一种焊接接头双轴拉伸疲劳试验件设计方法

1.本发明涉及一种焊接接头双轴拉伸疲劳试验件，尤其针对机匣薄壁壳体环形焊缝，可以通过双轴拉伸疲劳试验考核焊缝在复杂载荷下的多轴疲劳性能。


背景技术：

2.在航空发动机领域中，各类典型机匣往往是重要的承压件及限寿件，机匣薄壁壳体与安装边之间通常采用电子束焊、氩弧焊等工艺焊接。在服役环境下，机匣薄壁壳体环形焊缝往往承受着内压力、轴向力等复杂循环载荷作用，呈现典型的双向应力状态。为考核研究机匣焊接结构多轴疲劳性能，需要设计一种带焊缝的双轴拉伸疲劳试验件。
3.目前国内大都采用弯-扭疲劳试验研究焊接接头的多轴疲劳性能。或是采用十字形试验件来研究材料双轴疲劳裂纹扩展行为。例如：
4.bibbo n.d.；arora v.；pedersen m.m.在“comparison of findley and mwcm multiaxial fatigue methods using the notch stress method on welded joints”(procedia structural integrity，2021，1)中，在比例弯扭多轴载荷作用下比较了findley准则和改进的曲线法对焊接接头多轴疲劳寿命预测研究的适用性。
5.liu jiayu；bao wenjie；zhao jiayu；zhou changyu在“fatigue crack growth behavior of cp-ti cruciform specimens with mixed mode i-ii crack under biaxial loading”(materials，2022，3)中，以十字形试验件为研究对象，在存在初始裂纹的情况下，提出了一种新的有效应力强度因子，对双轴疲劳裂纹扩展行为开展了研究。
6.综上所述，国内外学者所采用的多轴疲劳试验件并不适用于焊接接头在复杂应力状态下的疲劳寿命研究，对于能够满足机匣薄壁壳体焊缝处多轴疲劳性能考核的试验件设计尚未见报导。因此，本发明针对已有十字型双轴拉伸疲劳试验件进行改进，发展了一种焊接接头双轴拉伸疲劳试验件设计方法。


技术实现要素：

7.本发明针对以上问题，提出了一种焊接接头双轴拉伸疲劳试验件设计方法，其试验区应力水平较高且均匀，试验成功率高且结果准确。
8.本发明的技术方案为：所述试验件呈十字形，由两块t字形薄板通过对接焊的方式连接而成，并在二者之间形成直线状的焊缝3，在所述试验件中心的正反两面设有圆形减薄区2，所述十字形的试验件具有四个夹持臂1，相邻夹持臂1之间开设有过渡槽，从而在相邻夹持臂1之间形成夹持臂过渡圆弧4；
9.按以下步骤进行设计：
10.步骤1、几何尺寸优化；
11.基于ansys workbench-direct optimization中amo(adaptive multiple-objective)自适应多目标迭代遗传算法，以中心减薄的十字形双轴试件为初始构型对试验件几何尺寸进行优化设计；
12.同时以试验区最大等效应力σ
eq,max
与十字臂圆弧处最大等效应力σ
eq-a,max
的比值，及试验区中心等效应力σ
eq-c,max
与中心减薄倒角处最大等效应力σ
eq-r,max
的比值为约束条件，进行迭代计算从而确定其具体几何尺寸参数；经验证，试验件试验区应力水平明显高于非试验区，即疲劳裂纹更易萌生于试验区。该试验件能够为考核机匣薄壁壳体环形焊缝多轴疲劳性能提供支撑。
13.具体来说：
14.首先根据试验件初始构型建立其几何模型并进行模拟计算，所采用材料参数与实际机匣保持一致；载荷设置等轴加载，端面边界条件设置沿加载方向位移自由，其他方向位移为0；试验件初始构型中，常数量包括夹持端厚度、夹持端宽度、试验区厚度、轮廓尺寸，其它参数作为需要优化的设计变量；
15.将设计变量作为初始输入参数，包括试验区直径d2、过渡圆弧直径d3、过渡圆心位置(x,y)以及试验区倒角r，将试验区中心处等效应力σ
eq-o
、试验区最大等效应力σ
eq-c,max
、试验区倒角处最大等效应力σ
eq-r,max
、夹持臂过渡圆弧最大等效应力σ
eq-a,max
作为目标因变量，具体位置如图3所示；然后设置优化参数，即在direct optimization(direct optimization为ansys workbench工具箱中设计探索模块的直接优化方法)中设置两个预期结果：(1)(σ
eq-c,max-σ
eq-a,max
)/σ
eq-a,max
》8％；(2)k
t
(σ
eq-r,max
/σ
eq-o
)《1.06。其中k
t
表示试验区的应力集中系数；根据预期结果分别设置所选择设计变量的变化范围、优化目标和约束条件，具体数值如表1、表2所示；
16.表1设计变量优化范围
17.设计变量变化范围试验区直径28≤d2≤40过渡圆弧直径22≤d3≤50过渡圆心位置(28，28)≤(x，y)≤(35，35)试验区倒角5≤r≤10
18.表2目标因变量优化目标及约束
[0019] 优化目标选项数值/mpa约束条件选项数值/mpaσ
eq-o
maximize800————σ
eq-a，max
minimize0value≤upper bound610σ
eq-r，max
maximize800value≥lower bound662σ
eq-c，max
maximize800————
[0020]
最终通过自适应多目标(adaptive multiple objectives)算法优化得到pareto解集，对比候选样本应力结果，并提取最优解作为后续分析用焊接接头双轴拉伸疲劳试验件。
[0021]
步骤2、设计双轴比；
[0022]
需要保证试验件试验区的应力状态能够模拟实际机匣危险部位的应力状态。首先针对某型燃烧室机匣在内压力及轴向力载荷作用下开展有限元模拟计算，分析应力水平相对较高焊缝的危险部位的主应力，即σ1、σ2、σ3，结果显示，在上述载荷下，机匣焊缝处σ3＝0，只有σ1、σ2，其中σ1沿机匣轴向，σ2沿机匣周向，即双向应力状态，因此对模拟试验件的设计只需满足试验区σ1/σ2与实际机匣焊缝危险区一致即可；
[0023]
其次基于步骤1所确定的焊接接头双轴拉伸疲劳试验件，在x轴载荷f
x
固定的情况下，分别讨论双轴比γ，即y轴载荷fy/x轴载荷f
x
由0.1变化至1时试验件试验区应力状态的变化，具体加载方式如图4所示；采用插值法使试验件试验区应力状态与实际机匣焊缝危险部位应力状态分布一致，最终确定相应双轴比γ；如图5所示。通过合理设计双轴比γ，即可基于焊接接头双轴拉伸疲劳试验件，模拟在复杂载荷(内压力、轴向力)作用下下机匣薄壁壳体环形焊缝的双向应力状态，考核其多轴疲劳性能，具有一定普适性。
[0024]
步骤3、设计焊缝与水平方向角度α；
[0025]
需要保证焊缝截面上剪应力和正应力分布与实际机匣焊缝危险部位一致。首先针对某型燃烧室机匣开展有限元分析，分析应力水平相对较高焊缝的危险部位的剪应力和正应力分布；
[0026]
其次基于步骤1所确定的焊接接头双轴拉伸疲劳试验件，在步骤2所确定的双轴比加载情况下，分别讨论焊缝角度α由0
°
变化至90
°
时所设计焊缝路径的剪应力和正应力变化规律，使得试验件试验区焊缝路径剪应力和正应力分布与实际机匣焊缝危险部位剪应力和正应力分布一致，从而确定最终的焊缝角度α。
[0027]
步骤4、加工焊接接头双轴拉伸疲劳试验件；
[0028]
所述焊接接头双轴拉伸疲劳试验件由两块薄板通过对接的方式焊接而成，可以采用不同焊接工艺如电子束焊、氩弧焊等。焊接接头包括母材区，热影响区以及熔合区。并基于步骤2在焊接板材中心正反两面设置厚度均匀的圆形减薄区，目的是使试验区的应力水平较高且分布均匀；
[0029]
其次试验区厚度变化处设置了圆形倒角进行过渡，且设置过渡倒角半径数值大于5mm，避免应力集中出现在倒角根部位置，通过合理设置加载双轴比γ及焊缝角度α，保证试验件焊缝路径上的应力状态与实际构件焊缝处完全一致，达到考核焊缝性能的目的。在实际的双轴拉伸疲劳试验中，该试验件焊缝试验区即是考察焊接接头疲劳性能的关键部位。
[0030]
以上方法使得该试验件实现了双轴拉伸疲劳试验中所要达到的效果：第一，基于amo优化方法设计的试验件能够满足试验区的应力水平高于非试验区且相对均匀，从而使疲劳裂纹萌生于试验区焊缝截面，并有助于设置不同载荷级开展双轴拉伸疲劳试验，使得试验结果更为准确；第二，基于第一步优化设计的试验件，讨论试验件试验区应力状态随不同双轴比γ的变化趋势，采用插值法确定能够模拟实际机匣焊缝危险部位应力状态的双轴比γ；第三，基于第一步优化设计的试验件，在第二步所确定的双轴比加载情况下，讨论试验件试验区剪应力和正应力分布随焊缝角度α的变化趋势，并确定能够模拟实际机匣焊缝危险部位剪应力和正应力分布的焊缝角度α。
[0031]
本发明为焊接接头双轴拉伸疲劳试验件的设计提供了一种思路，即在保证试验成功的前提下，通过合理设计试验件几何尺寸、加载双轴比、焊缝加工角度，使得试验件焊缝路径能够与任意构件关注部位的应力状态一致。同时基于workbench前处理中参数化建模，优化设计过程更加方便高效，经验证结果准确度更高。综上所述，该设计方法能够达到考核焊缝多轴疲劳性能的目的。
附图说明
[0032]
图1是一种焊接接头双轴拉伸疲劳试验件三维模型图；
[0033]
图2是一种焊接接头双轴拉伸疲劳试验件结构示意图；
[0034]
其中1是夹持臂；2是圆形减薄区；3是焊缝；4是夹持臂过渡圆弧；
[0035]
图3是等效应力位置示意图；
[0036]
图4是主应力位置示意图；
[0037]
图5是双轴比由0.1变化至1时试验件试验区应力状态的变化图；
[0038]
图6是具体实施例中焊接接头有限元模拟双轴加载后mises等效应力分布图；
[0039]
图7a是具体实施例中加载时焊缝路径主应力结果图；
[0040]
图7b是实际机匣焊缝危险部位主应力结果图；
[0041]
图8a是具体实施例中双轴加载时焊缝路径剪应力和正应力分布结果图；
[0042]
图8b是实际机匣焊缝危险部位剪应力和正应力分布结果图。
具体实施方式
[0043]
为能清楚说明本专利的技术特点，下面通过具体实施方式，并结合其附图，对本专利进行详细阐述。
[0044]
本发明是将两块薄板通过对接焊的方式连接形成直焊缝，然后在焊接板材中心正反两面设置圆形减薄区。双轴拉伸疲劳试验件三维模型如图1所示，结构说明如图2所示，图2中标示3即为焊接接头双轴拉伸疲劳试验件考核区域，试验件的横向剖面图如图2中section a-a所示，试验区的局部放大图如图2中detail b所示，从局部放大图中可看到试验区与其他部位设置圆形倒角进行过渡，目的是使得焊缝试验区的应力水平相对均匀，避免应力集中现象。在实际双轴拉伸疲劳试验中，将试验件的4个夹持区1与双轴疲劳试验机的4个作动器连接在一起，通过作动器的夹头夹紧固定试验件，夹头的中心线与试验件的两个轴的轴线重合。通过操作试验机实现对该试验件施加双轴拉伸载荷，然后关注试验件试验区中焊接接头裂纹萌生的位置及疲劳寿命。
[0045]
为了判别该试验件的可行性，本实例通过有限元软件对其进行双轴拉伸模拟计算，由于试验件几何对称，计算时采用四分之一模型。根据有限元计算所确定机匣薄壁壳体焊缝危险部位的主应力为σ1/σ2＝550.8mpa/213.2mpa＝2.58，剪应力和正应力分布为τn/σn＝9.6mpa/550.5mpa＝0.0174，其中剪应力相对于正应力可忽略不计。通过讨论双轴比γ变化对试验件试验区应力状态的影响可得，当γ＝0.65时，设置x轴、y轴的载荷分别为f
x
＝15119.24n，fy＝9827.5n，试验件试验区焊缝处主应力为σ1/σ2＝550.8mpa/215.6mpa＝2.56，与实际机匣焊缝危险部位应力状态保持一致。通过讨论焊缝角度α变化对试验件试验区剪应力和正应力分布的影响可得，当焊缝角度设置为90
°
时，试验件试验区焊缝路径剪应力和正应力分布为τn/σn＝0mpa/550.8mpa＝0，与实际机匣焊缝危险部位剪应力和正应力分布保持一致(机匣薄壁壳体焊缝危险部位的剪应力相对于正应力可忽略不计)。因此在x轴、y轴正方向夹持区的端面分别设置拉伸载荷，材料属性与机匣保持一致设置为：e＝199gpa,υ＝0.3，提取90
°
焊缝路径上各应力结果进行分析。mises等效应力分布云图如图6所示，由图可以看出试验件试验区，即圆形减薄区2内的颜色深度明显于其他部位。试验区90
°
焊缝路径上的应力状态如图7a所示。试验区90
°
焊缝路径上的剪应力和正应力分布如图8a所示。综上所述，不难看出该试验件的应力集中部位是符合设计目的和设计要求的。因此，本发明所提出的焊接接头双轴拉伸疲劳试验件设计方法是有效可行的。
[0046]
本发明具体实施途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种焊接接头双轴拉伸疲劳试验件设计方法，其特征在于，按以下步骤进行设计：步骤1、几何尺寸优化；基于ansys workbench-direct optimization中amo自适应多目标迭代遗传算法，以中心减薄的十字形双轴试件为初始构型对试验件几何尺寸进行优化设计；同时以试验区最大等效应力σ
eq,max
与十字臂圆弧处最大等效应力σ
eq-a,max
的比值，及试验区中心等效应力σ
eq-c,max
与中心减薄倒角处最大等效应力σ
eq-r,max
的比值为约束条件，进行迭代计算从而确定其具体几何尺寸参数；经验证，试验件试验区应力水平明显高于非试验区，即疲劳裂纹更易萌生于试验区。该试验件能够为考核机匣薄壁壳体环形焊缝多轴疲劳性能提供支撑。步骤2、设计双轴比；基于步骤1所确定的试验件几何尺寸，在x轴载荷f
x
固定的情况下，分别讨论双轴比γ，即y轴载荷f
y
/x轴载荷f
x
由0.1变化至1时试验件试验区应力状态的变化；采用插值法使试验件试验区应力状态与实际机匣焊缝危险部位应力状态分布一致，最终确定相应双轴比γ；步骤3、设计焊缝与水平方向角度α；基于步骤1所确定的试验件几何尺寸，在步骤2所确定的双轴比加载情况下，分别讨论焊缝角度α由0
°
变化至90
°
时所设计焊缝路径的剪应力和正应力变化规律，使得试验件试验区焊缝路径剪应力和正应力分布与实际机匣焊缝危险部位剪应力和正应力分布一致，从而确定最终的焊缝角度α；步骤4、加工焊接接头双轴拉伸疲劳试验件；按照步骤1所确定的试验件几何尺寸、步骤2所确定的确定相应双轴比、步骤3所确定的焊缝与水平方向角度，对试验件进行加工。2.根据权利要求1所述的一种焊接接头双轴拉伸疲劳试验件设计方法，其特征在于，步骤1具体为：首先根据试验件初始构型建立其几何模型并进行模拟计算，所采用材料参数与实际机匣保持一致；载荷设置等轴加载，端面边界条件设置沿加载方向位移自由，其他方向位移为0；试验件初始构型中，常数量包括夹持端厚度、夹持端宽度、试验区厚度、轮廓尺寸，其它参数作为需要优化的设计变量；将设计变量作为初始输入参数，包括试验区直径d2、过渡圆弧直径d3、过渡圆心位置(x,y)以及试验区倒角r，将试验区中心处等效应力σ
eq-o
、试验区最大等效应力σ
eq-c,max
、试验区倒角处最大等效应力σ
eq-r,max
、夹持臂过渡圆弧最大等效应力σ
eq-a,max
作为目标因变量；然后设置优化参数，即在direct optimization中设置两个预期结果：(σ
eq-c,max-σ
eq-a,max
)/σ
eq-a,max
>8％；k
t
(σ
eq-r,max
/σ
eq-o
)<1.06。其中k
t
表示试验区的应力集中系数；根据预期结果分别设置所选择设计变量的变化范围、优化目标和约束条件；最终经优化得到pareto解集，对比候选样本应力结果，并提取最优解作为后续分析用焊接接头双轴拉伸疲劳试验件。3.根据权利要求1所述的一种焊接接头双轴拉伸疲劳试验件设计方法，其特征在于，步骤2具体为：首先针对某型燃烧室机匣在内压力及轴向力载荷作用下开展有限元模拟计算，分析应力水平相对较高焊缝的危险部位的主应力，即σ1、σ2、σ3，结果显示，在上述载荷下，机匣焊缝处σ3＝0，只有σ1、σ2，其中σ1沿机匣轴向，σ2沿机匣周向，即双向应力状态，因此对模拟试验件的设计只需满足试验区σ1/σ2与实际机匣焊缝危险区一致即可；
其次基于步骤1所确定的焊接接头双轴拉伸疲劳试验件，在x轴载荷f
x
固定的情况下，分别讨论双轴比γ，即y轴载荷f
y
/x轴载荷f
x
由0.1变化至1时试验件试验区应力状态的变化；采用插值法使试验件试验区应力状态与实际机匣焊缝危险部位应力状态分布一致，最终确定相应双轴比γ。4.根据权利要求1所述的一种焊接接头双轴拉伸疲劳试验件设计方法，其特征在于，步骤3具体为：首先针对某型燃烧室机匣开展有限元分析，分析应力水平相对较高焊缝的危险部位的剪应力和正应力分布；其次基于步骤1所确定的焊接接头双轴拉伸疲劳试验件，在步骤2所确定的双轴比加载情况下，分别讨论焊缝角度α由0
°
变化至90
°
时所设计焊缝路径的剪应力和正应力变化规律，使得试验件试验区焊缝路径剪应力和正应力分布与实际机匣焊缝危险部位剪应力和正应力分布一致，从而确定最终的焊缝角度α。

技术总结
本发明公开了一种焊接接头双轴拉伸疲劳试验件设计方法，涉及一种焊接接头双轴拉伸疲劳试验件。其试验区应力水平较高且均匀，试验成功率高且结果准确。按以下步骤进行设计：步骤1、几何尺寸优化；步骤2、设计双轴比；步骤3、设计焊缝与水平方向角度α；步骤4、加工焊接接头双轴拉伸疲劳试验件。该试验件实现了双轴拉伸疲劳试验中所要达到的效果：第一，使疲劳裂纹萌生于试验区焊缝截面，并有助于设置不同载荷级开展双轴拉伸疲劳试验，使得试验结果更为准确；可以确定能够模拟实际机匣焊缝危险部位应力状态的双轴比γ；可以确定能够模拟实际机匣焊缝危险部位剪应力和正应力分布的焊缝角度α。度α。度α。


技术研发人员：刘小刚 宣宏林 彭伟平 于盛吉
受保护的技术使用者：南京航空航天大学
技术研发日：2023.04.20
技术公布日：2023/8/5