Development of assessment technology for welding process conditions maximizing fatigue performance of welded structures

开发焊接工艺条件评估技术，最大限度地提高焊接结构的疲劳性能

• 批准号: 21H01545
• 负责人: 堤 成一郎
• 金额: $ 10.48万
• 依托单位: Osaka University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• 财政年份: 2021
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2021-04-01 至 2024-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-21H01545/
• 关键词: 疲労; 亀裂発生; 亀裂伝播; 接合条件; 弾塑性; 塑性; 亀裂; 発生; 伝播; 破壊; き裂; き裂発生; き裂伝播; FEM; 溶融池解析; 最適化; 溶接; 構造物

各種溶接構造物の接合部を起点とする疲労損傷事例が多数報告されており、その要因として、溶接部と構造的な不連続部が一致する、かつ溶接余盛や時に欠陥も存在するため高応力となる、溶接入熱による母材と溶接金属の希釈およびその後の冷却速度など、溶接プロセス条件に依存して不均一な材料組織/形状/強度分布と残留応力/残留変形が生じる、さらに構造物が実際に経験する応力や変形状態は、多軸/非比例/変動履歴となるため、実験的な検討にも限界があることなどが挙げられる。そこで、これまで開発を進めている巨視的弾性条件下となる高サイクル疲労にも適用可能な繰返し弾塑性モデルに対して、応力急変時の変形挙動を予測可能なモデルへと拡張するとともに、損傷累積関数をLode角の関数へと拡張した。これより、多軸/非比例/変動応力条件下の材料変形挙動の予測精度を向上させた弾塑性モデルと高効率な変形解析技術を開発した。また、多軸/非比例/変動応力条件下の局所的な弾塑性応答を反映した疲労亀裂発生から伝播までの寿命を評価可能な手法のプロトタイプを完成させた。そのモデル検証のために、各種疲労試験を実施した。特に、亀裂発生から伝播までの性能を定量化するとともに、亀裂前方のひずみ状況を可視化する目的で、SENT試験体を対象とした3D-DICひずみ解析を実施した。また、溶接プロセスシミュレーションツールとして、プロトタイプを開発済の溶融池形成シミュレーション技術に加えて、既存技術の熱弾塑性解析技術と疲労性能評価技術を連成させることにより、溶接プロセス条件と荷重履歴を考慮した疲労亀裂発生・伝播寿命評価システムのプロトタイプを完成させた。また提案手法の精度検証を目的として、継手疲労実験も実施した。

据报道，许多疲劳损伤的案例都源于各种焊接结构的接头，其原因是焊缝和结构不连续性重合，并且存在过量焊接，有时还存在缺陷，导致疲劳损伤的稀释。由于焊接热输入和随后的冷却速度，母材和焊缝金属会产生应力不均匀的材料结构/形状/强度分布和残余应力/变形的发生取决于焊接工艺条件，例如由于这是历史，因此实验研究存在限制。因此，我们将我们一直在开发的可应用于宏观弹性条件下高周疲劳的循环弹塑性模型扩展为可以预测应力突变期间变形行为的模型，并扩展了累积函数为洛德角的函数。由此，我们开发了弹塑性模型和高效变形分析技术，提高了多轴/非比例/变应力条件下材料变形行为的预测精度。我们还完成了一种原型方法，可以评估从疲劳裂纹萌生到扩展的寿命，反映多轴/非比例/变应力条件下的局部弹塑性响应。进行了各种疲劳测试来验证模型。特别是，对 SENT 样本进行了 3D-DIC 应变分析，以量化从裂纹萌生到扩展的性能，并可视化裂纹前的应变情况。此外，作为焊接过程模拟工具，该原型机通过将已经开发的熔池形成模拟技术与现有的热弹塑性分析技术和疲劳性能评估技术相结合，考虑了焊接工艺条件和载荷历史，从而实现了原型机的疲劳裂纹萌生和疲劳性能评估。完成了传播寿命评估系统。还进行了关节疲劳实验来验证所提方法的准确性。

项目成果

Fatigue performance of friction stir welded weathering mild steels joined below A1 temperature

A1温度以下搅拌摩擦焊耐候低碳钢的疲劳性能

• DOI: 10.1016/j.ijfatigue.2021.106667
• 发表时间: 2022
• 影响因子: 6
• 作者: Wang Yixun;Tsutsumi Seiichiro;Kawakubo Takumi;Fujii Hidetoshi
• 通讯作者: Fujii Hidetoshi

PROPOSAL OF MODIFIED ENS METHOD CONSIDERING EFFECTIVE STRESS CONCENTRATION FACTOR － APPLICATION TO BUTT WELD JOINTS WITH BACKING PLATE －

考虑有效应力集中因子的改进ENS方法的提案-在带垫板对接焊缝中的应用-

• DOI: 10.2208/jscejam.77.2_i_307
• 发表时间: 2021
• 作者: SHIBATA Homare;SATOH Keisuke;HORIKAWA Hidenobu;HAMASAKI Kohei;BO Li;TSUTSUMI Seiichiro
• 通讯作者: TSUTSUMI Seiichiro

Microstructure and mechanical properties of friction stir welded high phosphorus weathering steel

搅拌摩擦焊高磷耐候钢的显微组织与力学性能

• DOI: 10.1080/13621718.2022.2055290
• 发表时间: 2022-03-28
• 期刊: Science and Technology of Welding and Joining
• 影响因子: 3.3
• 作者: Yixun Wang;S. Tsutsumi;T. Kawakubo;H. Fujii
• 通讯作者: H. Fujii

Construction of probabilistic model on interior crack initiation and growth behaviors for high strength steels in very high cycle fatigue

高强度钢超高周疲劳内部裂纹萌生和扩展行为概率模型的构建

• DOI: 10.1299/transjsme.22-00021
• 发表时间: 2024-09-13
• 期刊: Transactions of the JSME (in Japanese)
• 作者: N. Oguma;A. Nakagawa;Yuki Nakamura;S. Tsutsumi;T. Sakai
• 通讯作者: T. Sakai

Fatigue Life Assessment of Welded Joints by Combined Measurements Using DIC and XRD

使用 DIC 和 XRD 组合测量评估焊接接头的疲劳寿命

• DOI: 10.3390/ma14195802
• 发表时间: 2021-10-04
• 期刊: Materials
• 影响因子: 3.4
• 作者: Wang Y;Ueda K;Nagao R;Tsutsumi S
• 通讯作者: Tsutsumi S