焊接結(jié)構(gòu)抗疲勞優(yōu)化設計方法及應用

1、第卷第期焊接學報年月砸呷兀焊接結(jié)構(gòu)抗疲勞優(yōu)化設計方法及應用丁彥闖，兆文忠（大連交通大學機械工程學院，遼寧大連）摘要：焊接結(jié)構(gòu)的破壞往往表現(xiàn)為焊接接頭的疲勞破壞，提出考慮焊接接頭疲勞損傷約束的焊接結(jié)構(gòu)抗疲勞優(yōu)化設計方法。根據(jù)國際焊接學會（）的焊接接頭與部件疲勞設計評估標準，基于累積損傷理論，提出虛擬疲勞試驗技術預測焊接接頭的累積損傷，以焊接接頭的累積損傷為約束進行抗疲勞設計，采用基于試驗設計的近似模型優(yōu)化策略提高計算效率。采用此方法對某焊接構(gòu)架進行了抗疲勞輕量化設計，選取個設計變量，進行次試驗設計創(chuàng)建“近似模型，在近似模型上應用序列二次規(guī)劃算法進行優(yōu)化設計，在結(jié)構(gòu)尺寸、應力及給定焊接接頭累積損傷

2、約束下，構(gòu)架重量減輕。此方法為設計過程中保證焊接結(jié)構(gòu)的疲勞可靠性提供了一種新途徑。關鍵詞：焊接結(jié)構(gòu)；疲勞損傷；優(yōu)化設計；虛擬疲勞試驗；近似模型中圖分類號：文獻標識碼：文章編號：（）嘶一丁彥闖序言了此方法的可行性。焊接是一種重要的連接方式，輕量化結(jié)構(gòu)多采焊接結(jié)構(gòu)抗疲勞優(yōu)化模型用焊接形式。焊接結(jié)構(gòu)在交變載荷作用下的破壞往往表現(xiàn)為焊縫的疲勞破壞，焊縫的疲勞破壞是損傷在結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計的約束條件中加入焊接接頭的累積的過程，因此焊接結(jié)構(gòu)的抗疲勞設計必須充累積損傷約束來保證疲勞壽命，則復雜焊接結(jié)構(gòu)的分考慮焊接接頭的細節(jié)品質(zhì)。對于焊縫局部區(qū)域可抗疲勞優(yōu)化設計模型可表示為采用焊后打磨等工藝措施消除應力集中，提高疲

3、勞求石，。壽命；對于復雜的焊接結(jié)構(gòu)還需進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設使形（）一計，降低焊縫區(qū)域的整體應力水平，保證疲勞壽命。滿足毋（），復雜結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設計一般需采用有限元法進行，在（），后，考慮焊接接頭細節(jié)的情況下，計算模型更加復雜，計啡（），算量大，耗時較長，以有限元疲勞分析結(jié)果為基礎的戈石眥優(yōu)化設計將很難開展。為了提高優(yōu)化分析的效率，式中：結(jié)構(gòu)參數(shù)）戈，戈，。為設計變量；可采用近似模型替代復雜、耗時的有限元分析，并在結(jié)構(gòu)性能形（）（如結(jié)構(gòu)重量等）為優(yōu)化目標；近似模型上進行優(yōu)化設計舊。，（）為不等式約束函數(shù)；饑（）為等式約束函數(shù)；作者提出考慮焊接接頭疲勞損傷約束的焊接結(jié)口為不等式約束個數(shù)；為等式約束個數(shù)；危

4、為累積構(gòu)抗疲勞優(yōu)化設計方法。在結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型中增加焊損傷約束的焊接接頭個數(shù)；戈。和戈一為設計變量接接頭的累積損傷約束，創(chuàng)建焊接結(jié)構(gòu)抗疲勞優(yōu)化下界及上界，常規(guī)約束條件可以是強度約束、剛度約模型；根據(jù)國際焊接學會（）的焊接接頭與部件疲束、動態(tài)特性約束以及幾何約束等；仇（）為焊接勞設計評估標準，基于累積損傷理論，提出焊接頭的累積損傷；。為常數(shù)取，可根據(jù)焊接接結(jié)構(gòu)虛擬疲勞試驗技術預測焊接接頭的疲勞累積接頭的重要程度進行選取。損傷；對優(yōu)化模型進行基于試驗設計的近似建模提高優(yōu)化效率。并結(jié)合焊接構(gòu)架的工程實例應用驗證焊接結(jié)構(gòu)虛擬疲勞試驗收稿日期：一一基金項占：國家高技術研究發(fā)展計劃項目（）焊接接頭的累積損傷由

5、結(jié)構(gòu)承受的交變載荷造焊接學報第卷成。在產(chǎn)品開發(fā)過程中，一般采用疲勞試驗進行樣機壽命檢驗，為了在產(chǎn)品設計階段進行焊接接頭的累積損傷預測，提出了虛擬疲勞試驗方法。虛擬疲勞試驗（印，、）屬于虛擬樣機性能仿真范疇，其基本定義是，利用有限元數(shù)值仿真技術，在計算機虛擬環(huán)境下實現(xiàn)疲勞試驗，從而在物理樣機沒有制造出來之前的產(chǎn)品設計階段預測其疲勞壽命，并支持抗疲勞設計方案的修改。焊接結(jié)構(gòu)的虛擬疲勞試驗技術如圖所示。足（×）（×（×蜮×圖標準中的一曲線一¨焊接結(jié)構(gòu)設計方案一方案修改式中：尺和尺為評估點的一曲線拐點；為主有限元求解器叫有限元模型疲勞評估標準一曲線一曲

6、線斜率；和為常系數(shù)。標準以條二曲線表征了種鋼結(jié)構(gòu)焊接接頭的疲勞強度，并定義在×次應力循環(huán)下的特定的疲勞強度為疲勞等級（）一。通過不同形式焊接接頭的值，查相應一曲線即可計算疲勞損傷。疲勞試驗標準動應力換算邁納爾累計損傷虛擬疲勞試驗結(jié)果近似模型優(yōu)化技術近似模型技術是在初始數(shù)據(jù)集合基礎上構(gòu)造逼近目標函數(shù)和約束條件的方法，同時也為快速優(yōu)化圖虛擬疲勞試驗技術流程和敏感性分析提供了一種高效的解決途徑。基于近似模型的優(yōu)化設計過程如圖所示，首先采用試驗設計方法對設計空間抽樣，然后對樣本點和響應結(jié)果進行近似建模，在近似模型上進行數(shù)值優(yōu)化，最后采用有限元分析驗證。典型的近似建模方法包括響應面模型方法（）

7、首先建立高逼真度的三維有限元模型，通過有限元求解器得到單位載荷的靜強度結(jié)果；然后根據(jù)疲勞試驗載荷加載標準，按照線性疊加的準靜態(tài)法得到疲勞試驗的動應力；最后依據(jù)國際焊接學會耐標準一一。提供的鋼結(jié)構(gòu)焊接接頭一，曲線數(shù)據(jù)，根據(jù)邁納爾累積損傷理論獲得焊接接頭的累積損傷。由于焊接接頭的一曲線以接頭名義應力的變化范圍度量，因此用表示應力譜中第級應力范圍為尺。的循環(huán)次數(shù)，表示在該應力范圍時將導致?lián)p壞的循環(huán)總數(shù)，由邁納爾理論，累積損傷在式（）情況時出現(xiàn)疲勞破壞。砬，）、¨百模型方法（一矛）、徑向基神經(jīng)網(wǎng)絡方法（）（）?！?。試驗設計是用來研究設計參數(shù)對模型設計狀況影響的一種取樣策略，決定了構(gòu)造近似模型

8、所需樣本點的個數(shù)和這些點的空間分布情況。目前應用于計算機仿真的試驗設計方法主要有全因子法、正交矩陣法、中心復合法、拉丁超立方法和均勻設計等。【。其中拉丁超立方法和均勻設計由于其對設計空間的可控細分能力，在基于試軍意一標準的損傷比定義為（）驗設計的近似建模中應用較多。標準中的一曲線如圖所示，為疲勞載荷循環(huán)次數(shù)，尺為焊接接頭名義應力的變化范圍。工程應用焊接構(gòu)架抗疲勞優(yōu)化凡掣，置焊接構(gòu)架結(jié)構(gòu)概述某轉(zhuǎn)向架構(gòu)架為無搖枕、轉(zhuǎn)臂式軸箱定位結(jié)構(gòu)，（）一警，尺：尺。尺?！坝蓛上湫蛡?cè)梁和兩個圓管橫梁組成。該轉(zhuǎn)向架采用兩系懸掛，一系為圓鋼彈簧，二系為空氣彈簧，在側(cè)第期丁彥闖，等：焊接結(jié)構(gòu)抗疲勞優(yōu)化設計方法及應用翌塑

9、表設計變量及優(yōu)化結(jié)果主鵲州捌設計變量空間廣；磊蔥鬲仁爿結(jié)嘉萋篙凳罷析二工二二側(cè)梁蓋板試驗設計結(jié)果側(cè)梁腹板惦側(cè)梁蓋板坫側(cè)梁內(nèi)部筋板坫軸箱圓筒狀立板惦縱梁上蓋板垢優(yōu)化算法菱零丕縱梁下蓋板礪縱梁腹板硒有限元分析空簧座板轉(zhuǎn)臂定位座側(cè)板加結(jié)束應力約束和三個關鍵部位焊接接頭（圖）疲勞累積損傷約束。該問題的優(yōu)化模型為圖基于近似模型的優(yōu)化設計流程使（）一喲刎滿足，（）：。式中：（！）為構(gòu)架質(zhì)量；為設計變量（板厚）；一，涮。為設計變量的上下限；為超常載荷的最大合成應力；為管接頭疲勞累積損傷；為側(cè)梁形接頭疲勞累積損傷；為定位座與側(cè)梁相連的形接頭疲勞累積損傷；，為常系數(shù)取。國際鐵路聯(lián)盟標準中轉(zhuǎn)向架疲勞載荷分三段加載

10、，即倍、倍和倍的載荷循環(huán)×，×驢和×次。根據(jù)焊接接頭的具體形式得到研標準中對應的一曲線數(shù)據(jù)，基于累積損傷理論采用式（）計算焊接接頭的疲勞試驗累積損傷值，即：巍半華】：墮警業(yè)圖焊接構(gòu)架結(jié)構(gòu)丕！鱟！壘旦莖！堂（！：壘壘星）：鍆陋式中：為疲勞載荷循環(huán)次數(shù)；尺為倍疲勞載荷作用下焊接接頭的名義最大主應力范圍；為一該構(gòu)架主要由鋼板組焊而成，因此設計變量取曲線斜率；為一曲線常系數(shù)。焊接構(gòu)架抗疲勞優(yōu)化設計結(jié)果對焊接構(gòu)架的疲勞損傷約束優(yōu)化模型，采用拉個節(jié)點，個單元。丁超立方法對個設計變量進行次試驗設計，根據(jù)國際鐵路聯(lián)盟標準【對各響應變量分別創(chuàng)建炳近似模型，在近似模型上應用序列二次規(guī)

11、劃算法進行優(yōu)化設計，設計變量的優(yōu)化結(jié)果見表，優(yōu)化前后結(jié)果對比見表，表梁兩端有軸箱彈簧座，中央有空氣彈簧座。兩橫梁上焊有縱向梁、制動吊座和牽引座。橫梁外側(cè)裝有抗蛇行減振器座。焊接構(gòu)架及關鍵焊縫結(jié)構(gòu)如圖所示。焊接構(gòu)架抗疲勞優(yōu)化模型板厚作為基本參數(shù)，根據(jù)設計及工藝要求，確定個設計變量，如表所示。構(gòu)架有限元模型采用板殼單元建模，共有創(chuàng)建焊接構(gòu)架結(jié)構(gòu)輕量化優(yōu)化模型。取板厚為設計變量，質(zhì)量最小為目標，考慮超常載荷的最大焊接學報第卷中“百為近似模型的優(yōu)化結(jié)果，為近似優(yōu)化結(jié)果的有限元真實分析驗證值。在滿足應力、焊接接頭累積損傷約束下，構(gòu)架質(zhì)量減輕表優(yōu)化前后結(jié)果對比出。勞試驗過程，根據(jù)國際焊接學會（研）的焊接接

12、頭與部件疲勞設計評估標準，基于累積損傷理論，預測焊接接頭的累積損傷；在結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型中加入焊接接頭的累積損傷約束，進行抗疲勞優(yōu)化設計；采用近似模型技術提高優(yōu)化計算效率。（）采用該方法對某焊接構(gòu)架進行了抗疲勞輕量化設計。以板厚為設計變量，以結(jié)構(gòu)最大應力、三晰舊咖條關鍵焊縫的疲勞損傷為約束，并基于踟近似模型進行優(yōu)化計算，在滿足應力約束、焊接接頭累積損傷小于情況下，構(gòu)架質(zhì)量減輕。（）此方法對復雜焊接結(jié)構(gòu)的抗疲勞優(yōu)化設計有一定的指導意義。產(chǎn)品設計階段可借助數(shù)值仿真進行方案優(yōu)選，縮短設計周期，但實際焊接結(jié)構(gòu)的疲質(zhì)量迭代歷程如圖所示。前步為試驗設計進行的次有限元真實分析，在工作站（內(nèi)存）運行勞壽命影響因素較多，數(shù)值仿真的設計仍需與物理樣機的疲勞試驗相結(jié)合以保證產(chǎn)品性能。；后步為在近似模型參考文獻：的優(yōu)化分析（耗時）；最后一步為近似模型優(yōu)化結(jié)果的有限元分析驗證（耗時）。刖：（丁彥闖，兆文忠提高焊接結(jié)構(gòu)疲勞壽命的剛度協(xié)調(diào)策略與應用焊接學報，（）：一劉克龍，姚衛(wèi)星，穆雪峰基于“代理模