发明内容

本发明的目的在于提出一种基于载荷次序和接头各区性能的搅拌摩擦焊构件变幅疲劳寿命预测方法，首先利用扩展有限元方法确定变幅条件下构件的失效位置，然后通过研究“接头各区性能”及“载荷序列”对焊接构件宏观性能的影响，对Elber裂纹闭合方法中有效应力强度因子进行修正，使得不同应力比下接头各区的裂纹扩展速率能够很好地聚合在一起，进而通过Paris公式计算裂纹扩展增量并得出构件的疲劳寿命。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是一种基于“载荷次序”及“接头各区性能”的搅拌摩擦焊接构件疲劳寿命预测方法，该方法的具体步骤如下：

步骤1)：利用有限元软件(例：ABAQUS)对搅拌摩擦焊构件进行不同载荷水平加载下薄弱区域变化的模拟，根据搅拌摩擦焊构件不同区域具有不同材料属性的特性对模型进行分区建模，主要分为焊核(NZ)、热机(TMAZ)、热影响(HAZ)、母材(BM)四个区域，各区材料属性通过微拉伸试验数据得到，包括接头各区应力应变数据及弹性模量，施加不同载荷，并将不同加载水平下的应力最大区域作为此加载水平下的薄弱区域；

步骤2)：根据步骤1)所得不同加载水平对应接头不同薄弱区域，根据变幅条件下载荷范围的变化，按加载顺序先选取一种载荷水平下对应的搅拌摩擦焊构件的薄弱区域处预置微裂纹，经测试，微裂纹尺寸取为200μm时可以更明显得出变幅条件下搅拌摩擦焊构件薄弱区域的变化，不改变其他设置的基础上，只变换载荷水平大小，确定变换后一种载荷水平后构件薄弱区域的变化，后续载荷需在前一步得出薄弱区域处预置微裂纹后进行施加，重复该步骤；

步骤3)：根据步骤2)所得变幅加载下搅拌摩擦焊构件薄弱区域的变化规律及微裂纹尺寸，为确定搅拌摩擦焊构件变幅条件下的裂纹扩展规律，利用扩展有限元的方法分别在变幅载荷水平对应的薄弱区域以垂直载荷加载的方向预置微裂纹，搅拌摩擦焊接头各区材料参数选择弹性模量与泊松比，设置最大主应力参数为损伤准则，并选择低周疲劳分析，施加变幅疲劳载荷，得到搅拌摩擦焊构件在变幅条件下的裂纹扩展规律：裂纹扩展前期搅拌摩擦焊构件的薄弱区域随着载荷水平的变化而变化，当裂纹尺寸达到一定值后，薄弱区域位置停止变化，但裂纹扩展持续，最后试样的失效位置位于裂纹尺寸最长的薄弱区域处；

步骤4)：针对上述步骤薄弱区域及裂纹扩展规律，设计搅拌摩擦焊构件中断疲劳试验。对搅拌摩擦焊构件进行不同载荷序列下的加载，并对疲劳小裂纹进行贴膜复型，采用割线法计算小裂纹扩展速率，得到变幅条件下搅拌摩擦焊构件不同区域裂纹扩展规律及数据，割线法公式如下：

其中ΔN为循环区间，Δa为裂纹长度变化值，a_i为循环数为N_i时的裂纹长度。

步骤5)：本发明提出的针对搅拌摩擦焊构件的有效应力强度因子计算方法是基于Elber裂纹闭合理论的形式进行修正所得到的，Elber裂纹闭合理论公式如下：

ΔK_eff＝K_max-K_op (2)

其中：K_max为最大应力强度因子；K_op为裂纹张开应力强度因子；ΔK_eff为有效应力强度因子范围；Y为几何修正因子；K为应力强度因子；σ为外加应力；a为表面半椭圆深度。

基于载荷次序及构件各区性能对搅拌摩擦焊构件疲劳机理的影响，提出载荷次序系数M_K及修正因子f建立新的有效应力强度因子计算方法。

修正后的有效应力强度因子计算公式为：

△K_eff＝K_max-M_K·f·K_op (4)

其中：M_K为载荷次序系数，_f为修正因子。

载荷次序系数M_K的取值与载荷序列及接头各区性能有关，载荷序列的变化以及搅拌摩擦焊构件材料属性的不同引起接头不同区域的裂纹张开应力水平的变化，从而导致裂纹扩展驱动力的变化，因此通过引入载荷次序系数M_K来修正裂纹张开应力水平下的应力强度因子项，不同载荷序列下M_K的取值不同；

高低加载顺序下M_K公式如下：

低高加载顺序下M_K公式如下：

上式所需参数定义式如下：

其中：a_OL超载作用时裂纹长度；r_OL超载引起的单调压缩塑性区大小；a_UL低载作用时裂纹长度；r_UL低载引起的单调拉伸塑性区大小；r_yi当前循环塑性区大小。σ_yi构件各区屈服应力；△K_UL低载时应力强度因子幅；△K_i为载荷应力强度因子幅；K′_b为载荷对应薄弱区域的循环强度系数；K′_b+1为相邻区域的循环强度系数；n为搅拌摩擦焊构件对应区域载荷次序效应指数；△K_OL超载时应力强度因子幅。

修正因子_f的取值与晶粒尺寸有关，搅拌摩擦焊构件不同区域晶粒尺寸的不同对于裂纹扩展方式有较大影响，晶粒尺寸对裂纹扩展速率产生的影响随着裂纹长度的增大而逐渐减弱，因此引入一个修正因子f修正裂纹张开应力水平处的应力强度因子项，修正因子f计算公式如下:

其中：d为搅拌摩擦焊构件对应区域平均晶粒尺寸；a_i当前裂纹长度。

载荷次序系数M_K及修正因子f用来修正裂纹张开应力水平下的应力强度因子项，搅拌摩擦焊构件焊核区(NZ)、热机械影响区(TMAZ)、热影响区(HAZ)、母材区(BM)分别对应不同的M_K、f值。

步骤6)通过搅拌摩擦焊构件各区性能和载荷次序效应计算对应的修正因子M_K及f所需材料参数。

步骤7)：结合不同加载水平下的恒幅疲劳裂纹扩展数据，利用修正后的有效应力强度因子方法得出搅拌摩擦焊构件在不同应力比下的裂纹扩展速率ΔK_eff-da/dN基线，此基线是通过修正因子M_K及f将不同应力比、断裂在不同区域的裂纹扩展速率曲线聚合在一起所得，以此拟合得出材料常数C、m。

步骤8)：初始裂纹尺寸a₀和临界裂纹尺寸a_x的确定；搅拌摩擦焊构件各区(焊核区(NZ)、热机械影响区(TMAZ)、热影响区(HAZ)及母材区(BM))微结构初始尺寸不同，对搅拌摩擦焊接构件各区进行金相观察，将对应区域内强化颗粒的平均尺寸作为该区域对应的初始裂纹尺寸a₀，临界裂纹长度a_c通过断裂韧性K_IC的定义得出，公式如下：

其中K_IC为材料断裂韧性，σ_max为最大外载应力。

步骤9)：结合步骤1)中确定的薄弱区域，分别选取对应薄弱区域的初始裂纹长度a₀，利用Duquesnay DL提出的裂纹张开应力计算公式计算两条初始裂纹尺寸对应载荷下的裂纹张开应力σ_op1、σ_op2，并根据公式(3)分别计算对应的张开应力强度因子k_op1、K_op2,其中裂纹张开应力计算公式如下：

其中σ_op为张开应力；σ_max为载荷序列中最大应力；σ_min为载荷序列中最小应力；σ_y为屈服强度；α、β为经验常数，如材料为铝合金时，α取为0.45，β取为0.2。

步骤10)：结合步骤1)中确定的薄弱区域，分别选取对应薄弱区域的初始裂纹长度a₀，确定当前载荷水平下薄弱区域修正因子M_K及f的取值，利用修正后的有效应力强度因子计算公式(4)计算对应于初始裂纹尺寸的有效应力强度因子Δk_eff1、ΔK_eff2。

步骤11)：通过步骤7)所确定的常数C、m及步骤5)所确定的有效应力强度因子ΔK_eff公式分别计算两条裂纹扩展过程有效应力强度因子ΔK_eff1,i、ΔK_eff2,i,利用Paris公式计算薄弱区域在每个循环下的裂纹扩展增量：

Δa_i＝C(ΔK_eff,i)^m (14)

当前循环下的裂纹尺寸通过下述公式计算：

a_i＝a_i-1+Δa_i (15)

步骤12)：通过公式(4)及公式(14)计算每个循环下的裂纹扩展增量Δa_i,1,Δa_i,2，通过公式(15)计算当前循环下的裂纹长度a_i,1,a_i,2。通过不断循环计算，当前裂纹尺寸a_i不断更新，当裂纹之一的尺寸达到对于载荷下临界裂纹尺寸a_c时视为断裂，进而得到不同加载水平下搅拌摩擦焊构件的疲劳寿命。

步骤2)中由搅拌摩擦焊接头变幅加载模拟证实，按加载顺序先选取一种载荷水平下对应的搅拌摩擦焊构件的薄弱区域处预置微裂纹，经测试，微裂纹尺寸取为200μm时可以更明显得出变幅条件下搅拌摩擦焊构件薄弱区域的变化，不改变其他设置的基础上，只变换载荷水平大小，发现变换后一种载荷水平后构件薄弱区域的随着载荷水平的变化而变化。

步骤3)模拟变幅条件下搅拌摩擦焊构件裂纹扩展规律发现，裂纹扩展前期搅拌摩擦焊构件的薄弱区域随着载荷水平的变化而变化，当裂纹尺寸达到一定值后，薄弱区域位置停止变化，但裂纹扩展持续，最后试样的失效位置位于裂纹尺寸最长的薄弱区域处。

步骤4)中断疲劳试验发现，由于搅拌摩擦焊接头各区材料属性的特殊性，变幅加载条件下，接头表面出现多条裂纹，并呈现多条裂纹同时扩展的试验现象。

步骤5)中修正因子载荷次序系数M_K及修正因子f，其考虑了接头各区性能及载荷次序效应对于搅拌摩擦焊接头疲劳寿命的影响，载荷次序效应是引起裂纹扩展驱动力变化的主要因素，晶粒尺寸对裂纹扩展速率产生的影响随着疲劳裂纹尖端区域应力强度因子范围的增大而减弱。

步骤12)中从初始裂纹开始，累加每个循环下的裂纹扩展增量，定义裂纹尺寸达到临界断裂尺寸时为发生疲劳失效。

本发明的优点在于：提出了一种基于载荷次序和接头各区性能的搅拌摩擦焊构件疲劳寿命预测方法，该方法结合焊接构件的实际工作条件，不仅考虑到搅拌摩擦焊接头各区性能对疲劳短裂纹扩展的影响，而且考虑到了载荷序列对裂纹扩展的作用，提出的寿命预测模型能够应用于焊接构件的实际工作条件下，具有一定的工程实际意义。