振动环境下焊缝疲劳寿命的预测及分析_张凤

标轴表示应力，使应力—时间历程如一座宝塔，雨点以峰值、谷值
为起点向下流动；根据其流动迹线，确定各级应力的循环次数[5]。
F
O a
b
a′
c
d d′ f
h
e
g g′
i
tቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
式（1）适用于所有的钢结构，相关参数如表 1 所示，由于实
验中焊缝为 F 级，所以表 1 仅列出了 F 级焊缝的相关参数，且有：
logCd =logCo -dσ
根据名义应力法对焊缝的疲劳寿命进行测试与预估分析， 首先模拟真实工况进行实验，将一对接焊缝样件安装于振动台 上，测量得到焊缝不同焊点的应力—时间历程，并编制出应力谱， 然后根据 BS7608 标准提供的 S-N 曲线得到各级应力作用下焊 缝的疲劳寿命，进而根据 Miner 线性累积损伤理论预估焊缝不同 焊点的疲劳寿命，并分析了影响焊缝疲劳寿命的主要因素。
（2）
将式（2）带入（1）则：
m
Sr N=Cd
（3）
对于不同的 d 值，根据式（1）~式（3），可以推断出其所对应
的基本的 S-N 曲线。如表 2 所示，名义失效率和不同的 d 值相对
应，如 d=2 时相应的 C2 值[6]，如表 1 所示。
表 １ 基本 Ｓ－Ｎ 曲线细节表 Ｔａｂ．１ Ｄｅｔａｉｌｓ ｏｆ Ｂａｓｉｃ Ｓ－Ｎ Ｃｕｒｖｅｓ
寿命值 Ni；最后根据线性累积损伤理论计算各级应力的损伤之和 并估算出焊缝的疲劳寿命 N[4]。准确预估焊缝疲劳寿命的关键是
确定各级应力的循环次数 ni 及对应的寿命值 Ni。
实验样件
模拟振动环境
应变-时间曲线 应力-时间曲线
应力谱编制
S-N 曲线确定 各级应力下寿命
线性累计损伤
寿命计算
图 1 焊缝疲劳寿命预估流程 Fig.1 Process about the Fatigue Life Estimation of the Weld
Abstract：Based on the nominal stress method，fatigue life of structure welds under a vibration environment are assessed and the factors which impact the fatigue life of the weld are analyzed. The real vibration environment is simulated by the vibration table and strain-time curves of different butt welded joints are obtained through experiment which in such simulated vibration environment. Firstly，the rain flow counting method is applied to get the number of cycles of each stress levels. Secondly， based on the S-N fatigue curves of weld which are provided by BS7608 standard，the weld life under each stress level is got. Lastly，according to the miner linear cumulative damage theory，the fatigue life of every joint is calculated and the factors which impact the fatigue life of the weld are analyzed. The results show that the presence of the weld reduces the fatigue life of the components and the location of the solder joints and the presence of the high portion have influence on the fatigue life of the weld. The results of this analysis coincide with the breakage of the butt welds in practice and it proves the correctness of this prediction method of weld fatigue life. Key Words：Nominal Stress Method；Fatigue Life；Rain Flow Counting Method；BS7608 Standard；S-N Curves；Linear Cumulative Damage Theory
Forecast and Analysis of the Weld Fatigue Life Under Vibration Environment
ZHANG Feng，LI Jian，LI He
（School of Mechanical Engineering and Automation Northeastern University，Liaoning Shenyang 100819，China）
来稿日期：2014-04-28 基金项目：教育部基本科研业务费项目（N120203001，N130803001） 作者简介：张 凤，（1988-），女，河北保定人，硕士研究生，主要研究方向：疲劳寿命分析；
李 鹤，（1975-），男，河南方城人，硕士生导师，教授，主要研究方向：机械系统动力学、非线性振动、疲劳寿命分析
由公式（3）及图 3 可知：
m
Sri叟So 时，Ni =Cd1 /Sri
m+2
Sri燮So 时，Ni =Cd2 /Sri
（8） （9）
式中：Ni—Sri 作用下至焊缝断裂时的循环次数。
No.11
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机械设计与制造
Ｎｏｖ．２０１４
2.3 焊缝的寿命计算
10
加速度（g=9.81m/s2）
2.3.1 线性累积损伤理论
2.1 焊缝应力谱的编制
应力谱由各级应力及其循环次数按各级应力的大小或其它
某种次序排列组成。由于实测的应力—时间历程数据具有随机性
和不确定性，在分析过程中往往无法使用。因此，需要对实测的应
力—时间历程数据进行处理和简化，以得到零件应力变化情况的
本质。应力谱的编制通常需要确定一个包含所有状态的谱时间
T，然后应用雨流计数法得到各级应力循环的次数 ni。 雨流计数法的原理，如图 2 所示。纵坐标轴表示时间，横坐
（4） （5） （6） （7）
式中：n—被评估点应力幅发生的次数；
S0—评估点处焊缝 S-N 曲线拐点； Cd1 —N=107 之前曲线所对应的常数； Cd2—N=107 之后曲线所对应的常数。
静态极限值
1 m
σ0
洁净空气中或者是在海水中带有防腐 装置的接头上施加的常幅载荷
计算变幅载荷的有效曲线， 等价于 Sr-N 曲线在大于 N=107 时的改变斜率
名义失效率/% 50
31
16
2.3
0.14
d
0a
0.5
1.0
2.0b
3.0
注：a 表示平均值曲线，b 表示基本设计曲线
2.2.2 各级应力单独作用时焊缝的寿命计算
在空气和受到充分保护的海水中，假定寿命为 N=107 次周
期循环时所对应的应力变化范围为 S（0 S0 可从表 1 中查得）。当施 加的应力幅值变化时，在 S-N 曲线上，以 N=107 次周期循环为拐
Class C0
C0
标准差，σ
log10 loge m log10 loge
S（0 N=10）7
C2
N/mm2
F 3.289×1012 12.5169 28.8216 3.0 0.2509 0.5777 1.04×1012 47
表 ２ 名义概率因素 Ｔａｂ．２ Ｎｏｍｉｎａｌ Ｐｒｏｂａｂｉｌｉｔｙ Ｆａｃｔｏｒｓ
应力变化范围 Sr，对数坐标
图 2 雨流法计数原理 Fig.2 Rainflow Counting Principle
2.2 焊缝的 S-N 曲线
2.2.1 焊缝 S-N 曲线的确定
BS7608 标准中各等级焊缝的 S-N 曲线方程为：
logN=logCo -dσ-mlogSr
（1）
式中：N —焊缝达到破坏时的循环次数；C0 —与平均 Sr-N 曲线相 关的常数；d —标准差低于平均值的数目；σ—logN 的标准
差；m —S-N 曲线斜率的倒数；Sr—应力变化范围。
在海水中无保护 接头的载荷
1 1
107
耐疲劳循环次数 N，对数坐标
注：只有图中所示的实线是基于实验数据得到的
1 m+2
图 3 典型的 Sr-N 关系曲线 Fig.3 Typical Sr-N Relationship
根据 S-N 曲线确定应力 Sri 作用时焊缝的寿命循环次数 Ni ，
点，如图 3 所示。此点之前曲线斜率为 m 的倒数，此点之后斜率
为 m+2 的倒数[7]，损伤比分别为：
m
叟 叟 Sr 叟So 时，Nn
=
n
7
10
Sr So
7m
将式（3）带入则：Cd1 =1×10 ×S0
（m+2）
叟 叟 Sr 叟So 时，Nn
=
n
7
10
Sr So
7 m+2
将式（3）带入则：Cd2 =1×10 ×S0
第 11 期
张 凤等：振动环境下焊缝疲劳寿命的预测及分析
229
2 焊缝疲劳寿命计算方法
依据名义应力法，焊缝疲劳寿命预估原理，如图 1 所示。首
先采集各焊点的应变—时间曲线并转换为应力—时间曲线；然后
应用雨流计数法编制应力谱，得到每一级应力循环的次数 ni；进
而根据 BS7608 标准中相应的 S-N 曲线得到每一级应力对应的
易控制。为了弥补有限元方法的不足可以通过实验的方法测得焊 缝的名义应力，然后根据名义应力法并结合英国 BS7608 标准选 择合适的焊缝等级来预估焊缝的疲劳寿命。BS7608 标准根据焊 接接头的几何布置和比例、承载的方向、制造和检验的方法等将 焊缝分为 10 个等级，并通过对大量实验数据的分析拟合得到了 各等级焊缝的 S-N 曲线。
1 引言
在机械、桥梁、建筑、海洋工程等众多领域中，焊接是最主要 的连接方式，如矿山用车车体的连接[1]、重型货车转向架的连接[2]等 多采用焊接结构。在焊接结构中焊缝是疲劳寿命的薄弱环节，焊缝 处极易产生应力集中并萌生裂纹，且在强烈动载荷的作用下易发生 断裂从而造成破坏事故，所以为了提高焊接构件的可靠性，对于焊 缝疲劳寿命的预测不可忽视。目前，对于焊缝疲劳寿命的评估方法 主要是通过有限元模型模拟焊缝，然后计算焊核和连接板周围的 结构应力，最后通过名义应力法预测焊点的疲劳寿命[3]。在建立有 限元模型的过程中需要正确设定网格的划分方式、网格的尺寸以 及焊缝的有效厚度才能得到准确的名义应力计算结果；当遇到复 杂的焊接结构时，有限元方法的工作过于繁重且计算结果误差不
机械设计与制造
第 11 期
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Machinery Design ＆ Manufacture
2014 年 11 月
振动环境下焊缝疲劳寿命的预测及分析
张 凤，李 健，李 鹤
（东北大学 机械工程与自动化学院，辽宁 沈阳 110819）
摘 要：根据名义应力法，对某结构焊缝在振动环境下的疲劳寿命进行了预测，并对影响焊缝疲劳寿命的因素进行了分 析。使用振动台模拟真实振动工况环境，并得到对接焊缝不同焊点在此模拟振动环境下的应力—时间曲线。首先，应用雨 流计数法得到各级应力的循环次数；然后，以 BS7608 标准中提供的焊缝 S-N 曲线为依据求得各级应力下焊缝的疲劳寿 命；最后，根据 Miner 线性累积损伤理论预测各焊点的疲劳寿命并分析影响焊缝疲劳寿命的主要因素。分析结果表明：焊 缝的存在降低了构件的疲劳寿命，且焊缝焊点的位值及余高的存在影响了焊缝的疲劳寿命。此分析结果与工程实际中对 接焊缝的断裂情况相吻合，证明了此焊缝疲劳寿命预测方法的正确性。 关键词：名义应力法；疲劳寿命；雨流计数法；BS7608 标准；S-N 曲线；线性累积损伤理论 中图分类号：TH16；TH123+.3 文献标识码：A 文章编号：1001-3997（2014）11-0228-04