焊接結(jié)構(gòu)抗疲勞優(yōu)化設(shè)計方法及應(yīng)用

1、第卷第期焊接學(xué)報年月砸呷兀焊接結(jié)構(gòu)抗疲勞優(yōu)化設(shè)計方法及應(yīng)用丁彥闖，兆文忠（大連交通大學(xué)機械工程學(xué)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(shè)計方法。根據(jù)國際焊接學(xué)會（）的焊接接頭與部件疲勞設(shè)計評估標(biāo)準(zhǔn)，基于累積損傷理論，提出虛擬疲勞試驗技術(shù)預(yù)測焊接接頭的累積損傷，以焊接接頭的累積損傷為約束進(jìn)行抗疲勞設(shè)計，采用基于試驗設(shè)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(jìn)行了抗疲勞輕量化設(shè)計，選取個設(shè)計變量，進(jìn)行次試驗設(shè)計創(chuàng)建“近似模型，在近似模型上應(yīng)用序列二次規(guī)劃算法進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，在結(jié)構(gòu)尺寸、應(yīng)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(shè)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(guān)鍵詞：焊接結(jié)構(gòu)；疲勞損傷；優(yōu)化設(shè)計；虛擬疲勞試驗；近似模型中圖分類號：文獻(xiàn)標(biāo)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(shè)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(shè)計必須充累積損傷約束來保證疲勞壽命，則復(fù)雜焊接結(jié)構(gòu)的分考慮焊接接頭的細(xì)節(jié)品質(zhì)。對于焊縫局部區(qū)域可抗疲勞優(yōu)化設(shè)計模型可表示為采用焊后打磨等工藝措施消除應(yīng)力集中，提高疲

3、勞求石，。壽命；對于復(fù)雜的焊接結(jié)構(gòu)還需進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)使形（）一計，降低焊縫區(qū)域的整體應(yīng)力水平，保證疲勞壽命。滿足毋（），復(fù)雜結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計一般需采用有限元法進(jìn)行，在（），后，考慮焊接接頭細(xì)節(jié)的情況下，計算模型更加復(fù)雜，計啡（），算量大，耗時較長，以有限元疲勞分析結(jié)果為基礎(chǔ)的戈石眥優(yōu)化設(shè)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(shè)計變量；可采用近似模型替代復(fù)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(biāo)；近似模型上進(jìn)行優(yōu)化設(shè)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(shè)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(shè)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(xué)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(shè)計評估標(biāo)準(zhǔn)，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(shù)預(yù)測焊接接頭的疲勞累積接頭的重要程度進(jìn)行選取。損傷；對優(yōu)化模型進(jìn)行基于試驗設(shè)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(yīng)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(shù)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(xué)報第卷成。在產(chǎn)品開發(fā)過程中，一般采用疲勞試驗進(jìn)行樣機壽命檢驗，為了在產(chǎn)品設(shè)計階段進(jìn)行焊接接頭的累積損傷預(yù)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(shù)，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(shè)計階段預(yù)測其疲勞壽命，并支持抗疲勞設(shè)計方案的修改。焊接結(jié)構(gòu)的虛擬疲勞試驗技術(shù)如圖所示。足（×）（×（×蜮×圖標(biāo)準(zhǔn)中的一曲線一¨焊接結(jié)構(gòu)設(shè)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(biāo)準(zhǔn)一曲線一曲

6、線斜率；和為常系數(shù)。標(biāo)準(zhǔn)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(yīng)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(yīng)一曲線即可計算疲勞損傷。疲勞試驗標(biāo)準(zhǔn)動應(yīng)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(shù)近似模型技術(shù)是在初始數(shù)據(jù)集合基礎(chǔ)上構(gòu)造逼近目標(biāo)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(shù)流程和敏感性分析提供了一種高效的解決途徑?；诮颇Ｐ偷膬?yōu)化設(shè)計過程如圖所示，首先采用試驗設(shè)計方法對設(shè)計空間抽樣，然后對樣本點和響應(yīng)結(jié)果進(jìn)行近似建模，在近似模型上進(jìn)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(yīng)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(biāo)準(zhǔn)，按照線性疊加的準(zhǔn)靜態(tài)法得到疲勞試驗的動應(yīng)力；最后依據(jù)國際焊接學(xué)會耐標(biāo)準(zhǔn)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(yīng)力的變化范圍度量，因此用表示應(yīng)力譜中第級應(yīng)力范圍為尺。的循環(huán)次數(shù)，表示在該應(yīng)力范圍時將導(dǎo)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(luò)方法（）（）?！?。試驗設(shè)計是用來研究設(shè)計參數(shù)對模型設(shè)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(yīng)用于計算機仿真的試驗設(shè)計方法主要有全因子法、正交矩陣法、中心復(fù)合法、拉丁超立方法和均勻設(shè)計等?！?。其中拉丁超立方法和均勻設(shè)計由于其對設(shè)計空間的可控細(xì)分能力，在基于試軍意一標(biāo)準(zhǔn)的損傷比定義為（）驗設(shè)計的近似建模中應(yīng)用較多。標(biāo)準(zhǔn)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(yīng)力的變化范圍。工程應(yīng)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(shè)計方法及應(yīng)用翌塑

9、表設(shè)計變量及優(yōu)化結(jié)果主鵲州捌設(shè)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(shè)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(yīng)力約束和三個關(guān)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(shè)計流程使（）一喲刎滿足，（）：。式中：（?。闃?gòu)架質(zhì)量；為設(shè)計變量（板厚）；一，涮。為設(shè)計變量的上下限；為超常載荷的最大合成應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)中對應(yīng)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(yīng)力范圍；為一該構(gòu)架主要由鋼板組焊而成，因此設(shè)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(shè)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(shè)計變量進(jìn)行次試驗設(shè)計，根據(jù)國際鐵路聯(lián)盟標(biāo)準(zhǔn)【對各響應(yīng)變量分別創(chuàng)建炳近似模型，在近似模型上應(yīng)用序列二次規(guī)

11、劃算法進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，設(shè)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(guān)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(shè)計及工藝要求，確定個設(shè)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(shè)計變量，質(zhì)量最小為目標(biāo)，考慮超常載荷的最大焊接學(xué)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(yīng)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(xué)會（研）的焊接接

12、頭與部件疲勞設(shè)計評估標(biāo)準(zhǔn)，基于累積損傷理論，預(yù)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(jìn)行抗疲勞優(yōu)化設(shè)計；采用近似模型技術(shù)提高優(yōu)化計算效率。（）采用該方法對某焊接構(gòu)架進(jìn)行了抗疲勞輕量化設(shè)計。以板厚為設(shè)計變量，以結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力、三晰舊咖條關(guān)鍵焊縫的疲勞損傷為約束，并基于踟近似模型進(jìn)行優(yōu)化計算，在滿足應(yīng)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(fù)雜焊接結(jié)構(gòu)的抗疲勞優(yōu)化設(shè)計有一定的指導(dǎo)意義。產(chǎn)品設(shè)計階段可借助數(shù)值仿真進(jìn)行方案優(yōu)選，縮短設(shè)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(shè)計進(jìn)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(shè)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(xiàn)：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(yīng)用焊接學(xué)報，（）：一劉克龍，姚衛(wèi)星，穆雪峰基于“代理模