一種摩擦焊接頭性能可靠性評定方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于飛機(jī)制造工藝強(qiáng)度技術(shù)，涉及一種新焊接工藝下的接頭性能可靠性評定方法。本發(fā)明針對新型焊接工藝—摩擦焊，以概率統(tǒng)計為基礎(chǔ)，結(jié)合足夠多的子樣試驗(yàn)，建立摩擦焊接頭性能的概率分布模型，形成獨(dú)有的接頭性能可靠性評定方法。本發(fā)明能有效提高摩擦焊接頭的質(zhì)量及可靠性，以滿足摩擦焊關(guān)鍵構(gòu)件的性能要求，為實(shí)現(xiàn)摩擦焊接構(gòu)件性能的精確控制和摩擦焊接技術(shù)在現(xiàn)代工業(yè)制造中的可靠應(yīng)用和推廣奠定基礎(chǔ)。
【專利說明】一種摩擦焊接頭性能可靠性評定方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于飛機(jī)制造工藝強(qiáng)度技術(shù)，涉及一種新焊接工藝下的接頭性能可靠性評 定方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 隨著制造工業(yè)產(chǎn)品可靠性、穩(wěn)定性、安全性要求的提高，新材料的輕量化、整體化 結(jié)構(gòu)被不斷采用，這些結(jié)構(gòu)對制造提出了更高的要求，甚至有些結(jié)構(gòu)采用傳統(tǒng)工藝無法加 工。摩擦焊接不同于傳統(tǒng)熔化焊技術(shù)，是利用材料接觸面之間相對運(yùn)動所產(chǎn)生的摩擦熱， 使待焊件接觸面及其附近區(qū)域達(dá)到塑性狀態(tài)，并在熱一力的持續(xù)作用下產(chǎn)生連續(xù)的塑性變 形、原子擴(kuò)散和動態(tài)再結(jié)晶，從而獲得致密鍛造組織的固相焊接技術(shù)。
[0003] 由于在新材料和新結(jié)構(gòu)的制造【技術(shù)領(lǐng)域】具有的突出優(yōu)勢，摩擦焊接已經(jīng)成為現(xiàn)代 工業(yè)新產(chǎn)品研制、生產(chǎn)中越來越重要的連接方法，特別在某些關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的制造中具有不可 替代的地位。美國、日本、英國、德國等工業(yè)發(fā)達(dá)國家對摩擦焊接技術(shù)已開展了相關(guān)的基礎(chǔ) 研究及應(yīng)用技術(shù)開發(fā)，國內(nèi)也開展了部分研究工作，并有一些成功的應(yīng)用實(shí)例。但在摩擦焊 接頭性能評定研究方面開展工作較少，缺乏深入的基礎(chǔ)研究，嚴(yán)重制約了摩擦焊接在實(shí)際 工業(yè)中的應(yīng)用和發(fā)展。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的：引入可靠性分析方法，針對摩擦焊接工藝，提供一種基于概率統(tǒng)計 的摩擦焊接頭性能可靠性評定方法。
[0005] 本發(fā)明的技術(shù)方案：
[0006] -種摩擦焊接頭性能可靠性評定方法，其包括靜力性能評定和疲勞性能評定，其 中，靜力性能通過建立摩擦焊接頭性能概率分布模型進(jìn)行評定，建立摩擦焊接頭性能概率 分布模型時，先假設(shè)性能服從某種分布，完成至少30件的性能測試，然后使用假設(shè)檢驗(yàn)法， 對該分布進(jìn)行檢驗(yàn)，確定其是否服從該分布，如服從，則利用該分布模型的公式，根據(jù)數(shù)據(jù) 推算出公式中相應(yīng)的參數(shù)，從而建立相應(yīng)的概率分布模型，如果不服從，則更換分布，進(jìn)行 重新處理；
[0007] 疲勞性能評定需要確定摩擦焊接頭疲勞性能斜率參量a，所述斜率參量a為疲 勞壽命分析中最重要的參量，測定時，首先完成摩擦焊接頭試驗(yàn)件加工，而后確定疲勞應(yīng)力 水平，完成試驗(yàn)件疲勞壽命測試，對測試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并計算出初始的a值，然后使用回 歸分析法對a進(jìn)行判斷，不滿足條件則繼續(xù)試驗(yàn)，增加更多的子樣，直到滿足回歸條件為 止，從而確定出斜率參量a。
[0008] 所述的摩擦焊接頭性能可靠性評定方法，其摩擦焊接頭性能概率分布模型包括構(gòu) 建摩擦焊接頭靜力性能模型和構(gòu)建摩擦焊接頭疲勞性能模型，
[0009] 其中，所述摩擦焊接頭靜強(qiáng)度性能的概率分布模型：摩擦焊接頭極限強(qiáng)度服從正 態(tài)分布，其概率分布模型，見表1 :
[0010] 表1摩擦焊接頭靜力性能概率分布模型
[0011]

【權(quán)利要求】
1. 一種摩擦焊接頭性能可靠性評定方法，其特征在于，包括靜力性能評定和疲勞性能 評定，其中，靜力性能通過建立摩擦焊接頭性能概率分布模型進(jìn)行評定，建立摩擦焊接頭性 能概率分布模型時，先假設(shè)性能服從某種分布，完成至少30件的性能測試，然后使用假設(shè) 檢驗(yàn)法，對該分布進(jìn)行檢驗(yàn)，確定其是否服從該分布，如服從，則利用該分布模型的公式，根 據(jù)數(shù)據(jù)推算出公式中相應(yīng)的參數(shù)，從而建立相應(yīng)的概率分布模型，如果不服從，則更換分 布，進(jìn)行重新處理； 疲勞性能評定需要確定摩擦焊接頭疲勞性能斜率參量α，所述斜率參量α為疲勞壽 命分析中最重要的參量，測定時，首先完成摩擦焊接頭試驗(yàn)件加工，而后確定疲勞應(yīng)力水 平，完成試驗(yàn)件疲勞壽命測試，對測試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并計算出初始的α值，然后使用回歸 分析法對α進(jìn)行判斷，不滿足條件則繼續(xù)試驗(yàn)，增加更多的子樣，直到滿足回歸條件為止， 從而確定出斜率參量α。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的摩擦焊接頭性能可靠性評定方法，其特征在于，摩擦焊接頭 性能概率分布模型包括構(gòu)建摩擦焊接頭靜力性能模型和構(gòu)建摩擦焊接頭疲勞性能模型， 其中，所述摩擦焊接頭靜強(qiáng)度性能的概率分布模型：摩擦焊接頭極限強(qiáng)度服從正態(tài)分 布，其概率分布模型，見表1 : 表1摩擦焊接頭靜力性能概率分布模型
% 摩擦焊接頭疲勞壽命概率分布模型：摩擦焊接頭疲勞壽命服從雙參數(shù)威布爾分布，其 概率分布模型見表2， 表2摩擦焊接頭疲勞壽命概率分布模型
O
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的摩擦焊接頭性能可靠性評定方法，其特征在于， 構(gòu)建摩擦焊接頭靜力性能模型的過程如下： 步驟1)假設(shè)摩擦焊接頭靜力性能服從正態(tài)分布，準(zhǔn)備至少同種工藝參數(shù)和熱處理狀 態(tài)下試驗(yàn)件30件，完成所有的接頭靜力性能測試，獲得至少30個接頭的抗拉強(qiáng)度； 步驟2)利用柯爾摩格洛夫檢驗(yàn)法對假設(shè)的摩擦焊接頭抗拉強(qiáng)度分布進(jìn)行檢驗(yàn)，計算 各個數(shù)據(jù)段的評估量，如頻數(shù)、數(shù)學(xué)期望、經(jīng)驗(yàn)分布函數(shù)值Fn(Xi)和理論分布函數(shù)值F(Xi) 等，利用HiaxilFn(X i)-F(Xi) |}是否符合要求，判斷該分布是否成立； 步驟3)根據(jù)步驟2)中確定的摩擦焊接頭靜力性能服從的分布規(guī)律，將各接頭靜力性 能作為相互獨(dú)立的隨機(jī)變量，在試驗(yàn)統(tǒng)計結(jié)果或理論推導(dǎo)的基礎(chǔ)上，可以確定出各接頭靜 力性能的概率分布規(guī)律，以正態(tài)分布為例，其原理如下： 假定摩擦焊接頭靜力性能X服從正態(tài)分布規(guī)律，表達(dá)式為 X ?Ν(μ，〇 2).......................................... (1) 式中： μ--接頭靜力性能X的數(shù)學(xué)期望； 〇2--接頭靜力性能X的方差； 則其接頭靜力性能X的正態(tài)分布規(guī)律概率密度函數(shù)fx (X)
假設(shè)有η個測量結(jié)果，Xi < Xi+1 < Xi+2…< Xn，則第i個觀測值的母體存活率p的 點(diǎn)估計值為
從而獲得對于靜力性能的概率密度分布曲線和存活率分布曲線，并根據(jù)分布曲線對靜 力性能的數(shù)學(xué)期望和方差進(jìn)行點(diǎn)估計，最終獲得參數(shù)，形成靜力性能的概率分布模型。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的摩擦焊接頭性能可靠性評定方法，其特征在于，構(gòu)建摩擦焊 接頭疲勞性能模型的過程如下： 步驟1)假設(shè)分布和獲取數(shù)據(jù) 假設(shè)摩擦焊接頭疲勞性能服從雙參數(shù)威布爾分布，準(zhǔn)備至少同種工藝參數(shù)和熱處理狀 態(tài)下試驗(yàn)件40件，在同一應(yīng)力水平、相同試驗(yàn)條件下，完成所有的接頭疲勞性能測試，獲得 至少40個接頭的疲勞壽命； 步驟2)假設(shè)檢驗(yàn) 使用X 2檢驗(yàn)法進(jìn)行檢驗(yàn)，對該分布進(jìn)行檢驗(yàn)，計算各個數(shù)據(jù)段的評估量，如頻數(shù)fi、數(shù) 據(jù)段存活率Pi、總存活率npi等，利用X 2值在顯著度為0. 05的條件下是否符合要求，判斷 該分布是否成立； 步驟3)根據(jù)步驟2)中確定的摩擦焊接頭疲勞壽命服從的分布規(guī)律，將各接頭疲勞壽 命作為相互獨(dú)立的隨機(jī)變量，在試驗(yàn)統(tǒng)計結(jié)果或理論推導(dǎo)的基礎(chǔ)上，可以確定出各接頭疲 勞壽命的概率分布規(guī)律，以雙參數(shù)威布爾分布為例，其原理如下： 當(dāng)疲勞壽命服從雙參數(shù)威布爾分布，其破壞概率密度函數(shù)為：
式中： β--特征壽命；α--形狀參數(shù)。 雙參數(shù)威布爾分布的破壞概率分布函數(shù)為
這樣，概率密度曲線便可以獲得，為獲取雙參數(shù)威布爾分布偽直線圖，進(jìn)行如下推導(dǎo)： 對可靠度函數(shù)兩次取自然對數(shù)可得
X = LnN................................................ (8) B = - a Ln β............................................. (9) 可得 Y = α Χ+Β............................................. (10) 這樣，可繪制出雙參數(shù)威布爾分布偽直線圖，獲得接頭疲勞壽命概率分布規(guī)律； 利用回歸處理方法，得到對應(yīng)的威布爾分布的形狀參數(shù)α和特征壽命β的點(diǎn)估計值， 原理如下：

利用上述公式，最終可獲得參數(shù)α和β，進(jìn)而形成摩擦焊接頭疲勞壽命的概率分布模 型。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的摩擦焊接頭性能可靠性評定方法，其特征在于，所述斜率參 量α確定的具體過程如下： 步驟1)最小子樣數(shù)的確定： 斜率參量α回歸處理公式為：
當(dāng)試驗(yàn)子樣容量為η，威布爾分布斜率參量為α、置信度為R。時，置信度系數(shù)S。按下式 計算：
其工程簡化計算方法為：
其中，m為細(xì)節(jié)數(shù)（本專利中m= 1)，取置信度Rc = 95%，（16)式置信度系數(shù)S。近似 解析表達(dá)式為： Sc = 31/b-lgn/b....................................(17) 式中b為斜率參量，當(dāng)滿足置信度95%，S。= 1時的最小子樣數(shù)η為
當(dāng) b = 2 時，η > 30 ;b = 3 時，η > 22 ;b = 4 時，η > 19 ; 步驟2)試驗(yàn)件的制備：準(zhǔn)備至少同種工藝參數(shù)和熱處理狀態(tài)下試驗(yàn)件50件，盡可能保 持每個試驗(yàn)件的制造狀態(tài)和測試狀態(tài)一致； 步驟3)使用迭代法測試出斜率參量α值： (a) 進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，獲得η個有效試驗(yàn)數(shù)據(jù)，根據(jù)公式（14)計算出α值； (b) 如果η-1個試驗(yàn)結(jié)果和η個試驗(yàn)結(jié)果回歸處理的相關(guān)系數(shù)均大于0.95,且兩個α 值近似相等，試驗(yàn)結(jié)束； (c) 否則，繼續(xù)試驗(yàn)，直到第m個試驗(yàn)結(jié)果滿足（b)條要求。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的摩擦焊接頭性能可靠性評定方法，其特征在于，不同材料摩 擦焊接頭疲勞壽命可靠性分析中斜率參量α的確定：斜率參量為疲勞壽命的可靠性分析 中最重要的參量，利用回歸處理方法進(jìn)行參數(shù)估計，用試驗(yàn)迭代進(jìn)行驗(yàn)證和求解，具體結(jié)果 見表3， 表3摩擦焊接頭斜率參量α
【文檔編號】G06F19/00GK104392126SQ201410664236
【公開日】2015年3月4日 申請日期:2014年11月19日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月19日
【發(fā)明者】楊俊 , 弓云昭, 竇秋芳, 陳先民, 廖江海 申請人:中國飛機(jī)強(qiáng)度研究所