焊接结构抗疲劳优化设计方法及应用

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1、第29卷第6期焊接学报Vol.29No.62008年6月TRANSACTIONSOFTHECHINAWELDINGINSTITUTIONJune2008焊接结构抗疲劳优化设计方法及应用丁彦闯,兆文忠(大连交通大学机械工程学院,辽宁大连116028)摘要:焊接结构的破坏往往表现为焊接接头的疲劳破坏,提出考虑焊接接头疲劳损伤约束的焊接结构抗疲劳优化设计方法。根据国际焊接学会(IIW)的焊接接头与部件疲劳设计评估标准,基于Miner累积损伤理论,提出虚拟疲劳试验技术预测焊接接头的累积损伤,以焊接接头的累积损伤为

2、约束进行抗疲劳设计,采用基于试验设计的近似模型优化策略提高计算效率。采用此方法对某焊接构架进行了抗疲劳轻量化设计,选取10个设计变量,进行120次试验设计创建Kriging近似模型,在近似模型上应用序列二次规划算法进行优化设计,在结构尺寸、应力及给定焊接接头累积损伤约束下,构架重量减轻11.6%。此方法为设计过程中保证焊接结构的疲劳可靠性提供了一种新途径。关键词:焊接结构;疲劳损伤;优化设计;虚拟疲劳试验;近似模型中图分类号:TG405文献标识码:A文章编号:0253-360X(2008)06-0029-

3、04丁彦闯0序言了此方法的可行性。焊接是一种重要的连接方式,轻量化结构多采1焊接结构抗疲劳优化模型用焊接形式。焊接结构在交变载荷作用下的破坏往往表现为焊缝的疲劳破坏,焊缝的疲劳破坏是损伤在结构优化设计的约束条件中加入焊接接头的[1]累积损伤约束来保证疲劳寿命,则复杂焊接结构的累积的过程,因此焊接结构的抗疲劳设计必须充抗疲劳优化设计模型可表示为分考虑焊接接头的细节品质。对于焊缝局部区域可T求X={x1,x2,⋯,xn}采用焊后打磨等工艺措施消除应力集中,提高疲劳寿命[2];对于复杂的焊接结构还需进行结构优化

4、设使W(X)vmin满足gj(X)≤0,j=1,2,⋯,q计,降低焊缝区域的整体应力水平,保证疲劳寿命。复杂结构的优化设计一般需采用有限元法进行,在hk(X)=0,k=1,2,⋯,l(1)考虑焊接接头细节的情况下,计算模型更加复杂,计Dp(X)≤Cp,p=1,2,⋯,h算量大,耗时较长,以有限元疲劳分析结果为基础的ximin≤xi≤ximaxT优化设计将很难开展。为了提高优化分析的效率,式中:结构参数X={x1,x2,⋯,xn}为设计变量;可采用近似模型替代复杂、耗时的有限元分析,并在结构性能W(X)(如

5、结构重量等)为优化目标;[3]近似模型上进行优化设计。gj(X)为不等式约束函数;hk(X)为等式约束函数;作者提出考虑焊接接头疲劳损伤约束的焊接结q为不等式约束个数;l为等式约束个数;h为累积构抗疲劳优化设计方法。在结构优化模型中增加焊损伤约束的焊接接头个数;ximin和ximax为设计变量接接头的累积损伤约束,创建焊接结构抗疲劳优化下界及上界,常规约束条件可以是强度约束、刚度约模型;根据国际焊接学会(IIW)的焊接接头与部件疲束、动态特性约束以及几何约束等;Dp(X)为焊接劳设计评估标准,基于Mine

6、r累积损伤理论,提出焊接头的累积损伤;Cp为常数取0.5～1,可根据焊接接结构虚拟疲劳试验技术预测焊接接头的疲劳累积接头的重要程度进行选取。损伤;对优化模型进行基于试验设计的近似建模提高优化效率。并结合焊接构架的工程实例应用验证2焊接结构虚拟疲劳试验收稿日期:2008-01-08基金项目:国家863高技术研究发展计划项目(2006AA04Z160)焊接接头的累积损伤由结构承受的交变载荷造30焊接学报第29卷成。在产品开发过程中,一般采用疲劳试验进行样机寿命检验,为了在产品设计阶段进行焊接接头的累积损伤预测

7、,提出了虚拟疲劳试验方法。虚拟疲劳试验(virtualfatiguetest,VFT)属于虚拟样机性能仿真范畴,其基本定义是,利用有限元数值仿真技术,在计算机虚拟环境下实现疲劳试验,从而在物理样机没有制造出来之前的产品设计阶段预测其疲劳寿命,并支持抗疲劳设计方案的修改。焊接结构的虚拟疲劳试验技术如图1所示。图2IIW标准中的SN曲线Fig.2SNcurveinIIW式中:ΔR1和ΔR2为评估点的S-N曲线拐点;m为S-N曲线斜率;C1和C2为常系数。IIW标准以14条S-N曲线表征了80种钢结构6焊接接头

8、的疲劳强度,并定义在2×10次应力循环[4]下的特定的疲劳强度为疲劳等级(FAT)。通过不同形式焊接接头的FAT值,查相应S-N曲线即可计算疲劳损伤。3近似模型优化技术近似模型技术是在初始数据集合基础上构造逼近目标函数和约束条件的方法,同时也为快速优化图1虚拟疲劳试验技术流程和敏感性分析提供了一种高效的解决途径。基于近Fig11Virtualfatiguetest似模型的优化设计过程如图3所示,首先采用试验设计方法对设计空间抽