本发明涉及焊接接头高周疲劳寿命预测，特别涉及一种基于等效应力的焊接接头高周疲劳寿命预测方法。
背景技术：
1、航天航空、轨道交通等高速载运装备关键承载结构在服役过程中，经常遭受高频循环载荷而导致其高周疲劳失效。因此，高速载运装备关键承载结构需要开展高周疲劳寿命评估，为其安全可靠服役奠定理论基础与数据支撑。
2、高周疲劳寿命与材料、组织、载荷与服役环境等有关，其中，循环加载的敏感性反映了s-n曲线的特性，是评估焊接接头高周疲劳性能的一个重要依据。目前，高周疲劳寿命预测方法主要包括：不变应力法、有限元模拟法和临界平面法。
3、不变应力法预测焊接接头高周疲劳寿命主要依赖于对焊接接头局部应力的分析，这些应力包括但不限于整体结构形式、局部接头形式、载荷大小及加载形式、接头受到的边界约束、接头局部几何形貌以及残余应力等。不变应力法预测焊接接头高周疲劳寿命是一个复杂的过程，需要考虑多种因素的影响，因此其预测过程费时费力，在实际工程中不易推广。
4、有限元模拟法主要基于三维有限元模拟和动态响应试验，通过对焊接接头的疲劳裂纹萌生和扩展特性进行研究，利用模拟的裂纹长度和固有频率的关系，定义了疲劳裂纹扩展的三个阶段，然后利用局部应力应变法，预测焊接接头的高周疲劳寿命。然而，对于不同母材的焊接接头，该种方法预测的高周疲劳寿命偏差较大，例如对于采用双相tc4钛合金作为母材的焊接接头，有限元模拟法与权威性文献：《microstructure and poresensitivities in very high cycle fatiguebehaviors of titanium alloy weldedjoints under stress ratios》(liu,f.,chen,y.,he,c.,li,l.,wang,c.,wang,q.,liu,y.2024.engineering fracture mechanics 295,109801.以下简称“文献1”)所得到的高周疲劳寿命偏差范围最高可达到50％；再例如，对于铝合金作为母材的焊接接头，同样的，有限元模拟法与权威性文献：《microstructure and fatigue properties of laser-mighybrid weldingof medium-thickness 6005aaluminum alloy》(duan,c.,hao,x.,luo,x.,cao,x.,xu,h.,zhu,z.,2024.engineering failureanalysis 165,108753.以下简称“文献2”)所得到的高周疲劳寿命偏差范围最高可达到50％。因此，有限元模拟法并不能适用于部分材料的焊接接头的高周疲劳寿命预测。
5、临界平面法能够在考虑疲劳过程中物理特征参量的情况下，揭示循环载荷对疲劳寿命的影响。在临界平面法中，matake模型不能反映平均应力对疲劳强度的影响，susmel模型的形式过于复杂，而findley模型主要是依赖应力摩尔圆来建立正应力/切应力和疲劳寿命的定量关系，因此是一种有效的高周疲劳寿命预测方法。目前，基于findley模型的研究主要是以最大循环应力为基础来构建应力莫尔圆，从而建立高周疲劳寿命预测模型来预测高周疲劳寿命。然而，疲劳过程中，循环应力持续变化，用某一时刻的循环应力来建立疲劳寿命预测模型是不合理的，并不能很好地反映出焊接接头的整体高周疲劳寿命评估情况。
6、综上，现有采用的高周疲劳寿命预测方法，由于存在着预测过程复杂、适用性不强、预测模型局限性较大等问题，因而并不能很好地满足高速载运装备关键承载结构的高周疲劳寿命预测需求。
技术实现思路
1、本发明的目的在于提供一种基于等效应力的焊接接头高周疲劳寿命预测方法，考虑了疲劳过程中持续变化的循环应力，并通过等效循环应力来预测焊接接头的高周疲劳寿命，解决了现有技术存在的预测过程复杂、适用性不强、预测模型局限性较大等问题。
2、为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
3、一种基于等效循环应力的焊接接头高周疲劳寿命预测方法，利用一等效循环应力，结合焊接接头材料的高周疲劳系数和高周疲劳强度指数预测焊接接头的高周疲劳寿命，具体方法如下：
4、σeq＝σ′f(2nf)b
5、其中，nf为焊接接头高周疲劳寿命的预测值；σ′f为高周疲劳系数；b为高周疲劳强度指数；
6、σeq为等效循环应力，由如下公式计算得到：
7、
8、式中，θ为临界平面法线和主应力轴的夹角；σmax为最大循环应力。
9、作为优选，所述σ′f和b的值通过拟合高周疲劳实验数据得到。
10、本发明的设计原理如下：
11、研究表明，在相同临界平面角度下，不同应力莫尔圆对应的正应力和切应力的关系是相似的；并且，正应力和切应力的关系决定了材料的疲劳强度。因此，如果能将这两种关系联系起来，构建出一个等效循环应力莫尔圆，推导出一个等效循环应力，就能够在考虑持续循环应力变化的情况下，建立高周疲劳寿命预测模型，使高周疲劳寿命预测更加合理和准确。
12、具体如下：
13、1、等效循环应力σeq推导：
14、初始状态下，三个方向(x、y和z方向)的应力为：σ1＝σ2＝σ3＝0；循环加载后三个方向的应力变为：σ′1＝σn，σ′2＝σ′3＝0，其中，任意一个循环应力对应的应力莫尔圆正应力σn和切应力△τ可以表示为：
15、
16、基于t/4周期循环加载特征，初始加载对应应力莫尔圆在临界平面夹角时对应的正应力和切应力为最大加载对应应力莫尔圆在临界平面夹角时对应的正应力和切应力为
17、从初始加载到最大循环加载过程中，不同循环应力对应应力莫尔圆在临界平面夹角时对应的正应力和切应力都在初始加载和最大加载正应力及切应力两点连线上，这条直线可以表示为：
18、
19、对于任意一个临界平面上的正应力和切应力都满足下面关系式：
20、
21、上式中κ为材料参数，通常取0.3；f为材料疲劳强度。结合公式3和4，可得等效循环应力莫尔圆在临界平面夹角时对应的正应力σ和切应力τ：
22、
23、根据以上正应力和切应力求此时应力莫尔圆的直径，即为等效循环应力σeq。根据公式1，下面的式子成立：
24、
25、2、基于等效循环应力的高周疲劳寿命预测模型推导：
26、基于basquin公式，循环应力和疲劳寿命的关系可以表示为：
27、σa＝σ′f(2nf)b, (8)
28、再把公式7带入公式9可得：
29、
30、最后，基于试验的疲劳数据(由室温高周疲劳实验、高温高周疲劳实验得到)，得到不同等效循环应力所对应的高周疲劳寿命，然后拟合这些实验数据，即可得到高周疲劳寿命预测模型，并对焊接接头的高周疲劳寿命进行预测(拟合所用软件为origin)。
31、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
32、(1)本发明在考虑疲劳过程中持续变化的循环应力基础上，引入等效循环应力，并结合焊接接头材料的高周疲劳系数和高周疲劳强度指数预测焊接接头的高周疲劳寿命，验证结果表明，本发明预测值与权威性文献(例如文献1、2)中的实验值接近，这说明本发明设计的预测模型是有效的。如此，相比临界平面法，由于本发明考虑了疲劳过程中持续变化的循环应力，因此高周疲劳寿命预测更加合理、全面和准确，更好地反映出焊接接头的整体高周疲劳寿命评估情况。
33、并且，相比不变应力法，本发明的预测过程非常简单，预测手段更加方便，只需利用临界平面法线和主应力轴的夹角和最大循环应力构建一个等效循环应力，然后再通过循环应力和疲劳寿命的关系，即可获得预测结果；而相比采用有限元分析的疲劳寿命预测方法，以文献1、2为参照，本发明预测值的偏差远远小于有限元模拟法的预测值的偏差，因而采用本发明能更加准确地反映焊接接头的高周疲劳寿命情况(尤其是对合金材料的焊接接头高周疲劳寿命的预测)。
34、(2)本发明中，高周疲劳系数和高周疲劳强度指数的数值直接通过高周疲劳实验数据拟合得到，不仅获取方便、实时，而且更能体现焊接接头在高周疲劳性能评估中所展现出的材料特性，为准确预测焊接接头的高周疲劳寿命提供了保障。
35、(3)本发明设计巧妙、应用方便、预测结果精度高，能更好地为高速载运装备关键承载结构的安全性、可靠性评估奠定理论基础与数据支撑，进而服务于航天航空、轨道交通等高速载运装备关键承载结构的应用。
1.一种基于等效循环应力的焊接接头高周疲劳寿命预测方法，其特征在于，利用一等效循环应力，结合焊接接头材料的高周疲劳系数和高周疲劳强度指数预测焊接接头的高周疲劳寿命，具体方法如下：
2.根据权利要求1所述的一种基于等效循环应力的焊接接头高周疲劳寿命预测方法，其特征在于，所述σ′f和b的值通过拟合高周疲劳实验数据得到。
