使用峰值应力法评估大型焊接钢结构的疲劳寿命

使用峰值应力法评估大型焊接钢结构的疲劳寿命摘要大型焊接钢结构（例如履带式挖掘机）的焊缝的精确寿命评估对于能够优化这些结构非常重要。在某些情况下，已证明必须使用具有虚拟缺口半径的局部应力方法才能达到所需的精度。不幸的是，这些方法非常耗时且耗费资源，因此无法在大型钢结构上进行系统应用。峰值应力法（PSM）可能是一种替代方法，因为它的精度似乎很高，而且该方法非常有用。本文显示了在PSM上所做的测试结果，这些PSM应用于液压挖掘机的大型钢结构。使用虚拟缺口半径方法进行了精度和速度方面的比较。关键词：疲劳；

焊缝；

工业应用；

局部压力法；1.简介本文介绍了峰值应力法（本文称之为PSM）在履带式挖掘机主要钢构件（附件和底架）等大型焊接钢结构寿命评估中的应用结果。PSM方法不会在本文中详细介绍，读者可以参考梅涅格蒂的参考书目中列出的论文（[2]和[3]）。与工业上使用的其他局部应力方法相比，PSM具有一些易于应用的特点，例如Radaj提出的、IIW[4]推荐的虚拟缺口半径概念（本文称为R1概念）。在第一部分简要介绍了当前使用的疲劳模拟方法和用PSM识别的机会之后，第二部分将展示在该试验阶段获得的结果，并将其与使用R1概念的结果进行比较。第三部分将展示PSM的可能扩展，以评估焊接端的寿命。2.内容描述2.1当前过程的描述法国利勃海尔目前使用的评估焊接部件寿命的方法包括三个步骤（图1对此进行了说明）第一步是全局公称应力方法，其中将一个唯一的FAT类（焊缝专用SN曲线[4]）应用于结构的所有元素，并使用临界面方法计算寿命。第二步是焊缝，这是为壳单元开发的标称应力方法：仅选择焊接单元，并根据其类型和焊接参数分配正确的FAT类，然后根据焊缝的纵向和垂直应力计算寿命。这种方法在[1]中有进一步的描述。第三步是局部应力法，根据IIW指南[4]中描述的R1概念，可以用实体元素局部模拟步骤2中确定的热点（如果需要）。当必须优化焊接参数时，以及在热点上需要更高的精度时，可以使用此步骤。当然，此步骤最耗时和最费资源。PSM已被确定为步骤3的潜在候选者。自然地，由于对焊缝进行了显式建模，因此它可以实现与R1概念相同的参数优化。最大的优点是建模似乎更容易实现，因此所需的自由度数量要少得多。该项目的主要目的是验证当在履带式挖掘机的大型结构部件上使用PSM时，已证明对简单几何形状非常好的方法的精度是否仍可与R1概念相媲美。2.2PSMvsR1概念在这一部分中，将提供更多细节，以比较在简单的交叉关节模型上PSM的实现与R1概念的实现。图2比较了模型，并显示了PSM不需要在凹口处建模任何局部虚拟半径。在模型上添加的唯一特殊功能是在根部的打开角度（通常选择3°）。图3显示了两种方法都使用的网格。在此示例中，网格大小的数量级大10倍。生成网格的唯一参数是可以使用等式估算的网格大小。（1），其中L是未熔根的长度，z是焊脚长度，t是板厚：𝑑=min(𝐿,𝑧,𝑡)/33测试结果3.1测试说明该测试是使用Meneghetti建议的两种公式，通过ANSYS软件（V19.1）完成的。首先使用了六面体元素。用这种公式计算出第3.2节中给出的结果。第二步，对四面体元素进行了测试，并证明了在复杂几何形状上实现四面体元素的效率更高。用第二种公式计算了第3.3节中给出的结果。后处理包括手动收集正确的局部坐标系中的应力分量。使用R1概念的FAT225和PSM的FAT156来计算寿命（[2]），这两种方法都是推荐的FAT类，失败概率从2.5％开始。3.2简单几何测试为此目的选择的几何结构是简单的探针，其中疲劳结果可用，其中一些已经由Meneghetti计算并记录在一篇论文中。对于这些几何图形，可以检索结果。对于所有这些几何形状，将结果与R1概念的结果进行比较。寿命PSM和寿命R1概念之间的商的平均值对于焊趾为0.64，对于焊根为0.76。这表明在这些示例中，PSM比R1概念更为悲观一些。还对性能进行了比较，得出的结论是，在这些几何上实施PSM所需的总体平均时间比R1概念所需的平均时间少3倍。总时间由准备时间（几何+网格），网格化时间和计算时间组成。3.3工业几何形状测试首先，使用六面体元素的原始配方已应用于工业组件。结果很好，但是对于复杂的几何图形，总的时间节省不如简单几何图形所预期的那样大。这是由于网格划分的准备时间。该方法需要一些网格规则，如图4所示：在根部需要4个元素，在焊趾处需要2个元素。因此，要实现它有点棘手且费时（可能需要重新排列几笔）。Meneghetti在[3]中建议的第二种公式使用四面体元素（实体187）。在这种情况下，无需在网格上实现其他规则。这是使用这些元素的主要优点：网格划分时间更短，不需要重新网格化。使用这种方法对履带式挖掘机的两个不同的大型结构部件进行了建模，分别是起落架和动臂。尚未对整个焊缝进行建模，仅对某些需要局部应力方法的选定焊缝进行了建模。图6显示了所有评估区域的R1概念和PSM之间的比较结果。尽管PSM似乎比R1概念在系统上更加悲观，但两种方法之间在视觉上都有很好的相关性。PSM的循环数与R1概念的循环数之比的平均值为0.47。变异系数为27％，证实了结果的较小分散。此比率值偏低的原因尚不清楚，但由于它似乎是系统性的，因此可以通过调整FAT类进行纠正。与这些测试进行比较的第二个问题是性能。在准备过程中已经获得了很大的时间收益，尤其是在起落架方面。该零件的焊接非常复杂，这导致R1概念的巨大啮合问题。根据PSM的网格划分非常快。在这种情况下，增益估计高达30倍。4.焊接末端方法的推广PSM对焊缝建模的方法（不需要半径）使我们可以专注于焊缝末端（焊缝的起点和终点）。这些几何形状相对比较复杂，无法使用虚拟半径概念进行建模。图7显示了Kaffenberger等人在2012年的论文中建议的示例。[6]。在精度方面，结果似乎很有希望，但是该模型的复杂性使其难以在工业上应用。因此，目前仅通过标称应力方法评估焊接端，但是这种方法在精度方面当然受到限制，并且不允许任何优化。为了对焊缝的PSM进行首次测试，在建筑，矿山和钻井设备制造商专业委员会TPMF的倡议下，决定对正在Cetim进行的当前项目中使用的两个样品进行建模。[5]。图8示出了用于该测试的两个样品的几何形状。样本1是焊接端不承载载荷的示例，而样本2是承载焊缝端的示例。测试结果显示了两种不同的裂纹萌生：-对于样品1，在30个测试样品的焊缝根部末端沿基片的方向开始产生裂纹。–对于样品2，23个测试样品，裂纹在同一点但在焊接薄板的方向上开始。裂纹起始位置与测试相关，如图9所示。红色箭头指出了模拟中的最大损坏位置。在模拟中也很好地预测了裂纹的方向：对于样品1，最大的损坏在焊缝末端的水平边缘上，这会导致基片中出现裂纹，对于样品2，最大的损坏位于在垂直边缘上。为了了解理想化几何形状对结果的影响，已测试了焊接端的三个不同角度：90°，120°和135°。表1给出了绝对循环次数的结果。三个不同角度的结果在样品1的系数2.4内和样品2的系数4内变化。对样品的几何形状进行3D扫描，已经测量了平均角度。结果表明，该角度始终大于90°，平均值约为110°，对于某些样品，该角度高达135°，甚至更高。用120°角的PSM进行的循环次数与测试的循环次数之间的比较表明，PSM是悲观的（样本1的系数为3.1，样本2的系数为2.1）。可以将该结果与使用R1概念在第3.3节中进行的比较进行比较，在该比较中，PSM也被证明是悲观的。但是，应该注意的是，仍在研究针对90°缺口开角的PSM校准。5.结论在该项目中进行的测试表明，PSM似乎是R1概念的可靠替代品，可用于焊接结构的寿命评估。该方法的效率可以使分析师节省大量的分析时间。该方法似乎比R1概念有些悲观，但是由于这似乎是系统的，因此可以通过调整PSMFAT类来纠正。但是，在这一点上还需要进行更多的研究才能得出结论。在高效的工业应用中，下一步需要的是该项目中手动完成的后处理自动化。关于焊接端，尽管结果过于悲观，但本文提出的第一个结果还是很有希望的。在将其用于工业应用之前，需要对此主题进行一些其他工作。参考文献[1]Elbel,Karge,November2011,Improvementsinthefatigueassessmentoflargeweldedstructuresusingthenominalstressapproach,Fatiguedesignproceedings,Senlis[2]Meneghettietal.,November2017,ThePeakStressMethodtoassessthefatiguestrengthofweldedjointsusinglinearelasticfiniteelementsanalyses,Fatiguedesignproceedings,Senlis,[3]Meneghettietal.,May2018,Rapidestimationofnotchstressintensityfactorsin3Dlarge-scaleweldedstructuresusingthepeakstressmethod,Fatigue2018Congress,Poitiers[4]Hobbacher,Recommendationsforfatiguedesignofweldedjointsandcomponents[5]Jubin,Huther,October2018,Influencedesextrémitésdecordonsurlatenueenfatigue–Etudedesprocéduresdedémarrageetarrêt,RapportdeprojetcommissionTPMF/Cet