箱形焊接结构全尺寸疲劳试验研究
提高焊接接头疲劳性能的研究进展简介
提高焊接接头疲劳性能的研究进展简介技术中心李加良0引言在纪念中国机械工程学会焊接学会成立四十周年和中国焊接协会成立十五周年时，学会和协会秘书处编写了一本纪念文集反映我国焊接技术各个研究方向的发展轨迹及焊接技术在各个行业的应用现状，笔者感到天津大学材料学与工程学院霍立兴等人的论文：“提高焊接接头疲劳性能的研究进展和最新技术”一文对我厂这种主要从事焊接结构件的生产企业有一定指导意义，因此缩编了此文以飨我厂读者。
自从焊接结构得到广泛应用以来，发现主要承受动载荷的焊接结构，在远没有达到其设计寿命时就出现断裂破坏现象，其中90%为疲劳失效。
近年来，各国科技工作者在这方面的研究已经取得了较大的成绩，但是焊接结构疲劳断裂事故仍不断发生，且随着焊接结构的广泛应用有所增加。
例如，九十年代末，高速客车转向架中焊接接头的疲劳断裂，以及水轮机叶片根部的疲劳断裂等，都给国家和企业造成了较大的经济损失。
1焊接结构疲劳失效的原因焊接结构疲劳失效的原因主要有以下几个方面：①焊接接头的静载承受能力一般并不低于母材；而承受交变动载荷时，其承受能力却远低于母材，而且与焊接接头类型和焊接结构形式有密切的关系。
这是引起一些结构因焊接接头的疲劳而过早失效的一个主要的因素；②早期的焊接结构设计以静载强度设计为主，没有考虑抗疲劳设计，或者是焊接结构疲劳设计规范并不完善，以至于出现了许多现在看来设计不合理的焊接接头；③工程设计技术人员对焊接结构抗疲劳性能的特点了解不够，所设计的焊接结构往往照搬其它金属结构的疲劳设计准则与结构形式；④焊接结构日益广泛，而在设计和造过程中认为盲目追求结构的低成本、轻量化，导致焊接结构的设计载荷越来越大；⑤焊接结构有往高速重载方向的发展趋势，对焊接结构承受动载能力的要求越来越高，而对焊接结构疲劳强度方面的科研水平相对滞后。
2影响焊接结构疲劳强度的主要因素2.1静载强度对焊接结构疲劳强度的影响在钢铁材料的研究中，人们总是希望材料具有较高的比强度，即以较轻的自身重量去承当较大的负载重量。
基于热点应力法的焊接结构疲劳评估
基于热点应力法的焊接结构疲劳评估引言焊接结构在工程和制造过程中广泛应用，但在长期使用中会面临疲劳失效的风险。
为了提高焊接结构的可靠性和安全性，进行疲劳评估是非常重要的。
基于热点应力法是一种常用的疲劳评估方法，本文将对该方法进行全面、详细、完整和深入的探讨，以期对焊接结构的疲劳评估提供有益的指导。
二级标题一三级标题一在进行焊接结构疲劳评估之前，我们需要首先了解热点应力法的基本原理。
热点应力法是一种通过考虑焊接热循环引起的残余应力和应力集中等因素，来评估焊接结构疲劳寿命的方法。
其基本思想是将焊接接头中的焊缝区域划分为若干个小区域（即热点），然后针对每一个热点进行应力分析，最终得到整个焊接接头的热点应力分布。
根据热点应力分布，可以进一步估计焊接接头在特定载荷下的疲劳寿命。
为了进行热点应力法的疲劳评估，我们需要进行以下几个步骤：1.确定焊接接头的几何形状和尺寸。
2.建立焊接接头的有限元模型，包括焊缝区域的几何形状和材料性质。
3.设置加载边界条件，包括载荷大小和加载方式。
4.运行有限元分析，计算焊接接头的应力分布。
5.根据应力分布，计算热点应力。
6.利用热点应力和疲劳标准曲线，估计焊接接头的疲劳寿命。
三级标题二热点应力法的核心是计算焊接接头的热点应力。
热点应力是指焊接接头中最大的应力值，通常出现在焊缝和母材交界处等处。
热点应力的计算可以利用有限元方法进行，其具体步骤如下：1.对焊接接头进行网格划分，将焊缝区域划分为若干个小区域。
2.在每个小区域中设置一个节点，并为每个节点指定适当的材料性质和分布载荷。
3.运行有限元分析，计算每个节点的应力分布。
4.在每个小区域中选取最大的应力值作为该区域的热点应力。
5.将所有小区域中的热点应力进行对比，得到整个焊接接头的热点应力分布。
通过以上步骤，我们可以得到焊接接头的热点应力分布，从而可以进一步评估焊接接头在不同载荷下的疲劳寿命。
二级标题二三级标题一在进行热点应力法的焊接结构疲劳评估时，还需要注意一些关键问题。
基于等效结构应力法的起重机箱形结构焊缝疲劳强度分析
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Fe-safe Verity焊缝疲劳分析概要
Fe-safe Verity焊缝疲劳分析一. Verity焊缝疲劳分析的必要性焊接连接是工业领域上非常常见的结构连接方式，在结构设计中具有非常重要的地位，因此焊接的结构强度和疲劳强度都非常重要。
一般情况下，平板焊接钢结构焊缝的屈服强度和抗拉强度都不低于其母材，但是焊缝的疲劳强度却远远低于母材的疲劳强度，焊缝失效的主要形式为疲劳，所以焊缝疲劳强度分析十分必要。
焊缝的抗疲劳性能很大程度上取决于焊缝的宏观和微观几何形状，影响焊缝疲劳强度得因素很多，比如动态应力，平均应力，焊接残余应力等。
传统的焊接疲劳分析方法是通过有限元分析软件来计算焊缝处的应力，然后根据焊接结构的不同类型定义应力寿命S-N曲线来计算焊缝的疲劳寿命。
一般来说，有限元网格的大小直接影响仿真分析的结构应力结果，特别在应力集中位置（焊接位置通常有应力集中），其影响更大，因此传统焊接疲劳分析方法无法准确预测焊缝处的疲劳寿命。
2006年最新版本的Fe-safe引入了一个全新的“Verity”模块，可以很好地解决上述问题。
该模块的核心技术来源于美国著名的科技研发公司Battelle的JIP（Joint Industry Project）项目研究成果，该研究成果“Mesh-insensitive Structural Stress Method”是在通用有限元分析程序计算结果基础上，针对板壳、实体等结构连接形式，专门开发计算等效Structural Stress的程序，使得最后的应力计算结果不具有网格敏感性，即在不同网格尺寸下都能获得精确一致的疲劳仿真结果。
二. Verity焊缝分析介绍Verity的等效结构应力法是一种新型焊接结构疲劳寿命预测技术, 可广泛应用于不同工业领域的各类形式焊接承载部件的焊趾疲劳分析, 如压力容器、管道、海上平台、船舶、地面车辆等结构的管件及平板焊接接头。
该方法主要基于以下2项关键技术:1.考虑焊趾部位的结构应力集中效应, 应用改进线性化法或节点力法分析其结构应力(即热点应力) , 确保计算结果对有限单元类型、网格形状及尺寸均不敏感, 从而有效区分不同接头类型的焊趾结构应力集中情形。
焊接接头和结构的疲劳强度
第6章焊接接头和结构的疲劳强度§6-1 概述一、定义结构在变动载荷下工作，虽然应力低于材料的但在较长时间工作后仍发生断裂的现象叫金属的疲劳。
疲劳断裂金属结构失效的一种主要形式，大量统计资料表明，因为疲劳而失效的金属结构约占结构的90%项目实际中的疲劳有多种表现形式：机械疲劳：完全由变动外载荷引起接触疲劳：表面间滚动接触与交变应力共同作用蠕变疲劳：高温和交变应力作用热疲劳：温度变化引起本章讨论的是具有典型意义和普遍意义的材料、焊接接头和结构的机械疲劳情况。
例如：直升飞机起落架，疲劳断裂，裂纹从应力集中很高的角接板尖端开始，断裂时飞机已起落2118次。
再如：载重汽车的纵梁的疲劳裂纹，该梁承受反复的弯曲应力，在角钢和纵梁的焊接处，因应力集中很高而产生裂纹，开裂时该车运行3万公里。
可见，疲劳断裂是在正常的工作应力作用下经较长时间后产生的，也就是说疲劳断裂的结构是在应力低于许用应力的情况下产生的，这使我们联想到结构的低应力脆断，疲劳和脆断都是在低应力作用下产生的，那么它们之间有什么相同点和不同点呢？二、疲劳和脆断的比较疲劳和脆断都是低应力情况下的破坏，那么它们之间有什么异同三、疲劳的类型根据构件所受应力的大小、应力交变频率的高低，通常可以把金属的疲劳分为2类：一类为高速疲劳它是在应力低，应力交变频率高的情况下产生的，也叫应力疲劳，即通常所说的疲劳；另一类为低周疲劳，它是在应力高，工作应力近于或高于材料的屈服强度，应力交变频率低断裂时应力交变周次少（少于102—105次）的情况下产生的疲劳，也叫应变疲劳。
1、高速疲劳（应力疲劳）：载荷小（应力小），频率高，裂纹扩展速率小。
2、低周疲劳（应变疲劳）：应力高，频率低，裂纹扩展速率大。
焊接结构的疲劳破坏大部分属于第二类：低周疲劳。
§6-2 疲劳限的常用表示方法一、变动载荷（掌握σmax、σmin、σm、σa、r概念）金属的疲劳是在变动载荷下经过一定的循环周次后出现的，所以要首先了解变动载荷的性质。
焊接结构的疲劳
第一章疲劳的基本概念§1-1 疲劳开裂的特征一、疲劳断口的特征：在疲劳裂纹起始点四周都有一个光滑带，且要一直延伸到疲劳裂纹的边缘。
这个光滑带区域随着其距离疲劳裂纹核心距离的增大，其纹理常常有缓慢且逐渐地变粗的趋势。
围绕断裂核心存在有同心圆或海滩形的线条及从核心射出的径向线。
二、在应力比较低时，“疲劳”面积就会相对地大，而应力高时，则“疲劳”面积就会相应地小。
最后破断面积的断裂表面可能是晶状或纤维状，这要看是脆性断裂（断口粗晶粒外貌）还是塑性断裂而定。
三、取决脆性断裂的因素：材料，载荷种类、大小，疲劳断裂面积大小，温度。
高应力一般导致比较小的疲劳面积，并有造成多向发生破裂的趋势。
四、疲劳破坏没有什么变形，疲劳裂纹很难看出来，但危害性特别巨大。
§1-2 疲劳试验一、旋转弯曲试验1、焊接接头和焊接结构疲劳试验的加载条件：轴向加载试验、弯曲试验、压力容器及管道工程的脉冲压力试验。
二、有一些资料认为在频率非常低时的试验（通常也包含着非常高的应力下的试验）与在高频率下甚至在没有腐蚀的条件下相应的试验相比，会得到较低的疲劳强度。
三、工作中的结构比试验的同样的试件会得到较低的疲劳强度。
§1-3 疲劳试验符号一、应力循环的基本参数1、应力循环内最小应力S min。
2、应力循环内最大应力S max。
3、平均应力S m=（S min+S max）/2。
4、应力幅S r=S max-S min5、应力比R= S min/S max（拉应力为正，压应力为负）二、用于焊接接头疲劳试验的典型应力循环：脉动拉伸循环、交变循环、半拉伸循环。
§1-4 S-N曲线与疲劳强度对于任何特定寿命的疲劳强度，认为就是S-N曲线上对应特定N值时的应力。
§1-5 应力集中一、在一定的应力作用下，工件所能承受的循环数取决于表面条件，表面越光滑，其寿命越长。
二、角焊接头的应力峰值发生在焊缝端点。
三、S P=K t S net S P-应力峰值；K t-应力集中系数；S net-净面积上的平均应力。
轴箱内置式车辆走行部焊接构架及其疲劳强度分析
１．１ 结构解决的技术问题 目前，大多数车辆走行部基本上是轴箱外置式，
所设计的构架都是适用于轴箱外置式走行部的构 架。为了满足轴箱内置式走行部的需求，本文提供了 一种轴箱内置式走行部用构架，以解决以下技术问 题：
（1）满足轴箱内置式走行部牵引装置、电机、齿 轮箱、一系悬挂、二系悬挂等部件的所有安装要求；
Fzc = m（c g + az）c
L
弹簧 Air spring
扭杆 ARB
FARB
Fys Fzs2
Lby
Fyb Fzs1
Fys FARB
79
Equipment Manufacturing Technology No.01，2019
1 2 3 45
6
7
11
9 10 9
8
1.侧梁 2.制动器吊挂座 3.牵引座 4.二系空气弹簧座 5.齿轮箱吊挂座 6.齿轮箱防落座 7.横梁二 8.一系弹簧座
9.电机吊挂座 10.电机防落座 11.横梁一
２．１ 结构受力分析 依据欧洲标准 EN13749-2011，在运营载荷状态
下，走行部构架结构静强度和疲劳强度分析的基本 计算载荷由车体和一系悬挂结构的振动加速度和车 体承受的侧风载荷组成，车体、构架、牵引装置和二 系悬挂装置的受力分析如图 2 所示。
Hw
Hc
车体 Carbody
Fw
Fyc = m（c ayc + ayc）c
（2）提供一种安全可靠的电机吊挂方式、齿轮箱 吊挂方式及牵引装置安装方式；
（3）构架上所有的安装孔全部采用通孔设计，避 免螺纹孔滑牙后的维修问题。 １．２ 构架结构
设计构架为铸件与钢板组合的焊接结构，该结 构由两根箱型侧梁与两个横梁焊接而成，如图 1 所 示。
焊接结构疲劳设计四个标准的特点对比及应用建议
1焊接接头特有的疲劳属性金属疲劳的研究，要回答“裂纹从何处萌生？”，而对焊接接头而言，它没有裂纹萌生过程，焊缝上“大于零的”的微裂纹总是有的，问题是观察的放大镜的倍数是否足够大。
金属疲劳研究的另一个要回答的问题是，“裂纹沿着哪个方向扩展？”，对焊接接头而言，它的扩展模式是明确的，裂纹要么从焊趾沿板的厚度方向扩展，要么从焊根向焊喉方向扩展。
与金属疲劳不同，焊接接头中有残余应力，但是，不论其大与小，也不论其分布如何复杂，它是自平衡的，与外载荷无关。
2疲劳评估时如何确定应力一般使用有限元方法与焊接分级的方法相配合进行疲劳评估。
2.1名义应力法BS 7608以材料力学范畴中的名义应力来描述与定义焊接接头S-N 曲线。
对于不同的接头类型（如喇叭口焊缝和对接焊缝）、载荷形式（如小的循环张力或者弯曲），就需要用不同的疲劳S-N 曲线。
BS 7608编入的设计曲线，对于给定焊接接头，严格说，当分级接头上的名义应力可以用材料力学教科书的内容计算时才可用。
在分析现实焊件时，名义应力的定义是很难确定的。
如果简单的名义应力的定义不能用来表达易出现疲劳位置的应力状态，那么，可靠的疲劳寿命设计或寿命预测就无法实现。
2.2热点应力法由于在焊趾处这样容易出现疲劳的位置的应力很难确定，以及应力的严重网格敏感性，有人就假设认为临近焊趾处的存在一些特定的位置，在这些位置处可以用表面外推法获得焊趾处的热点应力。
由于缺乏同表面应力和外推应力的焊趾应力状态相关联的合理可靠的力学基础，这些方法只能作为一些经验主义的应力确定过程来看待。
此外，在确定焊趾热点应力时用其它给定外推程序，一般也会遇到网格尺寸和单元类型敏感性问题。
2.3结构应力法在焊接件的疲劳评估时，如何以一致的方式确定应力？多少年来，工程中的S-N 曲线一直采用名义应力表示（不可将它与用热点应力表示的S-N 曲线混为一谈，比较而言，后者很难获得），其历史原因是，研究总是从简单问题开始，名义应力可以用材料力学的公式计算，或者用贴片的方法测试，对简单的焊接接头而言，名义应力是合适的，虽然人们知道疲劳破坏总是发生在在焊缝上，但是，如何在焊缝上获得那些应力，却是困难的。
某机载雷达机箱焊缝结构疲劳仿真及试验研究
机械设计与制造工程Machine Design and ManufactuOng EngineeOng4Ape.2021 Vol.50No.42021年4月第50卷第4期DOI：10.3969/j.issn.2095-509X.2021.04.024某机载雷达机箱焊缝结构疲劳仿真及试验研究刘家华，邢嘉路，张梁娟，李齐兵(南京电子技术研究所，江苏南京210039)摘要：为验证某机载雷达机箱焊缝疲劳可靠性,针对典型机载雷达机箱结构，提出了机箱焊缝强度分析方法。
首先对机箱结构进行仿真分析,获得机箱整体及焊缝位置随机振动应力响应，采用三区间法对焊缝疲劳寿命进行计算；其次根据仿真结果选取关键点进行应力测量,得到焊缝关键点处应力响应及疲劳寿命，与计算结果能够较好吻合，验证了仿真的准确性；此外还研究了焊缝应力概率密度分布，证实其符合高斯分布；最后对比试验开始与结束时间段内焊缝应力响应，发现随机振动试验前后焊缝应力响应未发生明显变化，证明焊缝无开裂迹象,从而验证了机箱焊缝结构的可靠性。
关键词：随机振动;雷达机箱;焊接结构；疲劳寿命;振动试验中图分类号:TB123文献标识码:A文章编号：2095-509X(2021)04-0111-06机载雷达机箱作为机载雷达的重要部件,集成了雷达射频、信号处理、供电等多种重要功能，其结构可靠性对于雷达整机性能具有关键影响。
机载环境由于载机发动机结构形式及运行条件不可避免地产生了严苛的振动冲击环境条件，对于舱内雷达机箱而言，随机振动已经成为影响设备结构可靠性的关键环境因素［1-2］。
随着数字化设计仿真技的发，达备性已由经发展为数字化仿真设计，国内外相关学者已对该问题进行了大量研究。
目前针对机载雷达设备动力学可靠性的研究主要集中在对设备结构应力仿真结果最大点的校核，试验主要以耐久振动验证为主,缺少对机箱关键位置的动力学响应测试及与仿真结果的对比分析。
机载雷达机箱结构一般采用焊接成型,焊缝位置的应力值虽然可能并非是全局最大，但由于其焊接缺陷不可避免、焊缝易发生疲劳断裂等特点,焊缝处往往会成为整个设备结构的薄弱环节［3］%对于液冷机箱,液冷流道位置焊缝失效可能引起冷却液泄漏，最终导致电子设备失效,从而影响雷达工作甚至飞机飞行安全，因此有必要对机载雷达设备焊缝结构疲劳问题进行研究。
非标准箱型试件焊缝处疲劳裂纹扩展实验
不同焊接缺陷对裂纹扩展的影响
实验观察到，存在焊接缺陷的试件比不存在焊接缺陷的试件更容易引发疲劳裂纹 的萌生和扩展。
分析指出，焊接缺陷如气孔、夹渣、未熔合等会导致应力集中，降低材料的力学 性能，从而加速疲劳裂纹的萌生和扩展。其中，气孔对疲劳裂纹扩展的影响最为 显著。
试件材料力学性能与裂纹扩展的关系
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对非标准箱型试件焊接缺陷对裂纹扩展影响的评估
焊接缺陷类型
实验中使用了多种非标准箱型试件，观察了不同类型的焊接缺陷 对裂纹扩展的影响。
焊接缺陷对裂纹扩展的影响
实验结果表明，焊接缺陷如气孔、夹渣、未熔合等可加速裂纹的扩 展，其中气孔对裂纹扩展的影响最为显著。
焊接缺陷与应力集中
实验数据表明，焊接缺陷可导致应力集中，从而促进裂纹的萌生和 扩展。
疲劳裂纹扩展实验设备及参数设置
设备类型
实验设备采用疲劳裂纹扩展试验机， 能够模拟实际工况下的疲劳裂纹扩展 行为。
参数设置
实验过程中需对裂纹扩展速率、循环 载荷等参数进行设置，以便探究不同 条件下的裂纹扩展行为。
实验操作流程与注意事项
操作流程
实验开始前需对试件进行安装、调试和预加载；实验过程中需实时监测裂纹扩 展情况，并记录相关数据；实验结束后需对试件进行检测、分析和处理。
注意事项
实验过程中需注意安全，避免试件突然断裂造成伤害；同时需保证实验数据的 准确性和可靠性，以便后续分析。
03
实验结果及分析
裂纹扩展速率与时间的关系
实验结果显示，随着裂纹扩展时间的 增加，裂纹扩展速率逐渐增大。当裂 纹扩展到一定长度后，扩展速率趋于 稳定。
分析认为，这是因为裂纹在扩展初期 需要克服较大的应力强度因子门槛值 ，随着裂纹扩展，门槛值逐渐降低， 导致裂纹扩展速率逐渐增大。
桥式起重机焊接箱形梁疲劳裂纹与剩余寿命的研究
桥式起重机焊接箱形梁疲劳裂纹与剩余寿命的研究曾光;殷玉枫;徐格宁;高崇仁;王志海【摘要】以桥式起重机焊接箱形梁为研究对象,运用断裂力学,对强度因子和疲劳裂纹扩展公式加以修正,研究了在恒幅与随机变幅载荷作用下线弹性裂纹的扩展情况,以及材料在小范围屈服的情况下弹塑性裂纹的扩展情况.该研究与实际情况更加接近,能够相对准确地估算出桥式起重机的剩余寿命,对于减少起重机疲劳破坏事故的发生,指导起重机的设计、制造和特种设备的检验分析具有重要意义.【期刊名称】《起重运输机械》【年(卷),期】2010(000)010【总页数】4页(P9-12)【关键词】桥式起重机;焊接箱形梁;强度因子;剩余寿命;预估【作者】曾光;殷玉枫;徐格宁;高崇仁;王志海【作者单位】太原科技大学机电学院,太原,030024;太原科技大学机电学院,太原,030024;太原科技大学机电学院,太原,030024;太原科技大学机电学院,太原,030024;太原科技大学机电学院,太原,030024【正文语种】中文【中图分类】TH2151 引言桥式起重机 (以下简称桥机)是用来提升和搬运货物的重型机械，其广泛用于码头、厂房和室内外仓库等处，在国民生产中起着至关重要的作用。
由于桥机的金属结构和机械零部件本身存在着材料和设计等缺陷，并在变载荷作用下进行工作，经常会造成疲劳破坏。
起重机疲劳破坏中最常见且最严重的是以梁结构损伤为特征的疲劳破坏，而梁结构疲劳的直接表现为裂纹的萌生与扩展。
由此可见，研究起重机结构裂纹萌生、扩展和预测梁结构的剩余寿命，对于减少起重机事故的发生，以及特种设备的生产和检验都具有重要的意义。
桥机是典型的焊接箱形梁形式，以往对焊接箱形梁的裂纹分析仅仅停留在恒幅载荷条件下的线弹性裂纹分析。
由于在裂纹尖端处存在较高的应力集中，存在1个小范围的塑性区域，从而引起应力松弛现象，使应力场也发生变化，故原有的强度因子与裂纹扩展公式不适用于这种情况。
由于该塑性区域并不大，需要对原有的强度因子和线弹性裂纹扩展公式加以修正，使其满足实际情况，仍然适用。
钢箱梁焊缝强度及疲劳验算分析
榕江大桥全桥结构仿真分析专题报告分报告(五)钢箱梁焊缝强度及疲劳验算广东潮惠高速公路有限公司上海贝英吉工程咨询有限公司2015-04-20目录1 概述 (1)1.1 工程概况 (1)1.1.1 项目概况 (1)1.1.2 主要技术标准 (1)1.1.3 主桥设计方案 (2)1.2 专题研究内容 (5)1.3 分报告内容和计算分析方法 (6)2 分析参数和计算方法 (8)2.1 技术标准和规范 (8)2.2 计算参数 (8)2.2.1 材料性能参数 (8)2.2.2 计算荷载 (9)2.3 疲劳计算方法 (11)3 钢箱梁标准段焊缝疲劳性能分析 (14)3.1 计算模型 (14)3.2 计算结果分析 (15)3.3 本章结论 (19)1 概述1.1工程概况1.1.1项目概况榕江大桥是广东省潮州至惠州高速公路（潮汕机场进场路共线段）的重要节点工程，大桥方案受到两岸大堤、通航净空、机场控高、河床断面形式及水文情况、防撞、防洪、抗震、抗风、耐久性、景观和环保等条件的复杂影响。
桥型方案约束条件多，且相互制约，设计工作难度较大。
初步设计中对6种矮塔斜拉桥方案（变截面钢-砼混合梁固结体系矮塔斜拉桥方案、变截面钢箱梁支承体系矮塔斜拉桥方案、变截面钢箱梁双索面半飘体系矮塔斜拉桥方案、等截面混合梁矮塔斜拉桥方案、等截面钢砼叠合梁矮塔斜拉桥方案、等截面混合梁高低塔矮塔斜拉桥方案）进行了技术、经济比选，最终选定了结构体系上最合理的主跨380m的等截面钢－砼混合主梁斜拉桥方案。
在各项设计控制条件中，机场控高和通航净空成为限制榕江大桥主桥设计的最主要条件。
在现有条件下，榕江大桥索塔较矮，桥面以上的索塔高度只有50m 左右，索塔高度与跨径的比例介于传统斜拉桥与矮塔斜拉桥之间，称为低塔斜拉桥。
这种桥型是最大特点是斜拉索与水平面间的夹角较小，斜拉索的水平分力较大，拉索利用率比传统斜拉桥要低，索塔受到的水平力作用也较大。
较为新颖的低塔斜拉桥桥型结构形式，以及钢－砼混合主梁、桁腹式钢箱梁、整体钢锚箱式索塔锚固区等构造形式的采用，使得榕江大桥主桥在设计、施工、运营过程中体现出一系列新特性，设计难度较大。
焊接结构的疲劳评定方法
焊接结构的疲劳评定方法张彦华;刘娟;杜子瑞;陶博浩【摘要】焊接结构的疲劳强度是焊接结构完整性的重要保证.焊接结构的疲劳强度取决于整体结构构造及接头特征等因素,焊接结构的疲劳评定需要考虑焊接接头类型及局部力学行为等不同结构层次的作用.目前已发展了名义应力评定方法、结构应力评定方法、局部应力应变评定方法和断裂力学评定方法.【期刊名称】《航空制造技术》【年(卷),期】2016(000)011【总页数】6页(P51-56)【关键词】焊接结构;疲劳强度;疲劳评定方法【作者】张彦华;刘娟;杜子瑞;陶博浩【作者单位】北京航空航天大学机械工程及自动化学院,北京100191;北京航空航天大学机械工程及自动化学院,北京100191;北京航空航天大学机械工程及自动化学院,北京100191;北京航空航天大学机械工程及自动化学院,北京100191【正文语种】中文焊接结构的疲劳往往起源于焊接接头细节局部应力应变集中区域裂纹萌生和扩展。
其中焊接接头细节疲劳裂纹的萌生由焊趾（或焊根等）应力集中区的局部应力应变状态所决定，而疲劳裂纹扩展则与裂纹（包括缺口效应在内）的局部应力强度因子相关，即局部应力强度因子是焊接接头区疲劳裂纹扩展的主要控制参量。
因此，焊接结构和焊接接头的疲劳强度评定需要从不同层次结构尺度进行分析。
目前，焊接结构或焊接接头疲劳强度的工程评定已发展了几种层次结构尺度的方法[1-3]，主要有名义应力评定方法、结构应力评定方法、局部应力应变评定方法和断裂力学评定方法。
比较而言，名义应力评定方法又称为“整体法”，局部应力应变和断裂力学评定方法称为“局部法”，结构应力评定方法是整体法与局部法之间的过渡。
本文综合介绍了这几种方法在焊接结构疲劳评定中的应用。
名义应力评定方法已有的研究表明，影响焊接接头疲劳强度的主要因素是应力范围和结构构造细节，其次是材料性质和焊接质量，而载荷循环特性的影响相对较小[4]。
因此，以名义应力为基础的焊接结构疲劳设计规范通常是基于应力范围和结构细节分类进行疲劳强度设计[5]，焊接结构设计疲劳载荷应力范围ΔσD不得超过特定结构细节规定的疲劳许用应力范围[ΔS]，即焊接构件的疲劳许用应力范围是根据疲劳强度的试验结果，在考虑一定的安全系数的情况下确定的。
基于ASME标准的动车组沙箱焊接结构疲劳评估
基于ASME标准的动车组沙箱焊接结构疲劳评估王峰;徐兴海;陈秉智【摘要】In order to study the fatigue life of the welded parts of EMU sandbox,finite element model is estab-lished according to the structure of sandbox. Three kinds of fatigue load conditions are loaded,the main weld seam is selected,and the stress and cumulative damage ratio of the weld seam were calculated by using master S -N curve method in ASME standard and the nominal stress method with reference to BS standard. The cal-culation results show the rationality of the sandbox structure design. Changing the size of the weld element,the calculation results of the two methods are compared with the different size elements,and it is proved that the master S -N curve method is not affected by the finite element mesh size in the fatigue assessment of welded structure,and it is more reliable than the nominal stress method.%为了研究动车组沙箱焊接部位的疲劳寿命,根据沙箱的结构建立有限元模型,加载三种疲劳载荷工况,选取主要焊缝,运用ASME标准中的主S-N曲线法和参照BS标准的名义应力法分别计算所选焊缝的应力和累积损伤比,通过计算结果证明沙箱结构设计的合理性.改变焊缝单元的大小,对比不同尺寸单元下两种算法的计算结果,证明主S-N曲线法对焊接结构进行疲劳评估的时候不受有限元网格大小的影响,比名义应力法更为可靠.【期刊名称】《大连交通大学学报》【年(卷),期】2018(039)001【总页数】6页(P45-50)【关键词】疲劳;等效结构应力;主S-N曲线法;疲劳评估;焊接结构;沙箱【作者】王峰;徐兴海;陈秉智【作者单位】中车长春轨道客车股份有限公司,吉林长春 130062;大连交通大学交通运输工程学院,辽宁大连 116028;大连交通大学交通运输工程学院,辽宁大连116028【正文语种】中文0 引言近年来国家大力兴建高速铁路，动车组列车的使用频率也越来越高，然而在应对列车运行中复杂的动载荷作用时，焊接结构的疲劳强度格外重要.对于动车组列车的沙箱来说，焊接处的寿命能够直接关系到整体结构的服役时长.结构的疲劳失效会产生无法预期的影响，因此焊接结构的疲劳评估就变成了设计时的关键考虑因素. 抗疲劳设计方法中，通常使用的评估方法是名义应力法.此方法计算简便，容易使用，然而它有不足之处.第一，此方法计算出的是结构上的名义应力而并非实际的结构应力，与实际情况有一定差距，而且计算结果会受焊缝单元有限元网格大小的影响，导致结果存在误差；第二，此方法对于不同种类的焊缝对应了不一样的强度等级，在结合BS、IIW等标准进行疲劳评估时，遇到工程上较为复杂的焊接结构，难以准确的选取强度等级，导致结果误差偏大[1-3].针对名义应力法和各个标准的局限性，2007年美国的ASME标准中给出了一个新的焊接结构疲劳评估方法(即主S-N曲线法，又称等效结构应力法)[4]，该方法是由著名的焊接结构专家董平沙教授提出的，他出版的著作对该方法有详细的理论推导[5].本文运用了主S-N曲线法和名义应力法对动车组沙箱的焊接结构进行疲劳评估，计算出应力较大的两条焊缝的累计损伤比均小于1，证明沙箱的结构设计合理；改变焊缝单元有限元网格的尺寸，再次运用两种方法对应力较大的两条焊缝进行疲劳评估，对比不同尺寸单元下两种方法的结果，验证主S-N曲线法对焊接结构进行疲劳评估的时候不受有限元网格大小的影响，结果更为准确.1 主S-N曲线法1.1 结构应力焊缝的裂纹一般发生于焊趾处，所以研究焊趾附近的应力构成非常重要[6].在主S-N曲线法中，将板厚为t的焊趾处的应力分为以下几个部分(图1)：弯曲应力σb、膜应力σm和缺口自平衡应力σn，将弯曲应力σb和膜应力σm之和定义为结构应力[7].图1 焊趾处应力分布示意图1.2 等效结构应力以断裂力学为理论基础，从裂纹开始形成到最终发生疲劳断裂的疲劳寿命可用式(1)表示[3].(1)式中：Mkn为缺口应力放大因子.(2)其中：r为结构中弯曲应力与结构应力的载荷比，r=Δσb/(Δσm+Δσb)；MknT为纯拉接头的Mkn；fm和fb为无量纲函数.式(1)中的积分对af不敏感，所以可以用相对裂纹长度的形式表达(3)其中：I(r)是关于板厚t、载荷比r和初试裂纹a的无量纲函数，可以表示为(4)由此可以导出结构应力的表达式(5)可见，结构应力是关于板厚t和载荷比r的函数，所以等效结构应力ΔSs的表达式可表示为[8](6)所以，可以得到以等效结构应力ΔSs为参量的疲劳寿命表达式为[9](7)C和h是ASME标准中主S-N曲线试验常数,见表1.在用主S-N曲线法对焊接结构进行评估的时候，用一条主S-N曲线来代替所给出的S-N曲线簇，从而使结果更加准确，与实际情况更加接近[10].表1 疲劳曲线参数StatisticalBasisFerriticandStainlessSteelsAluminumChChMeanCurve19930．20．319503495．130．27712Upper95%PredictionInterval(+1σ)23885．80．319504293．190．27712Lower95%PredictionInterval(-1σ)16629．70．319502845．420．27712Upper95%PredictionInterval(+2σ) 28826．50．319505273．480．27712Lower95%PredictionInterval(-2σ)13875．70．319502316．480．27712Upper99%PredictionInterval(+3σ)34308．10．319506477．600．27712Lower99%PredictionInterval(-3σ)11577．90．319501885．870．277122 箱体及焊缝有限元建模2.1 箱体有限元模型利用HyperMesh软件依据箱体的实际结构进行有限元建模，当对结构划分网格时，应尽量以四节点壳单元为主，尽最大的可能减少三节点三角形单元的数量[11].箱体有限元模型的单元数为26 112个，节点数为20 626个(如图2所示).(a)整体示图1(b)整体示图2图2 箱体有限元模型2.2 焊缝有限元模型本文评估的沙箱焊接结构采用了搭接焊、T型焊和环形封闭焊的焊接接头形式，因为箱体采用的是左右对称结构，所以在构建焊缝的有限元模型时只在一侧建模.在对焊缝进行疲劳评估的时候使用的是依据主S-N曲线法自主开发的FE-Weld软件.该软件对焊缝位置有限元网格质量要求较高，特别是定义的焊缝网格不能出现三节点壳单元，要求必须是四节点单元；所选单元的节点上不能出现刚性元或柔性元的约束连接；所选焊缝的节点数要求比单元数多1.搭接焊是两个需要焊接在一起的部件重叠所构成的接头形式,如图3所示.在建立搭接焊的有限元模型时，重叠部分的网格需要建立位移耦合rigids，用来约束上下焊板节点位移的一致性，在选取焊缝单元厚度的时候，要求选择厚度较薄的那一排网格.图3 搭接焊结构示意图T型焊是两个被焊接件之间的夹角为90°或者接近90°的接头形式.因为T型焊分为全熔透焊和部分熔透焊，单面或双面坡口[12-13]，所以在建立T型焊的有限元模型时根据实际结构的焊接工艺图进行模拟，本文所建立的T型焊是部分熔透焊单面坡口,如图4所示.图4 T型焊结构示意图文中评估的沙箱还有一种焊接接头形式—环形封闭焊,如图5所示.图5 环形封闭焊结构示意图3 沙箱焊接结构疲劳评估3.1 疲劳载荷工况依据任务书的要求，对箱体施加三个方向的疲劳载荷工况，即对箱体的横向(x向)、垂向(y向)和纵向(z向)分别施加±0.15 g的加速度，其疲劳载荷工况见表2.表2 疲劳计算载荷工况工况工况描述x向y向z向1横向加速度±0．15g2垂向加速度±0．15g3纵向加速度±0．15g边界条件：在箱体的4个吊座位置施加位移约束，如图2(a)所示，分别在A、B、C、D四个位置施加横向(x向)、垂向(y向)和纵向(z向)三个方向平动自由度的约束.3.2 基于主S-N曲线法评估建立了13条焊缝的有限元模型.将导出的焊缝数据文件和通过ANSYS计算后的应力结果文件一同导入FE-Weld软件中进行计算，为了节省计算工作量，选取出结构应力和等效结构应力较大的两条焊缝进行评估.通过结果可知，应力较大的位置出现在环形封闭焊缝和吊座板与箱体的搭接焊缝处，所以接下来我们对这两条焊缝进行评估，所选的焊缝应力分布,如图6所示.(a)焊缝应力分布图(b)环形封闭焊缝应力图(c)搭接焊缝应力图图6 焊缝应力分布示意图首先对应力最大的环形封闭焊缝进行分析，在三种疲劳载荷工况的作用下，可知箱体在加载垂向(y向)疲劳载荷工况的时候，焊缝所受的应力最大，应力最大的位置出现在焊缝的下方，其结构应力为4.34 MPa，等效结构应力为3.84 MPa.应力最大的位置出现在这里原因是因为焊缝连接的是进沙筒和箱体，进沙筒的端部连接着沙箱盖，沙箱盖重2 kg，当加载垂向(y向)加速度的时候，由于沙箱盖的重量对焊缝的焊趾处产生的弯矩较大，焊缝上方受到的是弯曲拉应力，下方受到的是弯曲压应力，所以应力最大的位置出现在焊缝的下方符合理论分析.通过FE-Weld软件的计算在三种疲劳载荷工况的作用下，应力最大位置的累积损伤比远远小于1，所以此沙箱的结构设计合理.然后对吊座板与箱体的搭接焊缝进行分析，同样是在三种疲劳载荷工况的作用下得知在加载垂向(y向)疲劳载荷工况的时候焊缝所受的应力最大，应力最大的位置出现在两块焊板边缘，其结构应力为0.59 MPa，等效结构应力为0.549 MPa.应力最大的位置出现在此处的原因是焊板边缘处易发生应力集中，同时受到焊接工艺的影响，两条焊缝的连接处会产生缺口，所以应力最大的位置出现在这里符合理论分析.应力最大位置累积损伤比远远小于1，结构设计可靠.3.3 基于名义应力法评估本文评估的沙箱箱体材料是SUS304，所以我们参照BS标准进行疲劳评估.首先我们将构建好的有限元模型导入ANSYS进行计算，提取第一主应力；然后对照BS 标准中所给出的焊缝类型和等级进行比对，选取出匹配的S-N曲线；最后根据线性累积损伤理论，结合名义应力谱和所选的S-N曲线对焊接结构进行疲劳评估[14-15].所选的两条焊缝应力分布如图7.(a)环形封闭焊缝应力图(b)搭接焊缝应力图图7 焊缝应力分布示意图对照BS标准，如图7得知，两条焊缝的第一主应力均小于对应焊缝等级的许用应力，其累积损伤比均小于1，因此，该沙箱结构设计合理.3.4 两种疲劳评估方法结果对比前面分别运用了主S-N曲线法和名义应力法对所选的两条焊缝进行了疲劳评估，为了更好的验证主S-N曲线法的网格不敏感性，特此将焊缝单元的有限元网格尺寸进行修改，分别以8×8、10×10、12×12尺寸的网格进行了计算，如图8所示.(a)环形封闭焊缝(b)搭接焊缝图8 不同尺寸网格结果对比通过两条焊缝不同尺寸网格的结果对比我们可以得出，主S-N曲线法提取的等效结构应力几乎不受网格尺寸变化的影响，大致拟合在一条曲线上.名义应力法提取的应力值非常容易受到网格尺寸的影响，没有一个相对稳定的结果，对于后续的计算影响较大.所以在对焊接结构进行疲劳评估的时候，主S-N曲线法更为可靠.4 结论通过上述分析得出：(1)主S-N曲线法首先将焊趾处的节点力转化为节点线力，进而求出结构应力.然后使用Paris公式推出等效结构应力和寿命的关系.最后将多条平行的S-N曲线整合成一条主S-N曲线，提高了工作效率；(2)以动车组沙箱为例，给出沙箱所用焊缝的有限元建模方式，然后分别运用主S-N曲线法和名义应力法评估了应力较大的两条焊缝，证明沙箱结构设计合理；(3)改变焊缝单元的大小，运用两种方法分别计算了在不同尺寸下焊缝的应力分布，通过比较结果，验证了主S-N曲线法对焊接结构疲劳评估时不受有限元网格大小影响，比名义应力法更为可靠.参考文献：[1]Welding Standards Policy Committee.BS7608-1993 Code of practice for fatigue design and assessment of steel structures [S]. England: British Standard Institute, 1993.[2]International Institute of Welding. Stress determination for fatigueanalysis welded components [S]. England: Abington Publishing, 1995. [3]刘天生. 基于ASME标准的机车车辆铝合金车体疲劳强度研究[D].成都：西南交通大学, 2014.[4]ASME VIII DIV 2-2007. ASME boiler and pressure vessel code [S]. New York: The American Society of Mechanical Engineers, 2007.[5]DONG P, HONG J K, OSAGE D A. The Master S-N curve method and implementation for fatigue evaluation of welded components in the asme b&pv code, Section VIII, Division 2 and API 579-1/ASME ffs-1[M]. 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疲劳试验裂纹检测方法研究
疲劳试验裂纹检测方法研究摘要:在试验过程中是否能够尽早发现主要受力部位的疲劳裂纹，这一点直接关系到试验件的安全和试验的成败。
因此，检测发现疲劳试验裂纹的方法就显得尤为重要。
通过疲劳试验中同一载荷下多次测量应变数据的统计分析，根据其变化规律和贴片位置，预估可能产生裂纹的区域。
关键词:疲劳试验；裂纹检测；应变11.概述在试验过程中是否能够尽早发现主要受力部位的疲劳裂纹，这一点直接关系到试验件的安全和试验的成败[1]。
因此，检测发现疲劳试验裂纹的方法就显得尤为重要。
本文梳理已完成的疲劳试验中，绝大多数试验件经计算后得出经过疲劳载荷加载完成后均不会出现裂纹并发生破坏，因此试验过程中缺乏监控，仅在试验完成后，通过目视检查和无损检测来检测是否出现裂纹。
而在研究的过渡梁类零件疲劳及损伤容限试验中，在过程中必然会出现裂纹，裂纹何时出现、在什么部位出现就成为了必须解决的问题。
因此需要完成疲劳试验裂纹检测方法的研究。
2.疲劳试验裂纹检测常用方法目前常用的损伤检测方法有：直观观测法（目视检查）、应变数据分析法、固有频率法。
2.1 直接观测法（目视检查）直接观测法主要依赖于危险点的裂纹长度检测，通过借助显微镜直接观察结构危险点是否已经产生裂纹，从而判断结构是否已经疲劳损坏，是试验中最常用的判断方法。
但在试验中可能由于有些机构产生裂纹较小，或危险点位于结构内部，无法进行目视检查或无法及时发现裂纹，从而造成试验件损伤。
因此，此方法需配合其他更加有效的发现裂纹方式一起使用。
2.2 应变数据分析法电阻应变片测量应变的过程为：将应变片粘贴在构件表面，接入测量电路，随着构件受力，应变片敏感栅随之变形使其电阻发生变化。
应变数据分析法，就是根据试件的实际几何外形将合适的应变片粘贴在试件的危险点处，通过动态应变仪监测粘贴处的应变变化。
动态应变仪能实时反映出应变片粘贴处的结构应变，当危险点出现裂纹时，应变必然随之增加，由应变的突然增大并超过限定值可以判断结构已经发生了疲劳破坏。