BS7910疲劳评定方法及特点
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1 BS7910 金属结构缺陷的评定方法
1. 1 平面缺陷的断裂力学评定方法 该评定方法是将实际缺陷理想化为尖锐的裂纹 ,
然后用断裂力学中的裂纹扩展速率的定律对其从初始
裂纹 ai 到临界裂纹 af 进行积分 ,得出裂纹的扩展寿命 N ,如果裂纹的疲劳寿命 N 大于所要求的疲劳寿命而
裂纹的极限尺寸还没有达到 ,则该缺陷 ai 可以接受 ,反 之则不接受 。在裂纹扩展速率与应力强度因子关系的
Q3
32
11
Q4
28
9
Q5
23
8
Q6
焊接 2005 (1)
要对 公 式 ( 1) 进 行 调 整 , 使 用 有 效 的 应 力 因 子 范 围
ΔKeff 。公式 (1) 变为如下形式 :
d a/ d N = A (ΔΚeff) m
(4)
式中 :ΔKeff为 ΔK 的有效值 ,当最高温度达到 100 ℃时
考虑到 ΔK 接近到门槛值ΔKth ,当 ΔK < ΔK0/ R ( R 为
关键词 : BS7910 疲劳评定 裂纹扩展速率 质量分类
BS7910 FATIGUE ASSESSMENT METHODS AND ITS FEATURES
Tianjin University Liu Hongwei , Zhang Yufeng , Huo Lixing , Wang Dongpo
1. 52 ×1012 1. 04 ×1012 6. 33 ×1011 4. 31 ×1011 2. 5 ×1011 1. 58 ×1011 1. 00 ×1011 6. 14 ×1010 3. 89 ×1010 2. 38 ×1010
表 3 质量等级 S - N 曲线详细内容
BS7910 中的当量 设计级别
如果缺陷被确认为非平面缺陷 ,那么就可以按非 平面缺陷步骤进行疲劳评定 ,如果对缺陷类型存在怀 疑 ,则应按平面缺陷处理 。与设计细节 S - N 曲线相 似 ,这里的疲劳失效是指达到穿透破裂 。要想考虑其 他的失效准则 (即从部分厚度裂纹断裂) ,则应该按平 面缺陷评定 。对夹渣的处理是这样的 ,如果在同一个 截面上含有多个夹渣 ,他们应被视为高 2 a 的平面缺 陷 。当两个夹渣距离大于 1. 25 倍的缺陷高时 ,则按单 个缺陷处理 ,按照给出的最大夹渣长度评定其等级 。
·14 ·
焊接 2005 (1)
Y (Δσ) p = M f w [ ktm M km M m Pm + Ktb M kb M b (σb + ( Km - 1)σm) ]
(8)
式中 : Pm 为膜应力 ; M 为突边修正系数 ; f w 为有限板 宽修正系数 ; ktm , ktb 为膜应力和弯曲应力修正系数 ; M km , M kb为缺陷位于应力集中部位 (焊趾 、焊根) 时的 修正系数 ; M m , M b 为应力集中系数 ; km 为错位修正系 数 ;σm ,σb 为线性化后的膜应力和弯曲应力 。
循环应力比) :
ΔKeff = (ΔK - ΔK0) / (1 - R)
(5)
因此 ,公式 (3) 的形式变为如下形式 :
∫a f ai Y
(1 - R)
(πa)
-
ΔΚ0 Δσ
d a = A (Δσ) m N
(6)
评定中要考虑的应力是在不含缺陷的结构应力分 析中计算得到的应力 ; 也可以使用实际应力分布或者 使用线性化的方法求出应力 。评定单一或静态载荷效
生产应用
BS7910 疲 劳 评 定 方 法 及 特 点
天津大学材料科学与工程学院 (300072) 刘洪伟 张玉凤 霍立兴 王东坡
摘要 BS7910“金属结构缺陷验收评定方法导则”是英国标准委员会在 PD6493 及其发展版本上建立的 。主要 介绍 BS7910 标准中提供的平面缺陷断裂力学的评定方法和质量等级的评定方法 ,并与 IIW 评定方法作了相应的 对比 。
以下方法求出 :根据 amax和厚度 B 在图中读出 S m 值 ,
再根据 ai 和厚度 B 读出 S i 的值 , S m 值和 S i 的值代入
公式 (11) 则可以求出质量分类等级 。
S
=
(
S
3 i
-
S
3 m
)
1/
3
(11)
如果 , amax >> ai 则 S = S i 。待评定缺陷的质量等
要求 的 质 量 分 类 与 前 面 所 述 一 致 , 但 是 当 公 式 (10) 被使用时 ,如果 Δσj 小于表 4 给出的数值在计算常 幅当量应力范围 S 时则被忽略 。
表 4 评定非平面缺陷和形状缺陷的最小 Δσj
质量分类
计算 S 时的最小Δσj/ MPa
钢
铝合金
Q1
42
14
Q2
37
12
量分类 S - N 曲线位于由要求的应力范围和循环寿命
确定的点上面 。变幅载荷时假设疲劳载荷包括 k 个载
荷块 ,应力范围 Δσ1 对应 n1 次循环 ,应力范围 Δσ2 对
应 n2 次循环 ,依次类推 。根据 Miner 准则 ,2 ×106 次 循环的当量应力范围 S 由下式计算出来 :
S=
1/ 3
标准中提供了 Q1 到 Q10 十个等级的评定曲线 ,这 些 曲线是参照设计要求或者缺陷的实际疲劳强度得
出 。曲线满足如下方程 :
Δσ3 N = C
(9)
式中 :Δσ为应力范围 ; N 为循环次数 ;C 为常数 。
每条曲线由应力范围 S 表达的 , S 是对应 2 ×106
次循环寿命时的值 。
要求的质量分类按载荷类型确定 。常幅载荷时 ,质
IIW X111 - 1539 - 94/ XV - 845 - 94 在缺少实验 情况下得出的 Α、m 、和 ΔKth ,推荐下面的值 :对于钢材 Α = 3 ×10 - 3 , m = 3 ,ΔKth = 190 - 144 R ;对于铝材 Α = 8. 1 ×10 - 12 , m = 3 ,ΔKth = 63 - 48 R [2 ] 。而 BS7910 标 准中推荐了几种裂纹扩展速率 ,根据不同的材料 、强度 及使用环境可以查出相应的常数 m , A 和门槛值分别 见表 1 和表 2 。当循环应力比 R ≥0. 5 时 ,平均值加两 个标准偏差 (平均曲线 + 2SD) 的上限值适用所有的焊 接接头 ,它对应着 97. 7 %的存活率 。
bs7910金属结构缺陷的评定方法平面缺陷的断裂力学评定方法该评定方法是将实际缺陷理想化为尖锐的裂纹然后用断裂力学中的裂纹扩展速率的定律对其从初始裂纹ai到临界裂纹af进行积分得出裂纹的扩展寿命大于所要求的疲劳寿命而裂纹的极限尺寸还没有达到则该缺陷ai可以接受之则不接受
·12 ·
焊接 2005 (1)
此外 ,已出版的应力强度因子的解以及数值分析 方法或权函数技术也可以使用 ,但是这种方法的依据 和结果应该存档 。 1. 2 质量分类评定方法
这种评定方法是将含缺陷焊接构件实际的 S - N 曲线和要求的 S - N 曲线相比较 。如果实际的质量等 级等于或大于要求的等级 ,则缺陷可以接受 。要求的 质量等级是根据含缺陷构件服役条件确定 ,由组件寿 命范围的内疲劳载荷与预期的总的循环次数来决定 。 另外 ,要求的质量等级也可参照接近的设计细节来选 择。质量等级 S - N 曲线不应高于设计细节 S - N 曲线。
·13 ·
应时 ,应区分一次应力 ( Pm , Pb) 和二次应力 ( Q m , Q b) , 因为只有前者才导致塑性破坏 ,而二次应力为自平衡应 力 。评定时还要区分静态和波动应力 ,并且将波动应力 当成一次应力处理 。残余应力和热应力通常是二次应 力 ,但是波动的热应力却要当成一次应力处理 。
Key words : BS7910 , fatigue assessment , propagation rate of crack , quality classif ication
0 前 言
目前 ,作为焊接结构疲劳评定的标准有 IIW 以及 本文将要介绍的 BS7910 等标准 。BS7910“金属结构缺 陷验收评定方法导则”是英国标准委员会在 PD6493 及 其发展版本上建立的 。在 BS7910 这个标准中 ,它提供 了平面缺陷断裂力学的评定方法 、质量等级的评定方 法 。前一种评定方法是针对平面缺陷的评定方法 ; 在 实际评定中如果对缺陷有怀疑或不能确定其种类时 , 就要将其视为平面缺陷 ,使用断裂力学的方法进行评 定 。对结构的疲劳评定的目的就是要评定在役结构中 的缺陷对疲劳强度的影响 ,或依据适合于使用的原则 估计结构的最大容许尺寸[1～3 ] 。该标准中给出了各种 缺陷疲劳评定的具体方法 ,本文将对其逐一介绍 。
标准附录中给出了应力强度因子见 ( 7 )
式 , (7) 式中 Y (Δσ) 考虑一次应力的具体形式见式 (8) 。
ΔΚ = Y (Δσ) (πa)
(7)
© 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.
2 ×106 次循环时的应力范围 S / MPa
钢
铝合金
D
91
30
E
80
27
F
68
23
F2
60
20
G
50
17
W
43
14
—
37
12
—
32
10
—
27
9
—
23
8
1. 2. 1 平面缺陷的评定 评定平面缺陷时 ,使用标准中给出的图先将实际
裂纹尺寸 a 和 2 c 转换成对应于直前沿裂纹 (即 a/ 2 c = 0) 的有效初始裂纹 ai 。然后 ,再求出裂纹的最大允许裂 纹尺寸 amax 。那么 ,缺陷相应的质量分类等级可以按
j=k
∑Δσj3 nj
j =1
2 ×106
(10)
在 BS7910 质量分类 S - N 曲线细节表中给出了 一系列应力范围 S 值 ,表中与上面当量值接近且大于 它的那个应力范围 S 即为要求的质量分类等级 (表 3) 。
质量分类
Q1 Q2 Q3 Q4 Q5 Q6 Q7 Q8 Q9 Q10
Δσ3 N = C
Abstract BS7910 which name is“Guide on met hods for assessing t he acceptability of flaws in metallic structures”is developed from PD6493 and ot her improved versions. This article mainly introduces t he fracture mechanics fatigue assessment of plane flaws and quality categotary assessment supplied in BS7910. The comparision has also been made between t he assessment met hods provided in BS7910 and IIW in t his article.
ΔΚ = Y (Δσ) (πa)
(2)
将上式 (2) 代入 (1) 式 ,得到下面公式并对其从初始裂纹
ai 到终止裂纹 af 进行积分 ,得到裂纹扩展的疲劳寿命 N。
∫a f
a
i
Ym
da (πa)
m/ 2
=
A
(Δσ)
mN
(3)
当裂纹在非常接近门槛值处扩展时 ,这种情况下就
© 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.
双对数曲线中 ,有一条直线的线性关系曲线或更精确地 有两条或多条直线关系曲线的形式 。一条线性关系曲
线的形式足以适用于从 ΔK0 到疲劳破坏的所有 ΔΚ
值 ,比如 Paris and Erdogan 等定律 。标准中使用的疲劳
裂纹扩展速率公式如下 :
d a/ d N = A (ΔK) m
(1)
式中 : A 和 m 为由材料 、加载环境 、循环频率决定的常 数 ;ΔK 为应力强度因子范围 ,其计算公式为 :
© 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.
焊接 2005 (1)
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级就是表 3 中与之接近且大于它的那个 S 值 。 1. 2. 2 非平面缺陷的评定
1. 1 平面缺陷的断裂力学评定方法 该评定方法是将实际缺陷理想化为尖锐的裂纹 ,
然后用断裂力学中的裂纹扩展速率的定律对其从初始
裂纹 ai 到临界裂纹 af 进行积分 ,得出裂纹的扩展寿命 N ,如果裂纹的疲劳寿命 N 大于所要求的疲劳寿命而
裂纹的极限尺寸还没有达到 ,则该缺陷 ai 可以接受 ,反 之则不接受 。在裂纹扩展速率与应力强度因子关系的
Q3
32
11
Q4
28
9
Q5
23
8
Q6
焊接 2005 (1)
要对 公 式 ( 1) 进 行 调 整 , 使 用 有 效 的 应 力 因 子 范 围
ΔKeff 。公式 (1) 变为如下形式 :
d a/ d N = A (ΔΚeff) m
(4)
式中 :ΔKeff为 ΔK 的有效值 ,当最高温度达到 100 ℃时
考虑到 ΔK 接近到门槛值ΔKth ,当 ΔK < ΔK0/ R ( R 为
关键词 : BS7910 疲劳评定 裂纹扩展速率 质量分类
BS7910 FATIGUE ASSESSMENT METHODS AND ITS FEATURES
Tianjin University Liu Hongwei , Zhang Yufeng , Huo Lixing , Wang Dongpo
1. 52 ×1012 1. 04 ×1012 6. 33 ×1011 4. 31 ×1011 2. 5 ×1011 1. 58 ×1011 1. 00 ×1011 6. 14 ×1010 3. 89 ×1010 2. 38 ×1010
表 3 质量等级 S - N 曲线详细内容
BS7910 中的当量 设计级别
如果缺陷被确认为非平面缺陷 ,那么就可以按非 平面缺陷步骤进行疲劳评定 ,如果对缺陷类型存在怀 疑 ,则应按平面缺陷处理 。与设计细节 S - N 曲线相 似 ,这里的疲劳失效是指达到穿透破裂 。要想考虑其 他的失效准则 (即从部分厚度裂纹断裂) ,则应该按平 面缺陷评定 。对夹渣的处理是这样的 ,如果在同一个 截面上含有多个夹渣 ,他们应被视为高 2 a 的平面缺 陷 。当两个夹渣距离大于 1. 25 倍的缺陷高时 ,则按单 个缺陷处理 ,按照给出的最大夹渣长度评定其等级 。
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焊接 2005 (1)
Y (Δσ) p = M f w [ ktm M km M m Pm + Ktb M kb M b (σb + ( Km - 1)σm) ]
(8)
式中 : Pm 为膜应力 ; M 为突边修正系数 ; f w 为有限板 宽修正系数 ; ktm , ktb 为膜应力和弯曲应力修正系数 ; M km , M kb为缺陷位于应力集中部位 (焊趾 、焊根) 时的 修正系数 ; M m , M b 为应力集中系数 ; km 为错位修正系 数 ;σm ,σb 为线性化后的膜应力和弯曲应力 。
循环应力比) :
ΔKeff = (ΔK - ΔK0) / (1 - R)
(5)
因此 ,公式 (3) 的形式变为如下形式 :
∫a f ai Y
(1 - R)
(πa)
-
ΔΚ0 Δσ
d a = A (Δσ) m N
(6)
评定中要考虑的应力是在不含缺陷的结构应力分 析中计算得到的应力 ; 也可以使用实际应力分布或者 使用线性化的方法求出应力 。评定单一或静态载荷效
生产应用
BS7910 疲 劳 评 定 方 法 及 特 点
天津大学材料科学与工程学院 (300072) 刘洪伟 张玉凤 霍立兴 王东坡
摘要 BS7910“金属结构缺陷验收评定方法导则”是英国标准委员会在 PD6493 及其发展版本上建立的 。主要 介绍 BS7910 标准中提供的平面缺陷断裂力学的评定方法和质量等级的评定方法 ,并与 IIW 评定方法作了相应的 对比 。
以下方法求出 :根据 amax和厚度 B 在图中读出 S m 值 ,
再根据 ai 和厚度 B 读出 S i 的值 , S m 值和 S i 的值代入
公式 (11) 则可以求出质量分类等级 。
S
=
(
S
3 i
-
S
3 m
)
1/
3
(11)
如果 , amax >> ai 则 S = S i 。待评定缺陷的质量等
要求 的 质 量 分 类 与 前 面 所 述 一 致 , 但 是 当 公 式 (10) 被使用时 ,如果 Δσj 小于表 4 给出的数值在计算常 幅当量应力范围 S 时则被忽略 。
表 4 评定非平面缺陷和形状缺陷的最小 Δσj
质量分类
计算 S 时的最小Δσj/ MPa
钢
铝合金
Q1
42
14
Q2
37
12
量分类 S - N 曲线位于由要求的应力范围和循环寿命
确定的点上面 。变幅载荷时假设疲劳载荷包括 k 个载
荷块 ,应力范围 Δσ1 对应 n1 次循环 ,应力范围 Δσ2 对
应 n2 次循环 ,依次类推 。根据 Miner 准则 ,2 ×106 次 循环的当量应力范围 S 由下式计算出来 :
S=
1/ 3
标准中提供了 Q1 到 Q10 十个等级的评定曲线 ,这 些 曲线是参照设计要求或者缺陷的实际疲劳强度得
出 。曲线满足如下方程 :
Δσ3 N = C
(9)
式中 :Δσ为应力范围 ; N 为循环次数 ;C 为常数 。
每条曲线由应力范围 S 表达的 , S 是对应 2 ×106
次循环寿命时的值 。
要求的质量分类按载荷类型确定 。常幅载荷时 ,质
IIW X111 - 1539 - 94/ XV - 845 - 94 在缺少实验 情况下得出的 Α、m 、和 ΔKth ,推荐下面的值 :对于钢材 Α = 3 ×10 - 3 , m = 3 ,ΔKth = 190 - 144 R ;对于铝材 Α = 8. 1 ×10 - 12 , m = 3 ,ΔKth = 63 - 48 R [2 ] 。而 BS7910 标 准中推荐了几种裂纹扩展速率 ,根据不同的材料 、强度 及使用环境可以查出相应的常数 m , A 和门槛值分别 见表 1 和表 2 。当循环应力比 R ≥0. 5 时 ,平均值加两 个标准偏差 (平均曲线 + 2SD) 的上限值适用所有的焊 接接头 ,它对应着 97. 7 %的存活率 。
bs7910金属结构缺陷的评定方法平面缺陷的断裂力学评定方法该评定方法是将实际缺陷理想化为尖锐的裂纹然后用断裂力学中的裂纹扩展速率的定律对其从初始裂纹ai到临界裂纹af进行积分得出裂纹的扩展寿命大于所要求的疲劳寿命而裂纹的极限尺寸还没有达到则该缺陷ai可以接受之则不接受
·12 ·
焊接 2005 (1)
此外 ,已出版的应力强度因子的解以及数值分析 方法或权函数技术也可以使用 ,但是这种方法的依据 和结果应该存档 。 1. 2 质量分类评定方法
这种评定方法是将含缺陷焊接构件实际的 S - N 曲线和要求的 S - N 曲线相比较 。如果实际的质量等 级等于或大于要求的等级 ,则缺陷可以接受 。要求的 质量等级是根据含缺陷构件服役条件确定 ,由组件寿 命范围的内疲劳载荷与预期的总的循环次数来决定 。 另外 ,要求的质量等级也可参照接近的设计细节来选 择。质量等级 S - N 曲线不应高于设计细节 S - N 曲线。
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应时 ,应区分一次应力 ( Pm , Pb) 和二次应力 ( Q m , Q b) , 因为只有前者才导致塑性破坏 ,而二次应力为自平衡应 力 。评定时还要区分静态和波动应力 ,并且将波动应力 当成一次应力处理 。残余应力和热应力通常是二次应 力 ,但是波动的热应力却要当成一次应力处理 。
Key words : BS7910 , fatigue assessment , propagation rate of crack , quality classif ication
0 前 言
目前 ,作为焊接结构疲劳评定的标准有 IIW 以及 本文将要介绍的 BS7910 等标准 。BS7910“金属结构缺 陷验收评定方法导则”是英国标准委员会在 PD6493 及 其发展版本上建立的 。在 BS7910 这个标准中 ,它提供 了平面缺陷断裂力学的评定方法 、质量等级的评定方 法 。前一种评定方法是针对平面缺陷的评定方法 ; 在 实际评定中如果对缺陷有怀疑或不能确定其种类时 , 就要将其视为平面缺陷 ,使用断裂力学的方法进行评 定 。对结构的疲劳评定的目的就是要评定在役结构中 的缺陷对疲劳强度的影响 ,或依据适合于使用的原则 估计结构的最大容许尺寸[1～3 ] 。该标准中给出了各种 缺陷疲劳评定的具体方法 ,本文将对其逐一介绍 。
标准附录中给出了应力强度因子见 ( 7 )
式 , (7) 式中 Y (Δσ) 考虑一次应力的具体形式见式 (8) 。
ΔΚ = Y (Δσ) (πa)
(7)
© 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.
2 ×106 次循环时的应力范围 S / MPa
钢
铝合金
D
91
30
E
80
27
F
68
23
F2
60
20
G
50
17
W
43
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37
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32
10
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27
9
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23
8
1. 2. 1 平面缺陷的评定 评定平面缺陷时 ,使用标准中给出的图先将实际
裂纹尺寸 a 和 2 c 转换成对应于直前沿裂纹 (即 a/ 2 c = 0) 的有效初始裂纹 ai 。然后 ,再求出裂纹的最大允许裂 纹尺寸 amax 。那么 ,缺陷相应的质量分类等级可以按
j=k
∑Δσj3 nj
j =1
2 ×106
(10)
在 BS7910 质量分类 S - N 曲线细节表中给出了 一系列应力范围 S 值 ,表中与上面当量值接近且大于 它的那个应力范围 S 即为要求的质量分类等级 (表 3) 。
质量分类
Q1 Q2 Q3 Q4 Q5 Q6 Q7 Q8 Q9 Q10
Δσ3 N = C
Abstract BS7910 which name is“Guide on met hods for assessing t he acceptability of flaws in metallic structures”is developed from PD6493 and ot her improved versions. This article mainly introduces t he fracture mechanics fatigue assessment of plane flaws and quality categotary assessment supplied in BS7910. The comparision has also been made between t he assessment met hods provided in BS7910 and IIW in t his article.
ΔΚ = Y (Δσ) (πa)
(2)
将上式 (2) 代入 (1) 式 ,得到下面公式并对其从初始裂纹
ai 到终止裂纹 af 进行积分 ,得到裂纹扩展的疲劳寿命 N。
∫a f
a
i
Ym
da (πa)
m/ 2
=
A
(Δσ)
mN
(3)
当裂纹在非常接近门槛值处扩展时 ,这种情况下就
© 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.
双对数曲线中 ,有一条直线的线性关系曲线或更精确地 有两条或多条直线关系曲线的形式 。一条线性关系曲
线的形式足以适用于从 ΔK0 到疲劳破坏的所有 ΔΚ
值 ,比如 Paris and Erdogan 等定律 。标准中使用的疲劳
裂纹扩展速率公式如下 :
d a/ d N = A (ΔK) m
(1)
式中 : A 和 m 为由材料 、加载环境 、循环频率决定的常 数 ;ΔK 为应力强度因子范围 ,其计算公式为 :
© 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.
焊接 2005 (1)
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级就是表 3 中与之接近且大于它的那个 S 值 。 1. 2. 2 非平面缺陷的评定