动载焊接结构设计Ⅲ(疲劳强度寿命计算)

****动载焊接结构的设计1、 焊接结构疲劳强度设计的一般原则设计过程可分为以下三个步骤：⑴ 考虑实用性，进行功能设计 根据结构未来的工作情况，合理地提出结构的承载能力、强度、刚度、耐蚀度、使用寿命等比较具体的要求。

考虑安全性，这些要求不能太低；考虑经济性，这些要求也不能过高。

⑵ 进行方案设计 根据上述要求，选择确定结构材料、结构构造形式、传动形式、自动化程度、控制方式、生产制造工艺等综合设计方案，它们互相联系，又互相制约；⑶ 进行具体的施工图设计 绘图前，进行必要的计算，以便确定结构的重要尺寸。

我们要讲的是如何合理选择动载焊接结构、焊接接头的结构形式和怎样进行必要的计算。

设计动载焊接结构必须特别强调两点：① “动载”，对应力集中非常敏感；②焊接接头属于刚性连接形式，对应力集中也比较敏感。

而且“焊接结构”难免有焊接残余应力、变形、焊接缺陷等，存在应力集中现象。

因此，设计动载焊接结构时，必须注意以下几点：⑴ 承受拉伸、弯曲、扭转的构件，截面面积变化时，尽量保持平顺、圆滑的过渡，尽量防止或减小构件截面刚度突然变化，避免造成较大的附加应力和应力集中。

⑵ 对接、角接、丁字、十字接头等，均应优先采用对接焊缝，少用角焊缝； ⑶ 单面搭接接头角焊缝的焊根、焊趾处，既有偏心弯矩的作用，又有严重的应力集中，承受疲劳载荷的能力很低，必须尽量避免采用这种接头形式；⑷ 承受疲劳载荷的角焊缝（未焊透的对焊缝，也看作角焊缝），危险点在应力集中比较严重的焊缝根部或焊趾处。

应采用如下措施：① 开坡口，加大熔深，减小焊缝根部的应力集中；② 将焊趾处加工成圆滑过渡的形状，减小焊趾的应力集中；⑸ 处于拉应力场中的焊趾、焊缝端部或其它严重的应力集中处（如裂纹），应设置缓和槽、孔，以便降低应力集中的影响。

总之，应采取一切措施，排除或减小应力集中的影响。

2、疲劳强度的许用应力设计法我国钢结构标准，原设计规范基本金属及连接的疲劳计算中，采用疲劳许用应力。

⑴ 许用应力的确定 先通过实验测定材料、结构的疲劳强度或疲劳极限，再按存活率（一般结构97.7％，特重要结构99.99％）和疲劳循环次数（如2×106次）确定疲劳强度r σ；疲劳强度的许用应力 []n r p r σσ= 式中： n - 安全系数；⑵ 设计原则 最大疲劳工作应力m ax σ≤许用应力[]p r σ ⑶ 缺点 ① 没有考虑疲劳载荷的累积效应； ② 没有考虑过载峰对疲劳寿命的影响； ③ 没有考虑千变万化的不确定因素。

过去把这些不确定因素的影响，涵盖在安全系数里，加以考虑。

电站两例 3、 焊接结构的疲劳寿命设计 ⒊1 疲劳裂纹的亚临界扩展一个初始裂纹0a 的构件，只有载荷应力达到临界值C σ时（图1），亦即当裂纹尖端图1 亚临界裂纹扩展与临界尺寸的应力强度因子1K 达到临界值C K 1时，才会失稳破坏。

一个有初始裂纹0a 的构件承受C σσσ<=0max 的循环应力时，裂纹会发生缓慢扩展。

初始裂纹0a 扩展到临界裂纹C a 的过程，称为疲劳裂纹的亚临界扩展阶段。

研究疲劳裂纹亚临界扩展规律，对结构的疲劳寿命设计和确定现役结构的疲劳寿命，具有重要的理论意义和实用价值。

⒊2 疲劳裂纹扩展规律疲劳寿命设计有两种设计原则：⑴ 按疲劳裂纹发生寿命设计：该设计法以积累损伤不产生疲劳裂纹为限度。

⑵ 按疲劳裂纹扩展寿命设计：该设计法以积累损伤，疲劳裂纹不失稳为限度。

（如某水电厂发现水轮机蜗壳上有一个较长的裂纹……为例）疲劳裂纹扩展速率计算公式：一般公式：()C a f dN da ,,σ= C ：与材料有关的系数 帕瑞斯公式：()nK C dN da ∆= 2=n ～7（塑～脆）对于无限大薄板：a K πσ= ∴ a K πσ∆=∆ 帕瑞斯的实验结果如图2，可见亚临界裂纹扩展速率不受试样几何形状和加载方式的限制，各实验点都落在一条直线上，裂纹扩展速率直接接受应力强度因子幅值K ∆的控制。

但图3的结果说明，K ∆相同，r 不同，裂纹扩展速率并不相等，这说明，帕瑞斯公式过分强调了σ∆，即K ∆的作用，而忽视了max K 增大，特别是max K 趋近C K 1时，对裂纹扩展的加速作用。

考虑了上述因素的是福曼公式：(){}(){}()(){}K K K K K C K K K K C K K r K C dN da C nC nC n ∆⋅-•∆=∆⋅-∆⋅=∆--∆⋅=max 1max max max 11K 1 max max min K K K K 1r 1∆=-=-以福曼公式处理图2的实验结果，绘到图4上，其直线度更好。

但许多高韧性材料难以测出C K 1，难以使用此公式。

合并max K 、 max 1K K C -作用的是华格公式：()()()()nm m nmm nm KK C K K K C r K C dN da -⋅∆=∆⋅=-⋅=1maxmax max max 1式中1<m ：不锈钢（301型）667.0=m ；图2 不同加载方式的实验结果图3 不同r 对da ／dN 的影响图4 福曼公式处理后的da ／dN图5华格公式处理后的da ／dN铝合金2024-T3 5.0=m ,7075-T6 425.0=m 。

数据处理结果见图5。

=n 2～7，是图中直线的斜率。

K ∆在较大的范围内变化时，如图6所示，n 有不同的数值。

能够反映这一广域情况的是陈篪公式：()()[]pCthK KK K dN da 22122∆-∆-∆=⒊3 疲劳裂纹扩展寿命的估算若经过0N 次疲劳循环，裂纹扩展到0a 长，再由CK 1计算出裂纹失稳扩展的临界尺寸C a ，即可根据上述公式，如帕瑞斯公式()nK C dN da ∆=，求定积分，得出剩余寿命：()⎰⎰∆==-=Cfa a nN N f K C dadN N N N 000 。

对于无限大板中心穿透裂纹的情况：a K πσ∆=∆，代入上式得()⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡-⎪⎪⎭⎫⎝⎛∆-=-=-12211200n C nCCf a a aa n C N N N πσ 式中 2≠n 。

若2=n ，则剩余寿命：()0ln 11a a C N N N Cnf πσ∆=-= 与σ∆相比，π、C a 、0a 、n 等都基本不变，将它们合并到常数c 中，上面的两个公式可以简化为：mc N σ∆=（用于国际焊接学会设计规范mN c σ∆⋅=）或 ()mN c1=∆σ（用于我国钢结构标准）。

4、疲劳极限状态设计法随着计算机技术的飞速发展，现代极限设计法，日趋科学和完善。

疲劳极限状态设计法的基本特点和基本公式如下。

⒋1从结构的随机变幅载荷的实际情况出发；⑴ 疲劳极限状态设计法，仅适用于低应力中、高周随机变幅疲劳的结构元件及其连接的疲劳计算。

对于：① 结构表面温度高于150℃易氧化，更高可能有相变、蠕变等…问题；② 海水、腐蚀介质环境会加速裂纹的产生和扩展；③ 消除焊接残余应力的高温热处理可能使构件晶粒粗大，疲劳寿命降低；④ 高应变低周疲劳扩展速率很大等…以上特殊情况，另有计算办法，不属于疲劳极限设计法的应用范围。

⑵ 裂纹尖端K 因子的变化幅值min max K K K -=∆与裂纹扩展速率直接相关。

疲劳极图6 da ／dN －ΔK的一般关系图限状态设计法，将应力变化幅值min max σσσ-=∆，作为重要的计算参量。

因σ∆与K ∆在特定结构中有对应关系，而σ∆比K ∆容易测量和计算。

⑶ 实际结构多在随机变幅疲劳载荷下服役。

通过传感器可实际测量并记载（或用理论计算），获得随机变幅疲劳载荷应力谱（如图7所示），采用统计方法，将不同应力水平的i σ∆及其发生率i n ，绘制成疲劳应力谱直方图。

整理后的直方图如图8所示。

实验研究结果表明，i σ∆及其i n 所产生的疲劳损伤，符合疲劳线性累积损伤定则。

⑷ 疲劳线性累积损伤定则：()12211≤=++=∑i i N n N n N n D 1≥D 时，则损伤累积到发生疲劳破坏的程度。

式中：i N 是对应于i σ∆发生疲劳破坏的循环次数根据此式，可以推导出，将随机变幅应力转换成等效等幅应力的表达式。

⑸ 等效等幅应力 ()[]mi m ieq e Nn 1∑⋅∆=∆=∆σσσ式中：∑=i n N ，相当于在等幅应力 eq σ∆作用下，发生疲劳破坏的次数；i σ∆ ：变幅载荷引起的各个水平的应力幅值；i n ：对应i σ∆的循环次数。

假定：① 低于疲劳极限的i σ∆无影响，不计入；②i σ∆ 加载顺序的影响忽略不计。

均方差()∑=∆-∆-=n i eqi eq n S 1211σσ反映i σ∆的分散度，影响计算eq σ∆的准确度。

⒋2疲劳强度曲线针对各自不同的实际结构特点。

eq σ∆或S σ∆是疲劳载荷在结构上的应力效应；R σ∆是结构抵抗疲劳载荷的能力。

二者都会因为结构的不同和时间、环境的不同而不断变化。

疲劳极限设计法将所有这些因素一一给予考虑：⑴ 将实际结构细分成各种不同的细节形式，GB-17-88列出的构件和细节类型19图7货车主梁的疲劳应力谱及其直方图图8疲劳设计应力谱及直方图种如表1所示，采用实验与理论分析计算的方法求得它们的疲劳强度'Ri σ∆（表中类别为1～8种疲劳强度级别，见表３）。

'Ri σ∆有一定的分散度，其平均值、均方差按下式计算：平均值∑=∆=∆n i Ri R n 1''1σσ ； 均方差()∑=∆-∆-=n i R Ri R n S 12''11σσ。

表1 疲劳计算的构件和连接分类项次简 图说 明类别1无连接处的基本金属：1.轧制工字钢 2.钢板：(a)两边为轧制边或刨边; (b) 两边为自动、半自动切割边（切割质量标准应符合《钢结构工程施工及验收规范》一级标准）1 122横向对接焊缝附近的基本金属：1.焊缝经加工、磨平及无损检验（符合《钢结构工程施工及验收规范》一级标准）2.焊缝经检验，外观尺寸符合一级标准 2 3 3不同厚度（或宽度）横向对接焊缝附近的基本金属、焊缝经加工成平滑过渡，并经无损检验符合一级标准14纵向对接焊缝附近的基本金属，焊缝经无损检验及外观尺寸检验，均符合二级标准2 5翼缘连接焊缝附近的基本金属、焊缝质量经无损检验符合二级标准：1.单层翼缘焊：(a)自动焊 (b)手工焊 2. 单层翼缘焊2 3 36横向加劲筋端附近的基本金属： 1.筋端采用回焊不断弧 2.筋端断弧4 57蹄形节点板对接于梁翼缘、腹板以及桁架构件处的基本金属，过度处在焊后铲平、磨光、圆滑过渡，不得有焊接起弧、熄弧缺陷5 8矩形节点板焊接于梁翼缘或腹板处的基本金属 L ＞150 mm7项次 简 图说 明 类别9翼缘板中断处的基本金属（板端有正面焊缝）7 10正面角焊缝处的基本金属 611两侧面角焊缝连接端部的基本金属812三面围焊角焊缝端部的基本金属813三面围焊或两侧面角焊缝连接的节点板基本金属（节点板计算宽度按扩散角o 30=θ考虑）714Ｋ形对接焊缝处的基本金属，两板轴线偏离小于t 15.0，焊缝无损检验且焊趾角o 45≤θ515十字形接头角焊缝处的基本金属，两板轴线偏离小于t 15.0 716按有效截面确定的切应力范围计算817铆钉连接处的基本金属3 18连接螺栓和虚孔处的基本金属319高强度螺栓连接处的基本金属2注：1.所有对接焊缝均须焊透； 2.项次16中的切应力范围：min max τττ-=∆，其中m in τ：与m ax τ同方向时，取正值；与m ax τ反方向时，取负值；⑵ 各个细节的疲劳强度值R RR S ⋅-∆=∆2'σσ。