入门：产品设计过程中的抗振性能优化及疲劳寿命评估振动疲劳基础知识振动基本概念振动是指物体沿一定路径往复运动的现象。
在机械系统中，振动是一种常见的运动形式，它可以是周期性的，也可以是非周期性的。
周期性振动包括正弦振动和余弦振动，而非周期性振动则表现为随机振动和瞬态振动。
振动的产生可以由各种各样的原因导致，如引擎的运转、地震、海浪等自然现象，或是人为因素如车辆行驶、建筑施工等。
振动的特征可以从频率、振幅、相位、波形等不同的方面进行描述。
疲劳失效疲劳失效是指结构在循环载荷作用下，逐渐产生微观结构的变化，导致结构在低于其承受静载强度的条件下发生破坏的现象。
疲劳失效通常发生在金属材料制成的结构中，是机械工程中一种常见的失效形式。
疲劳失效的原理主要是由于循环载荷作用下，材料内部的应力-应变循环会导致微观结构发生变化，如位错、滑移、微裂纹等。
这些微结构变化逐渐累积，最终导致材料出现宏观裂纹并发生破坏。
影响疲劳失效的因素包括材料本身的特性，如材料的强度、硬度、韧性等，同时也与循环载荷的大小、波形、频率等有关。
此外，环境因素如温度、湿度、介质等也会对疲劳失效产生影响。
振动疲劳实验振动疲劳实验是为了研究结构在振动载荷作用下的疲劳性能和疲劳失效机理而进行的实验。
实验的主要目的是确定结构的疲劳极限，了解结构的疲劳行为，以及探寻防止结构疲劳失效的措施。
振动疲劳实验通常采用振动台或激振器来对结构施加振动载荷。
实验过程中需要对结构的响应进行测量和记录，包括位移、速度、加速度、应力、应变等参数。
同时，还需要对结构进行无损检测，如超声检测、射线检测、磁粉检测等，以发现和评估结构的微观裂纹和宏观裂纹。
振动疲劳分析方法振动疲劳分析是根据实验数据和理论模型对结构的疲劳性能进行评估和预测的过程。
常用的振动疲劳分析方法包括：（1）理论分析法：根据材料的力学性能和结构的几何形状、尺寸等因素，建立疲劳分析的力学模型，推导出疲劳载荷谱和疲劳寿命计算公式。
复合材料的疲劳寿命评估随着科技的不断发展，复合材料在各行各业中得到了广泛的应用。
然而，复合材料在使用过程中也存在着疲劳寿命的问题。
本文将通过介绍疲劳寿命的概念、评估方法以及相关因素，来探讨复合材料的疲劳寿命评估。
一、疲劳寿命的概念疲劳寿命是指复合材料在受到循环荷载作用下能够持续使用的时间或次数。
复合材料的疲劳寿命与其结构、材料特性以及加载条件密切相关。
评估复合材料的疲劳寿命可以帮助我们了解其耐久性能，从而更好地设计和使用复合材料制品。
二、疲劳寿命评估方法1. 基于振动台试验的评估方法振动台试验是一种常用的评估复合材料疲劳寿命的方法。
通过在振动台上施加循环荷载，可以模拟复合材料在实际使用中所受到的振动情况。
通过观察复合材料在不同荷载下的疲劳破坏情况，可以确定其疲劳寿命。
这种方法具有简单、直观的特点，是疲劳寿命评估的常用手段之一。
2. 基于数值模拟的评估方法数值模拟是另一种常见的疲劳寿命评估方法。
通过建立复合材料的有限元模型，可以模拟复合材料在实际加载条件下的应力应变分布。
进一步，可以利用疲劳寿命模型来预测复合材料的寿命。
数值模拟方法具有灵活性高、成本相对较低的优势，在实际工程中得到了广泛应用。
三、影响复合材料疲劳寿命的因素1. 循环荷载幅值循环荷载幅值是指复合材料在循环荷载作用下的最大变形量。
循环荷载幅值的大小直接影响了复合材料的疲劳寿命。
通常情况下，循环荷载幅值越大，复合材料的疲劳寿命越短。
2. 加载频率加载频率是指单位时间内复合材料所受到的循环荷载次数。
加载频率的高低也会对复合材料的疲劳寿命产生影响。
加载频率越高，复合材料的疲劳寿命越短。
3. 环境条件环境条件是指复合材料在使用中所处的环境条件，如温度、湿度等。
环境条件的改变会导致复合材料内部微观结构的变化，从而影响其疲劳寿命。
4. 材料特性材料特性是指复合材料的物理、力学等性质，包括材料的强度、韧性等。
材料特性对复合材料的疲劳寿命有着重要的影响。
焊接接头的疲劳寿命预测与优化方法研究引言：焊接接头是工程结构中常见的连接方式，它的质量直接影响到结构的安全性和可靠性。
在实际应用中，焊接接头常常会受到疲劳载荷的作用，长期受力容易导致疲劳破坏。
因此，对焊接接头的疲劳寿命进行预测和优化是非常重要的。
一、焊接接头疲劳寿命的预测方法1.1 经验公式法经验公式法是一种简单而常用的焊接接头疲劳寿命预测方法。
它基于试验数据和经验公式，通过对焊接接头的几何形状、材料性能和载荷条件进行分析，得出疲劳寿命的预测结果。
然而，由于经验公式法没有考虑到焊接接头的细节和复杂性，预测结果的准确性有限。
1.2 数值模拟法数值模拟法是一种基于有限元分析的焊接接头疲劳寿命预测方法。
它通过建立焊接接头的有限元模型，考虑材料的非线性、接触和热力耦合等因素，模拟焊接接头在疲劳载荷下的行为，并预测其疲劳寿命。
数值模拟法可以提供较为准确的疲劳寿命预测结果，但需要大量的计算资源和较长的计算时间。
二、焊接接头疲劳寿命的优化方法2.1 材料优化焊接接头的材料选择对其疲劳寿命有着重要影响。
优选高强度、韧性和抗疲劳性能良好的材料，可以提高焊接接头的疲劳寿命。
此外，采用表面处理、热处理等方法，可以进一步改善焊接接头的材料性能。
2.2 结构优化焊接接头的结构设计对其疲劳寿命同样至关重要。
通过减小焊接接头的应力集中区域、改善焊缝形状、增加半径过渡等措施，可以降低焊接接头的应力集中程度，提高其疲劳寿命。
此外，合理设计支撑结构和增加补强件等方法也可以有效提高焊接接头的疲劳寿命。
2.3 工艺优化焊接接头的工艺参数对其疲劳寿命有着重要影响。
通过优化焊接接头的焊接工艺参数，如焊接电流、焊接速度、焊接温度等，可以改善焊接接头的疲劳寿命。
此外，采用预热、后热处理等工艺措施，也可以提高焊接接头的疲劳寿命。
三、焊接接头疲劳寿命预测与优化方法的应用案例以某桥梁焊接接头的疲劳寿命预测与优化为例，通过数值模拟法建立焊接接头的有限元模型，考虑接头的几何形状、材料性能和载荷条件等因素，预测焊接接头的疲劳寿命。
基于verity方法的焊缝疲劳评估原理及验证焊缝疲劳评估是对焊缝在长期使用过程中受到的疲劳载荷和应力的评估。
而基于verity方法的焊缝疲劳评估原理主要包括应力计算、寿命评估、验证方法等。
首先，基于verity方法的焊缝疲劳评估原理需要进行应力计算。
焊缝的应力通常可以通过有限元分析或应力分析计算得到。
有限元分析是一种通过将大的结构或组件分成许多小的有限元来近似求解应力和变形的方法。
通过对焊接接头进行有限元分析，可以得到焊接应力的分布情况。
而应力分析可以通过公式计算得到应力值。
这样，将计算得到的应力值与焊接材料的疲劳极限进行比较，可以初步评估焊缝的疲劳寿命。
其次，基于verity方法的焊缝疲劳评估原理需要进行寿命评估。
焊缝的疲劳寿命可以通过S-N曲线和疲劳极限数据进行评估。
S-N曲线是通过将应力振幅与疲劳寿命的对数关系绘制而成的曲线。
而疲劳极限数据是表示焊接材料在特定应力条件下的寿命极限。
通过将根据应力计算得到的应力值代入S-N曲线，可以获得焊缝在长期使用过程中的疲劳寿命。
如果焊缝的疲劳寿命小于要求的使用寿命，说明焊缝存在疲劳问题，需要进行相应的处理和改进。
最后，基于verity方法的焊缝疲劳评估原理需要进行验证方法。
验证方法主要包括实验验证和现场验证两种方式。
实验验证是通过模拟实际工作条件下的应力和载荷对焊缝进行测试。
通过试验获得的数据，可以验证焊缝疲劳评估的准确性。
而现场验证是在焊缝实际工作环境下进行验证。
通过对现场焊缝的监测和分析，可以验证焊缝疲劳评估的准确性和可靠性。
综上所述，基于verity方法的焊缝疲劳评估原理主要包括应力计算、寿命评估和验证方法。
应力计算通过有限元分析或应力分析计算得到焊接应力的分布情况。
寿命评估通过S-N曲线和疲劳极限数据评估焊缝的疲劳寿命。
验证方法包括实验验证和现场验证两种方式。
通过以上原理和方法，可以对焊缝进行全面准确的疲劳评估，并制定相应的改进措施。
第 39 卷第 2 期航 天 器 环 境 工 程Vol. 39, No. 2 2022 年 4 月SPACECRAFT ENVIRONMENT ENGINEERING125 E-mail: ***************Tel: (010)68116407, 68116408, 68116544管路焊接结构的随机振动疲劳损伤分析李志强1，于 洋3，刘 艳2，刘 艺2，张梦妍3（1. 北京强度环境研究所 可靠性与环境工程技术重点实验室，北京 100076；2. 北京电子工程总体研究所，北京 100854；3. 北京强度环境研究所，北京 100076）摘要：航天飞行器管路结构在随机振动载荷作用下产生疲劳损伤，可能导致管路焊接结构的疲劳失效，影响飞行器正常飞行。
为此，开展飞行器管路焊接结构的疲劳损伤分析研究。
首先建立管路结构的有限元模型，并通过计算模态分析和试验模态分析验证模型的准确性；然后考虑材料疲劳特性的离散性，推导焊接材料的P-S-N曲线以及疲劳损伤的计算表达式；随后采用结构应力法开展复杂管路焊接结构的疲劳损伤分析，确定其薄弱环节的中位疲劳寿命为5.23×104 s；进一步采用概率分析方法得到管路焊接结构疲劳寿命与可靠度的关系。
以上研究结果可为管路及整体结构的可靠性设计提供支撑。
关键词：随机振动；焊接结构；可靠度；疲劳损伤中图分类号：V415.6; V421.1文献标志码：A文章编号：1673-1379(2022)02-0125-08 DOI: 10.12126/see.2022.02.002Analysis of fatigue damage of welded pipe structure under random vibrationLI Zhiqiang1, YU Yang3, LIU Yan2, LIU Yi2, ZHANG Mengyan3(1. Science and Technology on Reliability and Environment Engineering Laboratory,Beijing Institute of Structure and Environment Engineering, Beijing 100076, China;2. Beijing Institute of Electronic System Engineering, Beijing 100854, China;3. Beijing Institute of Structure and Environment Engineering, Beijing 100076, China)Abstract: When the pipeline structure in the space vehicle is subjected to the random vibration load, the fatigue damage will be accumulated in the welding part, and the normal flight of the space vehicle will be in danger. This paper analyzes the dynamic strength of a pipeline structure with welded joints in the space vehicle. Firstly, the finite element model of the pipeline structure is established, and the accuracy of the model is verified by the computational modal analysis and the experimental modal analysis. In view of the scattering nature of the material fatigue characteristics, the P-S-N curve of the welding material and the expression of the fatigue damage are obtained. Then, the structural stress method is used to analyze the fatigue damage of the complex pipeline welded structure, and the median fatigue life of the weak link is determined to be 5.23×104 s. Furthermore, the relationship between the fatigue life and the reliability of the welded parts of the pipeline structure is obtained by the probability analysis method. The calculation results can provide a support for the reliability improvement of the pipeline structures and the reliability design of the whole structure.Keywords: random vibration; welded structure; reliability; fatigue damage收稿日期：2021-07-24；修回日期：2022-03-28引用格式：李志强, 于洋, 刘艳, 等. 管路焊接结构的随机振动疲劳损伤分析[J]. 航天器环境工程, 2022, 39(2): 125-132LI Z Q, YU Y, LIU Y, et al. Analysis of fatigue damage of welded pipe structure under random vibration[J]. Spacecraft Environment Engineering, 2022, 39(2): 125-1320 引言管路结构广泛应用于飞行器储箱增压、推进剂输送、压力测量、气封吹除及伺服排焰等。
