基于焊接结构疲劳寿命与焊接工艺设计一体化

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牲泗颜
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1 Computer Science and Appication 计算机科学与应用, 204, 4, 3-7 Pubished Onine June 204 in Hans. Based on the Fatigue Life of Weded Structures and Weding Process Design Integration Yongsheng Huang Coege of Mechatronics Engineering of Guangdong Petrochemica University, Maoming Emai: Received: Apr. 30 th, 204; revised: May 29 th, 204; accepted: Jun. 8 th, 204 Copyright 204 by author and Hans Pubishers Inc. This work is icensed under the Creative Commons Attribution Internationa License (CC BY). Abstract In the weding fatigue estimation, Internationa Institute of Weding Standard and British Standard are widey used. The weding structure fatigue and weding process parameter integration system are deveoped by vc.net and MS-SQL toos. By using the structure of cients and servers, the system provides the distributed patform. So, users can use it in different design patforms. The paper reaizes the stress fatigue ife anaysis, the strain fatigue ife anaysis, the mutichanne and muti-oad fatigue ife estimation, the no s-n curves estimation and the fatigue ife estimation. The paper aso reaizes Internationa Institute of Weding Standard, British Standard and the weding parameter management. Keywords Fatigue Life, Wed Structure, Integration 基于焊接结构疲劳寿命与焊接工艺设计一体化黄永生广东石油化工学院机电工程学院, 茂名 Emai: huang_hys976@qq.com 收稿日期 :204 年 4 月 30 日 ; 修回日期 :204 年 5 月 29 日 ; 录用日期 :204 年 6 月 8 日 3

2 摘要本文基于 BS IIW 等标准, 用 VC.NET 和 MS-SQL 开发工具设计开发了一套焊接结构疲劳寿命估算与工艺设计集成系统, 实现了分布式的工作平台, 从而为设计人员协同设计提供一个好的设计平台实现了应力疲劳寿命分析和应变疲劳寿命分析多通道多载荷疲劳寿命估算对于无实验数据时 S-N 曲线估计及疲劳寿命估算实现了 IIW 标准 BS 标准焊接参数管理等功能关键词疲劳寿命, 焊接结构, 一体化. 引言疲劳破坏, 是铁路车辆的主要失效形式它的危害在于, 当车辆主要承载构件承受连续交变载荷时, 将可能比静载荷应力水平低得多的情况下损坏, 由于潜在的危害不易被发觉, 所引起的断裂具有瞬发性, 往往给铁路部门带来意想不到的严重后果针对车辆疲劳产生机理的复杂性, 其分析往往涉及实测数据的大量性, 尤其是焊接结构的抗疲劳设计, 更加要求在铁路车辆新产品研制过程中进行抗疲劳设计在工程上, 对于一些简单的疲劳问题, 多采用疲劳总寿命法来预测疲劳寿命和指导疲劳设计主要分为应力寿命法和应变寿命法两类 [] 应力寿命法是基于 Woher 提出的 S-N 曲线和疲劳持久极限的概念的方法, 多用于无限寿命设计材料的基本 S-N 曲线是指光滑材料在恒幅对称循环应力作用下应力幅与疲劳寿命的关系曲线可以通过试验的方法测量材料的 S-N 曲线应力比或平均应力对其有一定的影响一般来说, 当平均应力 S m > 0,S-N 曲线下移, 如果 S m < 0, 则 S-N 曲线上移应变寿命法是建立在材料承受的应变幅与疲劳寿命的关系上, 由 Coffin 和 Manson 在热疲劳问题的过程中提出了以应变幅作为参量的疲劳寿命描述方法 [2] [3] 2. 焊接结构对疲劳影响对于焊接结构的疲劳强度评估系统主要根据疲劳控制部位, 也就是指容易出现疲劳裂纹并导致整个构架疲劳失效的部位疲劳控制部位的寿命代表了构架的整体寿命正确的确定构架上疲劳控制部位是动应力测试的关键环节之一对于危险部位主要出现在如下几个方面 : ) 通过有限元应力分析, 确定静应力最大和较大部位定为关注点 ; 2) 通过对焊接接头的细部设计, 对焊缝区和焊趾处 ; 3) 通过对构架的模态分析和传递动载荷而大小又难以确定的部位 ; 4) 调查分析构架在疲劳试验或运用中曾经出现过疲劳裂纹的部位确定好危险部位之后, 然后通过针对危险部位进行疲劳寿命评估, 从而得出各处的疲劳寿命, 采用可靠性原理就可以计算出系统的疲劳寿命为了保证焊接结构的寿命, 就需要有相应的焊接工艺来保证焊接工艺主要包括焊接工艺参数的选择焊接材料的选择焊接设备焊接坡口和接头等对于焊接质量是否得到保证我们还提供了焊接残余应力和焊接变形方面的技术来保证 C = (ks u ) m 0 6, m = 3/g(0.9/k), 对于这种估计的 S-N 曲线, 只用于寿命为 0 3 ~0 6 之间的疲劳估计, 不易外推 4

3 ( S ) m ( ) n nc S i = N S S i u m i a m m () 式中 S u 为名义应力, S m 为平均应力, S a 为应力幅值,m 系数, C 常量, n i 为该应力下循环次数, N i 为在某应力下疲劳破坏总的次数 [4] 3. 两参数 S-N 曲线测定及疲劳寿命计算对于有实验数据的疲劳寿命估算系统还给出了两参数法进行 S-N 曲线的测定与绘制根据 gn = a + b gσ, 通过确定 a 和 b 的值就可以确定 S-N 曲线, 对于参数 a 和 b 的确定可以通过公式 4 和公式 5 来确 a 定 b = gσ g N gσ g N L 2 2 ( gσ ) ( gσ ) = = = J = b a = ( g N ) gσ (3) = = 在公式 2 和公式 3 中,g N 为 σ 下的对数平均寿命, 为应力水平级数 σ 为第级应力水平的应力值抗疲劳设计的反问题是在规定的设计疲劳寿命下反求结构的设计应力有 Miner 线性积累损伤理论可知, 疲劳寿命破坏是由各级损伤累积达到一定量级而造成的根据 Miner 线性累计理论损伤, 每种载荷通道所产生的疲劳损伤能量值可以累加, 根据这一理论可以得出多载荷多通道疲劳寿命计算公式为 []: 4. 焊接工艺 4.. 坡口数据管理疲劳劳寿 = 寿命寿命 2 寿命 3 系统采用了 DIN6700 德国标准, 该标准设计了大量的坡口, 同时, 也采用了国内的坡口设计标准坡口的形状主要有 I 形 K 形单 V 形 U 形 Y 形等形式坡口的形状的选择与接头的形式工件的厚度等有关 4.2. 焊接工艺参数焊接工艺参数主要与焊接方法焊接次序母材组成成分母材的规格焊接材料等因素有关它主要包括焊接电流焊接速度焊接电压气体流量焊件厚度焊接温度等数据 4.3. 焊接材料管理本系统主要用到了焊条和焊丝系统中焊条包括碳钢焊条不锈钢焊条堆焊焊条铜及铜合金焊条铝及铝合金焊条等 ; 系统中焊丝仅提供了实芯焊丝, 如低锰焊丝中锰焊丝和高猛焊丝等 5. 系统功能结构及流程软件系统选用的 ORACLE g 作为网络数据库服务器 ORACLE g 是基于关系数据库的大型数据库系统, 它具有独立于硬件平台堆成的多处理器结构抢占式多任务管理完善的安全系统和容错 (2) (4) 5

4 功能, 具有易于维护的特点可以通过客户端调用 ORACLE 服务器上的过程函数触发器等直接在服务器上工作, 减少客户端的工作, 提高工作效率数据库开发采用 ADO(ActiveX Data Obect) 技术, 该技术提供了编程语言和统一数据访问方式 OLE-DB 的中间层, 通过 OLE-DB 停工这对数据库服务器中的数据库进行访问和操作, 其主要优点易于使用高速度低内存支出和占用磁盘空间上, 并且 ADO 支持建立基于 C/S 应用程序的主要功能 5.. 系统功能模块系统主要由系统管理功能模块焊接数据管理模块疲劳数据管理模块焊接工艺卡片模块焊接变形和残余应力控制模块疲劳寿命估算模块等其中系统管理模块主要包括用户管理权限管理和任务分配 ; 焊接数据管理主要包括坡口形状及参数焊接材料及其力学性能焊接设备焊接工艺参数焊接方法 ; 疲劳数据管理主要包括 BS 标准 IIW 标准 AAR 标准国内相关数据应力谱数据等 ; 焊接工艺卡片主要包括焊接工艺规程卡和焊接工序卡 ; 焊接残余应力和变形控制模块主要包括焊接残余应力的估算和焊接变形的估算 ; 疲劳寿命估算主要包括名义应力法热点应力法无限寿命法等方法来估算疲劳寿命具体结构图如图所示系统管理用户管理权限管理任务分配坡口形状及参数焊接数据管理焊接材料及其力学性能焊接设备焊接工艺参数焊接方法计算机辅助焊接工艺及疲劳设计一体化疲劳数据管理焊接工艺卡片焊接变形和应力控制疲劳寿命估算 BS 标准数据 IIW 标准 AAR 标准国内有关数据 ( 赵少汴等 ) 应力谱数据焊接工艺规程卡焊接工序卡焊接变形评估焊接残余应力评估名义应力法热点应力法无限寿命 Figure. The system function modue diagram 图. 系统功能模块图 6

5 载荷谱坡口形式动应力静应力坡口尺寸焊接接头应力修正的 S-N 曲线焊接工艺焊接电流焊接速度焊序寿命损伤求和焊接技术要求 Figure 2. System fow 图 2. 系统流程疲劳寿命 5.2. 系统结构流程对于疲劳寿命设计主要根据实测的载荷谱对产品进行结构有限元分析, 就可以得到相关的危险点的应力谱, 找出危险点然后对危险点进行热点应力计算得出热点应力谱, 根据设计标准找出其所对应的 S-N 曲线进行疲劳寿命计算, 根据多通道疲劳寿命计算公式就可以求出热点疲劳寿命在计算疲劳寿命时, 用应力范围 ( 最大最小应力之差 ), 根据这个可以求得 S-N 曲线上的疲劳次数具体的工作过程如图 2 所示 6. 总结本文用 VC.NET 和 MS-SQL 软件工具开发的这套系统, 为设计人员可以通过分布式的系统来设计提供了可靠的工具基金项目茂名市科技计划项目资助 (2035) 参考文献 (References) [] 赵少汴, 王忠保 (997) 抗疲劳设计. 机械工业出版社, 北京. [2] D 拉达伊著, 郑朝云等译 (994) 焊接结构疲劳强度. 机械工业版社, 北京. [3] 霍立兴 (2000) 焊接结构的断裂行为及评定. 机械工业出版社, 北京. [4] 徐灏 (98) 疲劳强度设计. 机械工业出版社, 北京. 7

国学思想与大学数学

国学思想与大学数学 Pure Mathematics 理论数学, 2013, 3, 201-206 http://dx.doi.org/10.12677/pm.2013.33030 Published Online May 2013 (http://www.hanspub.org/journal/pm.html) Chinese Traditional Culture and College Mathematics