焊接结构抗疲劳优化设计方法及应用

1、第卷第期焊接学报年月砸呷兀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）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（）的焊接接头与部件疲劳设计评估标准，基于累积损伤理论，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，选取个设计变量，进行次试验设计创建“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

2、约束下，构架重量减轻。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：文献标识码：文章编号：（）嘶一丁彦闯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累积的过程，因此焊接结构的抗疲劳设计必须充累积损伤约束来保证疲劳寿命，则复杂焊接结构的分考虑焊接接头的细节品质。对于焊缝局部区域可抗疲劳优化设计模型可表示为采用焊后打磨等工艺措施消除应力集中，提高疲

3、劳求石，。寿命；对于复杂的焊接结构还需进行结构优化设使形（）一计，降低焊缝区域的整体应力水平，保证疲劳寿命。满足毋（），复杂结构的优化设计一般需采用有限元法进行，在（），后，考虑焊接接头细节的情况下，计算模型更加复杂，计啡（），算量大，耗时较长，以有限元疲劳分析结果为基础的戈石眦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）戈，戈，。为设计变量；可采用近似模型替代复杂、耗时的有限元分析，并在结构性能形（）（如结构重量等）为优化目标；近似模型上进行优化设计旧。，（）为不等式约束函数；饥（）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口为不等式约束个数；为等式约束个数；危

4、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；戈。和戈一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（）的焊接接头与部件疲束、动态特性约束以及几何约束等；仇（）为焊接劳设计评估标准，基于累积损伤理论，提出焊接头的累积损伤；。为常数取，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焊接结构虚拟疲劳试验收稿日期：一一基金项占：国家高技术研究发展计划项目（）焊接接头的累积损伤由

5、结构承受的交变载荷造焊接学报第卷成。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，提出了虚拟疲劳试验方法。虚拟疲劳试验（印，、）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所示。足（×）（×（×蜮×图标准中的一曲线一¨焊接结构设计方案一方案修改式中：尺和尺为评估点的一曲线拐点；为主有限元求解器叫有限元模型疲劳评估标准一曲线一曲

6、线斜率；和为常系数。标准以条二曲线表征了种钢结构焊接接头的疲劳强度，并定义在×次应力循环下的特定的疲劳强度为疲劳等级（）一。通过不同形式焊接接头的值，查相应一曲线即可计算疲劳损伤。疲劳试验标准动应力换算迈纳尔累计损伤虚拟疲劳试验结果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。基于近似模型的优化设计过程如图所示，首先采用试验设计方法对设计空间抽样，然后对样本点和响应结果进行近似建模，在近似模型上进行数值优化，最后采用有限元分析验证。典型的近似建模方法包括响应面模型方法（）

7、首先建立高逼真度的三维有限元模型，通过有限元求解器得到单位载荷的静强度结果；然后根据疲劳试验载荷加载标准，按照线性叠加的准静态法得到疲劳试验的动应力；最后依据国际焊接学会耐标准一一。提供的钢结构焊接接头一，曲线数据，根据迈纳尔累积损伤理论获得焊接接头的累积损伤。由于焊接接头的一曲线以接头名义应力的变化范围度量，因此用表示应力谱中第级应力范围为尺。的循环次数，表示在该应力范围时将导致损坏的循环总数，由迈纳尔理论，累积损伤在式（）情况时出现疲劳破坏。砬，）、¨百模型方法（一矛）、径向基神经网络方法（）（）。【。试验设计是用来研究设计参数对模型设计状况影响的一种取样策略，决定了构造近似模型

8、所需样本点的个数和这些点的空间分布情况。目前应用于计算机仿真的试验设计方法主要有全因子法、正交矩阵法、中心复合法、拉丁超立方法和均匀设计等。【。其中拉丁超立方法和均匀设计由于其对设计空间的可控细分能力，在基于试军意一标准的损伤比定义为（）验设计的近似建模中应用较多。标准中的一曲线如图所示，为疲劳载荷循环次数，尺为焊接接头名义应力的变化范围。工程应用焊接构架抗疲劳优化凡掣，置焊接构架结构概述某转向架构架为无摇枕、转臂式轴箱定位结构，（）一警，尺：尺。尺。“由两箱型侧梁和两个圆管横梁组成。该转向架采用两系悬挂，一系为圆钢弹簧，二系为空气弹簧，在侧第期丁彦闯，等：焊接结构抗疲劳优化设计方法及应用翌塑

9、表设计变量及优化结果主鹊州捌设计变量空间广；磊葱鬲仁爿结嘉萋篙凳罢析二工二二侧梁盖板试验设计结果侧梁腹板惦侧梁盖板坫侧梁内部筋板坫轴箱圆筒状立板惦纵梁上盖板垢优化算法菱零丕纵梁下盖板砺纵梁腹板硒有限元分析空簧座板转臂定位座侧板加结束应力约束和三个关键部位焊接接头（图）疲劳累积损伤约束。该问题的优化模型为图基于近似模型的优化设计流程使（）一哟刎满足，（）：。式中：（！）为构架质量；为设计变量（板厚）；一，涮。为设计变量的上下限；为超常载荷的最大合成应力；为管接头疲劳累积损伤；为侧梁形接头疲劳累积损伤；为定位座与侧梁相连的形接头疲劳累积损伤；，为常系数取。国际铁路联盟标准中转向架疲劳载荷分三段加载

10、，即倍、倍和倍的载荷循环×，×驴和×次。根据焊接接头的具体形式得到研标准中对应的一曲线数据，基于累积损伤理论采用式（）计算焊接接头的疲劳试验累积损伤值，即：巍半华】：堕警业图焊接构架结构丕！鲎！垒旦茎！堂（！：垒垒星）：钔陋式中：为疲劳载荷循环次数；尺为倍疲劳载荷作用下焊接接头的名义最大主应力范围；为一该构架主要由钢板组焊而成，因此设计变量取曲线斜率；为一曲线常系数。焊接构架抗疲劳优化设计结果对焊接构架的疲劳损伤约束优化模型，采用拉个节点，个单元。丁超立方法对个设计变量进行次试验设计，根据国际铁路联盟标准【对各响应变量分别创建炳近似模型，在近似模型上应用序列二次规

11、划算法进行优化设计，设计变量的优化结果见表，优化前后结果对比见表，表梁两端有轴箱弹簧座，中央有空气弹簧座。两横梁上焊有纵向梁、制动吊座和牵引座。横梁外侧装有抗蛇行减振器座。焊接构架及关键焊缝结构如图所示。焊接构架抗疲劳优化模型板厚作为基本参数，根据设计及工艺要求，确定个设计变量，如表所示。构架有限元模型采用板壳单元建模，共有创建焊接构架结构轻量化优化模型。取板厚为设计变量，质量最小为目标，考虑超常载荷的最大焊接学报第卷中“百为近似模型的优化结果，为近似优化结果的有限元真实分析验证值。在满足应力、焊接接头累积损伤约束下，构架质量减轻表优化前后结果对比出。劳试验过程，根据国际焊接学会（研）的焊接接

12、头与部件疲劳设计评估标准，基于累积损伤理论，预测焊接接头的累积损伤；在结构优化模型中加入焊接接头的累积损伤约束，进行抗疲劳优化设计；采用近似模型技术提高优化计算效率。（）采用该方法对某焊接构架进行了抗疲劳轻量化设计。以板厚为设计变量，以结构最大应力、三晰旧咖条关键焊缝的疲劳损伤为约束，并基于踟近似模型进行优化计算，在满足应力约束、焊接接头累积损伤小于情况下，构架质量减轻。（）此方法对复杂焊接结构的抗疲劳优化设计有一定的指导意义。产品设计阶段可借助数值仿真进行方案优选，缩短设计周期，但实际焊接结构的疲质量迭代历程如图所示。前步为试验设计进行的次有限元真实分析，在工作站（内存）运行劳寿命影响因素较多，数值仿真的设计仍需与物理样机的疲劳试验相结合以保证产品性能。；后步为在近似模型参考文献：的优化分析（耗时）；最后一步为近似模型优化结果的有限元分析验证（耗时）。刖：（丁彦闯，兆文忠提高焊接结构疲劳寿命的刚度协调策略与应用焊接学报，（）：一刘克龙，姚卫星，穆雪峰基于“代理模