Neuber 应力法在评估镁构件焊接处疲劳状况分析方面的应用外文翻译资料

英语原文共 12 页

Neuber 应力法在评估镁构件焊接处疲劳状况分析方面的应用

摘要：

在本文研究的过程当中，镁连接件的焊接接口处的微观结构长度是由通过基于三种不同的焊接几何构型以及Neuber平均应力法的实验数据得到的。此项工作的目的是确定能够作为在各种镁制构件当中都相同的相关材料系数来使用的微观结构长度，从而可以应用于有效应力法和切口虚拟半径的计算当中。通过考虑实际半径为零时这一最糟糕的情况，该切口虚拟半径可以以一个全新的相关参考半径在镁结构物的焊接接口处来使用。

应用r_ref=1mm 和r_ref=0.5mm 这2种不同假设虚拟参考半径来计算切口处时，相关数据在计算过程当中使用情况很好。同样，FE分析在确认焊接几何模型的应力梯度有着广泛应用。有效应力法则是一种使用Neuber平均应力法得到的实验数据来计算应力梯度分布的方法。

最终通过将有效应力与通过R为0.5这一半径来反映可能出现的拉伸残余应力值较高的最糟糕状态下疲劳寿命而得出SN 曲线。并对这一系列的SN曲线的分散情况进行统计和其相关rho;^*进行比对。这一微观结构物的一致长度为rho;^*=0.12mm，至今仍无相关镁焊接件接口处微观结构长度的相关结果发表，而在本文中的结果则可以用来替换现有考虑镁结构物焊接处的建议指数。

关键词：镁焊缝；疲劳；有效应力；切口应力；临界距离

1. 介绍：

在设计工程结构物的过程当中，判断构件的疲劳状态是十分有必要的。然而，结构物的多样性与复杂性却给判断疲劳的过程带来了很大困难，尤其对于存在复杂焊接几何形状以及在材料性质当中有局部改变的的焊接结构来说尤为显著。这些不规则的特性在焊接构件的寿命当中有着很重要的影响。

镁及其合金在工程领域当中有着广泛的用途，尤其在一些重量需要着重关注的结构物设计过程当中更是能够凸显其优点。由于镁的高强度特性使得其在一些轻质结构当中可以提供很高的材料强度。鉴于这些优点，镁及其合金在汽车领域以及航空领域当中有着广泛的使用，但其相关应用却不仅限于这些领域当中，镁材料在像手工工具，运动器材，办公设备以及电子产品等不同领域当中同样发挥着重要作用。

目前在一些科学文章中已有很多种判断结构物疲劳状态的方法，这些方法通常利用局部加载条件来计算疲劳寿命以及相关参数，例如名义应力法，热点应力法以及有效应力法。

本文是依据有效应力原理，通过使用Neuber平均应力法来实现在镁焊接结构的疲劳分析当中的应用。在本文中可以看到有几种应用有效应力法以及平均应力法的已有方法。其中介绍了一种在焊接构件的疲劳情况进行深入研究局部应力和张力的方法。并且评估了平均应力法和临界位移法以及他们在轴向荷载下焊接构件的疲劳分析适用性。以及拥有在V型切口以及焊接接缝出的Neuber 应力法和常规有效应力法。在计算切口试样的疲劳寿命中可以应用一种基于Neuber 平均应力法的非局部曲线法。在薄板的激光焊接接缝处疲劳强度经研究可以在切口处应力可以通过Neuber 平均应力法得出的情况下使用焊接处的微观几何形状以及切口应力法。并通过对比有效切口应力法和结构应力法的性能来推断疲劳寿命。在判断空心圆截面X型连接处焊趾的有效接口应力时，通常推荐使用外推法。在不同连接形式中存在大尺度式样的疲劳评估当中，人们也对有效应力法的适用性进行了研究。现有的支持系数法以及临界距离法这两种方法的相关性为均来源于有效应力法。本文在各向异性的肋板焊接的疲劳判断中，对有效应力法的适用性进行了研究。在得到焊接起始位置之后也对使用有效应力法评估疲劳进行了分析。同时在使用有效应力法的过程当中，高频机械作用实验数据对评估疲劳的影响也被考虑在内。运用ROUND ROBIN 法以及计算结构的热点应力和有效应力来完成相关评估。正如对有效应力理论的改进，在有效应力法与其他方法的对比过程中，提出了现行的评估应力和疲劳表现的方法。分析名义应力法、切口应力法和结构应力法的适用性是通过对网格尺寸从1到20mm 的实验数据分析得到的。

为了在接下来的阅读中能够理解在镁焊接构件的疲劳评估中最新进展，我们可以在以下的引文当中看到这方面的研究，最后通过对镁焊接结构的广泛实验数据研究发表了大量更详尽的文章。

本文的研究目的是确定镁焊接构件微单元尺度，因为微单元体的尺度是一项材料参数，正确定义这个值会给今后的计算焊接结构物的疲劳分析提供一个重要的指数。出于这个目的，实验数据是从三种不同的焊接几何形状中得来的，这三个焊接类型分别是满对接焊、非熔透对接焊、使用横向加筋肋。对参考半径r_ref=1mm和r_ref=0.5mm的情况分别进行计算，通过FE分析法来得出切口处不同几何模型的应力梯度。使用Neuber 平均应力法来求得所需数据来计算有效应力。为了得到单元体尺寸，要计算SN 曲线的分散带，并用疲劳寿命中相关的有效应力对其进行划分。从最小分散带处得到的对应长度作为单元长度来使用。

1. 理论依据：
   1. 摘要

本文中的疲劳试验数据是由使用基于Neuber平均应力方法的有效应力计算来评估得出的。引入疲劳估算当中的非局部应力可以显著提高该方法的精确度。特指了非局部的应力表明了对像应力这样的部分破坏参数的复杂几何模型疲劳寿命的全部要素进行了不同分类。在该研究的条件下，非局部应力将分配至局部应力当中。同时，具有使用时的便捷性在疲劳试验这项很耗时间的项目当中也是十分重要的一个方面。因此，一个兼具效率和精确度的方法是很有必要的。出于这个原因，选择了Neuber 平均应力法作为相关使用方法。

Neuber 平均应力法是对通过定义在切口虚拟半径中的假想切口几何模型方法的一种常用简化，所得到的虚拟半径通常会比真实值要大，因此基于此类假想几何模型得到的应力计算结果会较低。这种通常适用于铁材料构件r_ref=1mm的切口有效应力方法，可以基于上述的简易化在理论上与平均应力法相关。但需指出的是，平均应力法适用的是一个真实切口半径，一个平均半径或是有一个假设的小切口半径这类最差的情况。

• 1. Neuber 平均应力法

正如先前所提到的，Neuber 平均应力法通过考虑切口带的应力梯度来获得更好的疲劳估计值。使用靠近切口部位的应力区域对评估疲劳状况进行调查分析。这一有效应力是在焊接连接处应力系的一个相关标量。

图 1 根据Neuber 有效应力及切口系带的图注

(1)

通常认为最大应力并不能完全反映疲劳损伤，相反，实际值偏小。用一个错误的相关应力来反映这个实际应更小的值通常是造成疲劳损伤的方法。这一叫做有效应力的应力值是通过微观结构长度的平均值来得出的最大应力值。所选取的微观结构长度则应能明显地用于疲劳评估，同时最大切口应力也被考虑在内。以下的关系式则可以反映最大应力与有效应力之间关系。

公式中的eta;是一个切口敏感参数，n 是一个相关参数，同样，通过以下的关系可以得出理论切口参数K_t ，疲劳切口参数K_f 和相关参数n 之间的关系。

(3)

在这些计算当中需使用有效应力，而有效应力可以通过使用一个切口处微观长度rho;^*的平均设计应力路径来得出

(4)

以上这些提到的关系式可以在图2中很好的反映出来。因为微长度rho;^* 是一个材料参数，公式（4）可以很好的应用于在盈利分配当中计算一个结构的微观结构长度已知的情况下的有效应力。因为没有计算机FE分析的辅助计算的情况下，在切口带当中确定盈利梯度几乎是不可能的，正如公式图3所示，常使用来计算接口虚拟半径r_f 的微观结构长度通常比真实值r_real 大。同样，在材料变化的情况时这种理论的适用表现也有限制性。

在评估有效应力时，切口形状角度的影响也需考虑在内。更小的角度会使盈利梯度变得更陡。因此，在与更大角度的切口对比时，能获得一个更小的正常切口角度。通常，焊脚上的切口角度会比焊趾上的切口角度会更小。因此会认为焊脚上的有效应力回避焊趾上的要低。假设锐角切口处的开度角omega;为0°，以下等式则用来反映虚拟半径和微单元结构长度的关系。

(5)

这里的r_f 是虚拟半径，r_real 是真实半径，s 是一个与载荷和几何有关的多轴性系数。

图 2 根据Neuber方法得到的有效应力与最大应力的关系

图 3 Neuber 法下真实切口半径与虚拟半径的图注

表1 镁合金AZ31的化学成分(重量%)

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资料编号：[3520]</t

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