08LMS Virtual.Lab Durability焊缝的疲劳寿命预测
浅议焊接结构疲劳寿命预测及抗疲劳措施
浅议焊接结构疲劳寿命预测及抗疲劳措施作者：王玉华缪卓君来源：《甘肃科技纵横》2022年第02期摘要：基于焊接结构疲劳破坏分析，从焊接接头形式与应力集中、焊接热影响区金属性能的变化及应力特征、焊接缺陷与环境介质等角度分析了焊接结构疲劳断裂的影响因素。
结合已有的研究，从疲劳裂纹萌生机理与疲劳断裂过程的主要阶段分析了焊接结构疲劳失效的机理与过程，焊接结构疲劳失效的主要阶段包括初始疲劳裂纹在应力集中初的萌生、疲劳裂纹的亚临界或稳定扩展、疲劳裂纹的失稳扩展直至结构断裂三个阶段。
基于断裂力学理论，介绍了焊接结构疲劳寿命评估方法，并从抗疲劳设计、控制焊接过程中产生的残余应力、焊接位置或母材的表面处理等角度介绍了常见的焊接结构抗疲劳措施。
本研究对于焊接结构疲劳寿命研究及抗疲劳设计，具有一定的参考与借鉴意义。
关键词：结构工程；焊接；疲劳寿命；抗疲劳措施中图分类号：TU391文献标志码：A0引言在现代钢结构的应用与连接中，焊接连接方式是最主要的连接方式之一[1，3]，其具有构造简单、加工便捷、连接性能优异、用料节省、适合工业化生产等诸多优点，故被广泛应用于房建结构、航空航天、海洋平台等领域[2～5]。
然而，绝大多数的焊接结构都在交变应力作用下工作，长期的循环交变应力作用会导致结构出现疲劳破坏[1，2，5]，加之焊接结构本身的特点，焊缝区与母材由于加工过程及本身的力学特点，在焊接接头位置出现二者的力学性能不匹配，疲劳作用下极易在接头位置产生裂纹及其他缺陷，极大地降低了焊接结构的抗疲劳性能及服役性能[3，5，6]。
大量统计表明，金属结构由于疲劳导致的失效，占总失效形式的70%以上。
钢结构在发生疲劳破坏之前，并不会出现明显的塑性变形，是一种突然发生断裂的破坏形式[5～9]，一般的疲劳破坏断面成断口平直的形式，因此，疲劳破坏是一种反复应力或荷载作用下的脆性破坏形式。
焊接构件在加工过程中，会出现不同程度的焊渣侵入焊縫趾部、焊缝内存在气孔、焊接出现欠焊等现象，导致焊接结构焊缝存在咬边、未焊透等焊接缺陷及施工误差，加之焊接结构由于其自身会在整体几何形状不连续处引入焊接连接方式，进一步导致焊缝部位在荷载作用下出现严重的应力集中现象[7～13]。
焊缝疲劳寿命预测的无线传感器网络检验
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系 统
关键词 ：钢箱梁 ； 焊缝 ；疲劳寿命 ； 无 线传感器网络 ； 嵌 人式计算
中 图分 类 号 ：ＴＰ ２ １ ２ ． ６ 文 献 标 识 码 ：Ａ 国 家标 准 学 科 分 类 代 码 ：５ ２ ０ ． ２ ０ ５ ０
Ｖｅ ｒ ｉ ｆ ｉ ｃ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｏ ｆ ｗｉ ｒ ｅ ｌ ｅ ｓ ｓ ｓ ｅ ｎ ｓ ｏ ｒ ｎ ｏ ｄ ｅ ｓ ｆ ｏ ｒ ｆ ａ ｔ ｉ ｇ ｕ ｅ ｌ ｉ ｆ ｅ ａ ｓ ｓ ｅ ｓ ｓ ｍｅ ｎ ｔ
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汽车基于试验的焊缝疲劳寿命计算规范
汽车基于试验的焊缝疲劳寿命计算规范焊接是汽车制造中常用的连接方式之一，而焊缝的质量对汽车的安全性和可靠性具有重要影响。
焊缝的疲劳寿命计算是评估焊缝结构在长期服役过程中的耐久性能的重要方法之一、本文将介绍汽车基于试验的焊缝疲劳寿命计算规范。
一、焊缝疲劳寿命计算的背景和意义汽车在使用过程中会受到各种载荷作用，如振动、冲击等。
这些载荷会导致焊缝产生应力集中和应力历程变化，从而对焊缝的疲劳寿命产生影响。
因此，了解焊缝的疲劳寿命对于确保汽车的安全性和可靠性具有重要意义。
而基于试验的焊缝疲劳寿命计算规范为评估焊缝结构的耐久性能提供了可靠的依据。
二、焊缝疲劳寿命试验方法焊缝疲劳寿命试验是评估焊缝疲劳性能的重要手段。
试验方法一般包括静载试验和疲劳试验。
静载试验用于确定焊缝的屈服强度和抗拉强度等静力学性能；疲劳试验用于模拟实际应力载荷下焊缝的疲劳寿命。
三、焊缝疲劳寿命计算规范的制定焊缝疲劳寿命计算规范的制定需要考虑多个因素，包括焊缝材料的性能、焊接工艺的参数、试验方法的选择等。
根据相关标准和规范，制定焊缝疲劳寿命计算规范需要遵循以下步骤：1.确定焊缝疲劳寿命试验的载荷水平和频率。
这需要根据汽车在实际使用过程中受到的载荷条件进行合理估计。
2.选择焊接材料和焊接工艺，确保试验样品的焊缝质量符合要求。
3.进行疲劳试验，获得焊缝的疲劳寿命数据。
4.对试验数据进行统计分析，得到疲劳寿命的统计参数，如平均寿命、标准差等。
5.根据试验数据和相关的疲劳寿命计算方法，计算焊缝的疲劳寿命。
6.根据实际情况，对计算结果进行修正，得到最终的焊缝疲劳寿命。
四、焊缝疲劳寿命计算规范的应用焊缝疲劳寿命计算规范的应用可以帮助汽车制造商评估焊缝结构的耐久性能，从而选择合适的焊接材料和焊接工艺，提高焊缝的质量和可靠性。
同时，焊缝疲劳寿命计算规范也可以为汽车维修和改装提供指导，确保维修和改装后的焊缝结构满足要求。
综上所述，汽车基于试验的焊缝疲劳寿命计算规范是评估焊缝结构的耐久性能的重要方法，通过对焊缝进行疲劳寿命试验和计算，可以为汽车制造提供可靠的焊缝质量控制依据，提高汽车的安全性和可靠性。
焊接接头疲劳寿命评估与改善方法
焊接接头疲劳寿命评估与改善方法引言：焊接接头是工程结构中常见的连接方式之一，其质量和可靠性对于工程结构的安全性和稳定性起着至关重要的作用。
然而，由于焊接接头在使用过程中承受着重复加载和应力集中等因素的影响，其疲劳寿命往往成为焊接接头设计和使用过程中需要解决的一个重要问题。
一、焊接接头疲劳寿命评估方法1. 疲劳试验法疲劳试验法是一种直接评估焊接接头疲劳寿命的方法，通过对焊接接头进行一系列加载和卸载的循环试验，观察其在不同循环次数下的疲劳破坏情况，从而确定其疲劳寿命。
这种方法具有直观、可靠的特点，但是需要大量的试验样品和时间，成本较高。
2. 数值模拟法数值模拟法是一种基于有限元分析的方法，通过对焊接接头进行力学和疲劳分析，预测其在不同循环次数下的疲劳寿命。
这种方法可以较好地模拟焊接接头的应力分布和疲劳损伤形态，具有较高的准确性和效率。
然而，数值模拟法需要建立准确的材料本构模型和边界条件，对于复杂的焊接接头结构和加载情况，模拟结果可能存在一定的误差。
二、焊接接头疲劳寿命改善方法1. 材料选择焊接接头的材料选择对其疲劳寿命具有重要影响。
高强度、耐疲劳性能好的材料可以有效延长焊接接头的使用寿命。
因此，在设计和选择焊接接头材料时，应考虑其力学性能和疲劳性能指标，选择合适的材料。
2. 焊接工艺优化焊接工艺是影响焊接接头质量和疲劳寿命的关键因素之一。
通过优化焊接工艺参数，如焊接电流、焊接速度、焊接温度等，可以改善焊接接头的疲劳性能。
例如，采用适当的预热和后热处理工艺可以减少焊接接头的残余应力，提高其疲劳寿命。
3. 接头设计改进焊接接头的设计也对其疲劳寿命有着重要影响。
合理的接头形状和尺寸可以减少应力集中和应力集中因子，提高焊接接头的疲劳强度。
例如，采用圆角过渡和适当的增强措施可以改善焊接接头的应力分布，延长其疲劳寿命。
4. 表面处理焊接接头的表面处理可以改善其疲劳性能。
例如，采用喷丸、打磨等方法可以消除焊接接头表面的裂纹和缺陷，提高其表面质量和疲劳寿命。
焊接结构疲劳寿命预测相关问题
原理
疲劳寿命预测的原理主要是基于疲劳破坏的机理和实验数据，通过建立数学模型和算法，对结构在循 环载荷作用下的疲劳行为进行模拟和预测。这些方法通常涉及到材料力学性能、断裂力学、有限元分 析等多个学科领域，需要综合考虑多种因素对疲劳寿命的影响。
控制焊接质量和残余应力
焊接工艺优化
选择合适的焊接工艺参数，确保 焊接过程中热量输入、冷却速度 等关键参数得到有效控制，以减
少残余应力和热影响区。
无损检测
采用无损检测技术，如超声检测、 射线检测等，确保焊接质量符合设 计要求，避免焊接缺陷对疲劳寿命 的不利影响。
残余应力消除
采用合适的热处理、机械处理等方 法消除或降低焊接残余应力，提高 焊接结构的疲劳寿命。
意义
疲劳寿命预测对于确保工程结构的安全性和经济性具有重要 意义，可以为设计提供理论依据，指导结构的优化设计和维 护。
焊接结构疲劳寿命预测的重要性和应用
重要性
焊接结构作为工程中广泛应用的结构形式，其疲劳寿命预测对于防止结构失效、保障人民生命财产安全具有重要 作用。通过焊接结构疲劳寿命预测，可以及时发现潜在的安全隐患，采取相应措施进行修复和加固。
03
解决方案
采用先进的无损检测技术对焊接缺陷进行检测和评估，结合荷载谱和环
境因素，利用疲劳寿命预测模型进行寿命预测，为桥梁的维护和修复提
供决策支持。
案例二：压力容器焊接结构的疲劳寿命预测
问题描述
压力容器在工业生产中广泛应用，其焊接结构的疲劳寿命直接关系到设备的安全运行和生产效率。
关键因素
焊接残余应力、工作压力、循环次数等。
材料疲劳特性测试与寿命预测
材料疲劳特性测试与寿命预测在现代工程领域中，材料的疲劳特性测试和寿命预测是非常重要的研究课题。
材料的疲劳特性是指在反复加载下，材料表现出的力学性能和失效行为。
寿命预测则是指基于材料的疲劳特性和应用环境，通过模型和计算方法来预测材料的寿命。
本文将从试验方法、疲劳特性和寿命预测方法等几个方面来探讨材料的疲劳特性测试与寿命预测。
首先，材料的疲劳特性测试是通过疲劳试验来获取的。
在疲劳试验中，材料会受到周期性的加载和卸载，以模拟实际工作环境中的应力循环。
通过观察材料在不同应力水平下的疲劳寿命，并绘制出应力幅值和寿命的关系曲线，可以得到材料的疲劳特性。
这些疲劳特性包括：疲劳强度、疲劳极限、疲劳寿命等。
其次，疲劳特性的测试结果对于材料的寿命预测具有重要意义。
通过测得的疲劳特性，可以建立数学模型来预测材料的寿命。
常用的寿命预测方法有极限状态理论、概率统计方法和损伤累积理论等。
极限状态理论是一种将应力和寿命统一考虑的方法，它能够给出不同可靠性要求下的寿命预测结果。
概率统计方法则是利用大量试验数据和统计分析方法来建立寿命预测模型，以预测寿命的概率分布情况。
损伤累积理论是考虑到材料在多次循环加载下的损伤积累过程，通过计算损伤累积程度来预测材料的寿命。
此外，材料疲劳特性的测试方法和寿命预测方法也在不断发展改进。
传统的疲劳试验方法主要是采用拉压循环加载方式，但是这种方法无法完全模拟实际工作环境中的复杂应力状态，因此近年来一些研究人员开始探索采用多轴加载试验来获取更准确的疲劳特性。
多轴加载试验是将正压、负压、剪切等不同方向的应力施加到材料上，以模拟实际应力状态。
这种方法对于复杂结构材料的疲劳特性测试和寿命预测具有更高的准确性和可靠性。
总结起来，材料的疲劳特性测试与寿命预测是材料科学与工程领域中的重要研究内容。
通过试验方法可以获取材料在不同应力水平下的疲劳特性，而通过寿命预测方法可以对材料的寿命进行预测。
在工程实践中，准确预测材料的寿命对于确保材料的安全工作和提高材料的使用效率至关重要。
焊接接头的疲劳寿命预测与失效分析方法研究
焊接接头的疲劳寿命预测与失效分析方法研究摘要:焊接接头在工程领域中扮演着重要角色，然而，由于其特殊的工作环境和复杂的应力条件，焊接接头容易受到疲劳失效的影响。
因此，研究焊接接头的疲劳寿命预测和失效分析方法具有重要意义。
本文旨在探讨目前用于焊接接头疲劳寿命预测和失效分析的常见方法，并提出了一些改进和发展的方向，为改善焊接接头的可靠性和寿命提供参考。
关键词:焊接接头；疲劳寿命预测；失效分析；方法引言:焊接接头作为工程结构的重要组成部分，在机械、航空、船舶等领域得到广泛应用。
然而，由于其特殊的工作环境和复杂的力学应变条件，焊接接头容易受到疲劳失效的影响，影响其性能和寿命。
因此，对于焊接接头的疲劳寿命进行准确预测和失效分析具有重要意义。
目前，有多种方法可用于焊接接头的疲劳寿命预测和失效分析。
其中，常见的方法包括基于疲劳理论的应力生命法、应变寿命法和损伤累积法，以及基于有限元分析和试验数据拟合的方法。
这些方法各有优缺点，并且适用于不同类型的焊接接头和工作条件。
然而，仍然存在一些挑战和限制，如如何准确建立评估模型、选择适当的参数和输入数据，以及如何处理复杂应变状态和多工况情况。
一、焊接接头的重要性焊接接头是将两个或多个金属部件连接在一起的常用方法。
在制造业、建筑业和工程领域，焊接接头广泛应用于各种结构和装配的制造过程中。
焊接接头的重要性在于它能够提供强大的连接，使得金属部件能够承受较大的力和压力。
焊接接头的质量对于构件的整体强度和可靠性具有关键性的影响。
一个优质的焊接接头可以确保结构的长期完整性，减少材料的消耗和维修成本。
因此，在各个行业中，焊接接头的研究和优化是非常重要的。
二、焊接接头的疲劳失效问题尽管焊接接头有很多优点，但也面临着疲劳失效的问题。
焊接接头所受到的动态和交变负荷可能导致接头出现裂纹、断裂和失效。
这主要是由焊接过程中产生的热应力、残余应力以及材料的微观结构和物理性能差异所引起的。
疲劳失效的风险可能加剧结构的弱点，导致不可逆的损坏和损失。
基于焊缝品质参数区间模型的疲劳寿命预测方法
基于焊缝品质参数区间模型的疲劳寿命预测方法安兴强;谷正气;马骁骙;张沙;米承继【摘要】疲劳寿命预测中,焊缝品质参数如材料弹性模量E、疲劳强度系数σ:和指数b、疲劳延性系数ε'f和指数c往往存在不确定性.运用随机-遗传算法对焊缝品质参数进行区间估计,并结合Manson-Coffin公式构建上述不确定因素的区间模型,提出了一种疲劳寿命区间预测方法.首先,在双轴疲劳试验机上进行了基于应变控制的焊接试件疲劳寿命试验.其次,针对疲劳寿命试验数据,运用随机-遗传算法构建了焊缝品质参数区间求解模型,并结合Manson-Coffin公式建立了疲劳寿命区间预测模型.最后通过模型预测数据与试验数据对比证实了预测模型的精确性以及考虑焊缝品质参数不确定性的合理性.%Weld quality parameter—elastic modulus E,fatigue strength coefficient σ'f and exponent b,fatigue ductility coefficient ε'f and exponent c were always of uncertainty in fatigue life prediction.A method of fatigue life prediction was proposed by interval model which combined random-GA method with Manson-Coffin formula.Firstly,the fatigue life tests of welding specimen were carried out on biaxial fatigue testing machines based on strain control.Then,for fatigue life test data,fatigue life in terval prediction method was constructed by combining weld quality parameter interval solving model which was constructed by random-GA method with Manson-Coffinformula.Finally,the accuracy of this method and the rationality of considering the uncertainty of weld quality parameters were verified by the comparisons between the interval model predictive data and fatigue life test data.【期刊名称】《中国机械工程》【年(卷),期】2017(028)021【总页数】7页(P2639-2645)【关键词】随机-遗传算法;焊缝品质参数;疲劳寿命区间预测;区间不确定性【作者】安兴强;谷正气;马骁骙;张沙;米承继【作者单位】湖南大学汽车车身先进设计制造国家重点实验室,长沙,410082;湖南大学汽车车身先进设计制造国家重点实验室,长沙,410082;湖南文理学院,常德,415000;湖南大学汽车车身先进设计制造国家重点实验室,长沙,410082;湖南大学汽车车身先进设计制造国家重点实验室,长沙,410082;湖南工业大学机械工程学院,株洲,412007【正文语种】中文【中图分类】O346.2;TD57;TG156矿用自卸车主要承载部件都是由厚钢板拼焊而成的，厚板间的焊缝横截面积大、焊接熔融过程复杂、焊后保温不当以及人工操作(焊接技术、焊接水平、坡口尺寸)等因素使得焊缝尺寸与横截面形状具有不确定性，并伴有气孔、夹渣、未熔合、未焊透等初始缺陷[1-4]。
材料力学中的疲劳寿命预测
材料力学中的疲劳寿命预测材料力学是研究物质强度和变形性质的一门科学。
在材料工程中，疲劳寿命预测是一项重要的课题。
疲劳是材料在反复加载下出现的损伤，很多工程零件常常因疲劳损伤导致失效。
因此，疲劳寿命预测对于工程安全至关重要，是工程设计必不可少的一部分。
疲劳寿命预测是基于材料的疲劳性能进行的。
材料在受到周期性负荷时往往会发生疲劳损伤。
这种损伤是逐渐累积的，可能会导致工程部件失效。
因此，疲劳寿命预测往往需要对材料的疲劳性能进行测试，以确定材料的疲劳行为。
了解材料的疲劳特性是进行疲劳寿命预测的前提条件。
疲劳性能通常可以用两个参数来描述：疲劳极限和疲劳寿命。
疲劳极限是指材料在一定条件下能承受的最大循环应力，通常用来描述材料的强度。
而疲劳寿命则是指材料在一定循环应力下经历的循环次数，直到其引起疲劳失效。
疲劳性能的测试需要不断循环施加和卸载压力，直到材料失效。
这种测试方法被称为疲劳试验。
于是，疲劳寿命预测往往需要对已知疲劳性能的材料进行测试，并将测试结果应用于新的工程设计中。
这种设计方法被称为寿命预测方法。
寿命预测方法通常根据已知的材料疲劳性能和工程中可能出现的循环加载条件，采用不同的计算方法来计算材料的疲劳寿命。
一种常见的寿命预测方法是基于S-N曲线的方法。
S-N曲线描述了材料循环加载下的疲劳行为。
在这种方法中，材料的疲劳强度曲线（S-N曲线）被用来描述材料在循环载荷下的持久强度和疲劳极限。
然后，工程师可以将循环载荷的大小和方向输入到预测模型中，以预测材料的疲劳寿命。
还有一种寿命预测方法是使用疲劳损伤累计理论。
这种方法会监测工程组件中的所有疲劳载荷，将它们组合成一个调整载荷历史曲线（adjustment load history curve），然后使用曲线来计算材料的疲劳损伤。
疲劳损伤理论是一种计算机模型，通常使用有限元分析等技术来模拟疲劳生命周期，从而为寿命预测提供更精确的结果。
疲劳寿命预测在许多工业领域中都是至关重要的。
一种基于平均应力强度因子的焊点疲劳寿命预测方法
摘要：传统的焊点疲劳仿真分析方法主要有基于力的 LBF 方法和基于应力的 LMS 方法，针对这两种方法所存在的预测精度 不高、建模和计算效率偏低等问题，提出一种新的焊点疲劳寿命预测方法，该方法从断裂力学的角度考虑焊点的疲劳失效， 采用一种模块化焊点模型，通过有限元提取焊点周围各节点的节点力和力矩，进而推算出焊点裂纹在板厚扩展路径上的平均 应力强度因子作为疲劳寿命的评价参量。通过对 HSLA340GI 和 DP600GI 两种高强钢材料、4 种不同厚度的电阻点焊接头进 行剪切疲劳试验，将该平均应力强度因子与试验所得的焊点疲劳寿命数据进行双对数回归分析，得到一条平均应力强度因子 与疲劳寿命的拟合曲线作为焊点的疲劳寿命预测曲线，并与传统的 LBF 和 LMS 方法进行预测精度的对比分析，结果表明本 文的焊点疲劳寿命预测方法的预测精度高于传统的 LBF 和 LMS 方法。 关键词：焊点疲劳寿命；模块化焊点模型；节点力和力矩；平均应力强度因子 中图分类号：TG156
(1. State Key Laboratory of Advanced Designing and Manufacture for Vehicle Body, Hunan University, Changsha 410082; 2. SAIC-GM-Wuling Automobile Co., Ltd., Liuzhou 545000)
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机
械
工
程
学
报
第 51 卷第 16 期期
有限元分析得到焊核周 围各节点的节点力
之上， 该方法通过作用在焊核梁单元上的力和力矩， 按照一定的数学公式推算焊接板材上的结构应力， 然后根据对应的 S-N 曲线计算疲劳寿命。由于该方 法焊核梁单元必须在网格节点之间建立，所以对于 网格依赖程度较高，导致建模过程中无法精确模拟 焊点位置，并且梁单元与被连接板材之间的角度对 粱单元的截面力和力矩均有较大影响，从而导致预 [3] 测精度往往较低。另一种是基于应力的 LMS 法 ， LMS 公司的 b.Durability 软件采用一种精 细的焊点有限元模型，直接计算焊接板材的局部应 力，根据此局部应力结合对应的 S-N 曲线计算疲劳 寿命。该方法由于采用精细化的焊点模型，大大增 加了网格数量和建模难度，应用于整车的焊点疲劳 预测中，建模和计算效率较低。 近年来，国内外很多人尝试用断裂力学理论建 立焊点的疲劳寿命预测模型，并且取得了较好的效 [4-7] 果。SHI 等 提出了一种基于等效应力强度因子的 焊点疲劳寿命预测模型，该方法将焊点结构看成一 个环状裂纹体，进而根据已有的公式和焊核力、力 矩可以得到焊核处的各型应力强度因子，再定义一 个等效应力强度因子作为焊点疲劳寿命的评价参 量，但该方法与 LBF 法类似，都是以焊核单元上的 力和力矩作为输入， 只是最终的疲劳评价参量不同， 因此在实际工程应用中存在和 LBF 法同样的缺陷； [8-10] KANG 等 采用基于等效结构应力的焊点疲劳寿 命预测方法，通过有限元分析获得焊点周边单元的 结构应力，结构应力经过板厚和受力模式的校正得 到等效结构应力， 再由 Paris 公式得到疲劳寿命曲线 进行疲劳寿命预测，但该方法由于在进行结构应力 的校正时采用了一些经验参数，其预测精度有待验 证。本文从断裂力学的角度考虑焊点的疲劳失效， 采用了一种模块化焊点模型，通过线弹性有限元分 析得到焊点周围各节点的节点力和力矩，再根据做 功相等原理推算得到相应节点处的结构应力，由断 裂力学理论计算得到各节点处的应力强度因子，进 而提出了一种焊点裂纹在板厚扩展路径上的平均应 将该 ∆K 力强度因子 ∆K 作为疲劳寿命的评价参量。 与焊点疲劳寿命数据进行双对数回归分析可得到一 条主 ∆K -N 曲线，并与传统的 LBF 和 LMS 方法进 行预测精度的对比分析，结果表明本文的焊点疲劳 寿命预测方法可以有效预测点焊接头的疲劳寿命并 且预测精度高于传统的 LBF 和 LMS 方法。
某焊接接头的疲劳寿命预测
某焊接接头的疲劳寿命预测作者：王振华蒋世应沈涛付秋林来源：《科技风》2017年第01期摘要：通过某焊接接头的疲劳强度试验数据，详细说明了利用最大似然法建立疲劳性能曲线的过程。
建立了以线性疲劳累积损伤模型为基础的高周疲劳寿命预测模型。
关键词：焊接接头；疲劳寿命预测疲劳寿命为在疲劳失效之前所经历的应变循环数，用N表示。
将反映标准试样疲劳寿命与外载荷应力水平之间关系的曲线称为材料的S-N曲线。
σmN=C式中的m和C均为材料常数。
材料的疲劳极限和S-N曲线，只能反映标准光滑试样的疲劳性能。
而在实际工作中零件疲劳寿命受有很多因素的影响，其中主要的因素有：尺寸、形状、表面状况、平均应力、复合应力等。
所以要全面表达疲劳寿命与应力水平间的关系，必须使用P-S-N曲线。
1 利用极大似然法测定疲劳性能曲线试样母材的机械性能，屈服强度σS =700MPa，抗拉强度σb =750～950MPa，取试验应力比r=Smin/Smax=0.2，疲劳极限循环次数取为2×106次。
得到的实验数据如表1。
2 疲劳寿命的预测模型3 结论利用某焊接接头疲劳强度试验数据及最大似然法获得该焊接接头的P-S-N曲线方程。
在名义应力法的基础之上，利用线性疲劳累积损伤模型建立了高周疲劳寿命计算模型。
参考文献：[1] 赵少汴，王忠保.抗疲劳设计——方法与数据[M].北京：机械工业出版社，2000.[2] 雷冬.疲劳寿命预测若干方法的研究[D].合肥：中国科学技术大学，2006.[3] 徐灏.疲劳强度[M].北京：高等教育出版社，1988.[4] 刘荣海.基于疲劳传感器的大型桥梁载荷谱检测研究[J].实验力学，2008，23（1）：59-63.[5] 管德清.一般应力比时焊接结构S-N曲线的预测方法[J].工程力学，1996，13（4）：89-95.[6] 管德清，汪广海.一般应力比时焊接节点的疲劳强度估算方法[J].应用力学学报，1997，14（1）：54-59.作者简介：王振华（1965-），男，四川宜宾人，毕业于长春光学精密机械学院，本科，工作于宜宾职业技术学院，高级工程师，研究方向：机械设计及制造。
焊接接头疲劳性能评估与寿命预测研究
焊接接头疲劳性能评估与寿命预测研究焊接接头是工程结构中常见的连接方式之一，其质量和性能对工程结构的稳定性和安全性至关重要。
疲劳是焊接接头最常见的失效模式之一，因此对焊接接头的疲劳性能评估和寿命预测进行研究具有重要意义。
焊接接头的疲劳性能评估是通过对其应力状态和疲劳寿命进行分析来判断其可靠性和寿命的一种方法。
在研究中，首先需要对焊接接头的几何形状、材料性能、工艺参数等因素进行详细的分析和测量。
通过有限元分析等数值模拟方法，可以得出焊接接头的应力分布情况。
在进行疲劳性能评估时，一般会采用疲劳试验和载荷谱分析相结合的方法。
疲劳试验可以模拟出焊接接头在实际工作条件下的疲劳载荷，通过观察和测量焊接接头在不同应力水平下的疲劳寿命，进而确定其疲劳性能。
而载荷谱分析则是通过测量和分析焊接接头在实际工作条件下的载荷变化规律，得出其实际工作状态下的应力水平，从而进行疲劳寿命预测。
寿命预测是根据焊接接头材料的疲劳性能和实际工作状态下的应力水平，通过一定的寿命模型和计算方法，来估计焊接接头的使用寿命。
常用的寿命模型包括SN曲线法、线性损伤累积法、有效应力法等。
不同的寿命模型适用于不同类型的焊接接头和不同的实际工作条件，研究人员可以根据具体情况选择合适的模型进行寿命预测。
然而，焊接接头的疲劳性能评估和寿命预测是一个复杂的工作，涉及到多种因素和复杂的计算。
首先，焊接接头的疲劳性能与其材料性能、几何形状、工艺参数等密切相关，需要综合考虑各个因素的影响。
其次，在进行疲劳试验时，需要考虑到焊接接头的加载方式、频率、应力水平等条件的选择，并且对疲劳试验的结果进行合理的统计和分析。
最后，在进行寿命预测时，还需要考虑到焊接接头在不同应力水平下的寿命分布情况、载荷谱的确认和修正等因素。
因此，疲劳性能评估与寿命预测研究是一个综合性的工作，需要融合多学科的知识和专业的技术。
在实际工程中，焊接接头的疲劳失效往往会导致严重的安全事故和经济损失，因此对焊接接头的疲劳性能评估和寿命预测进行研究具有重要的实际应用价值。
基于虚拟疲劳试验的铁路车辆焊接结构疲劳寿命预测的开题报告
基于虚拟疲劳试验的铁路车辆焊接结构疲劳寿命预测的开题报告一、研究背景现代铁路交通事业的发展离不开高速铁路车辆的逐步发展和现代化水平的提高，而高速铁路车辆亦需要较高的安全性和运营寿命。
对铁路车辆焊接结构的疲劳寿命进行研究，从而保证了铁路的正常运营以及乘客和货物的安全，对于铁路交通事业的稳定发展至关重要。
二、研究目的和意义车辆焊接结构在运行过程中，经受着受到应力、振动等外力的作用，这些作用会导致焊接接头及其附近区域的疲劳破坏。
因此，通过对铁路车辆焊接结构进行疲劳寿命预测，可以为车辆设计、维修和加强措施提供科学依据和理论基础，提高车辆和线路的安全可靠性，降低不安全事故的发生率。
具体研究目的如下：1. 建立针对铁路车辆焊接结构的疲劳试验分析模型，提高疲劳寿命预测的精度和可靠性；2. 探究影响铁路车辆焊接结构疲劳寿命的关键因素，为其在设计、维修和加强措施等方面提出有针对性的改进措施，延长其寿命；3. 提出合理的试验方案与方案组合，简化试验流程，减少资源消耗。
三、研究方法和实验方案研究方法采用虚拟疲劳试验手段，在数值模拟分析的基础上，结合试验数据和疲劳寿命预测理论，建立车辆焊接结构疲劳寿命预测模型，实现对其疲劳寿命的精准预测。
该方法不仅避免了物理试验中的大量时间和人力资源消耗，也具有更高的精度和可靠性。
具体实验方案如下：1. 车辆焊接结构虚拟设计：选取具有代表性的普通客运车辆、高速客运车辆以及货运车辆，基于三维建模技术对其焊接结构进行虚拟设计；2. 焊接加工虚拟仿真：在虚拟设计的基础上，利用焊接仿真软件对其进行虚拟焊接加工仿真，得到焊接接头及其附近区域的应变及应力值；3. 虚拟疲劳试验：按照上述虚拟设计和虚拟仿真，设定应变或应力的载荷振幅、频率等相关参数，执行虚拟疲劳试验，得到其疲劳寿命；4. 基于虚拟试验结果的疲劳寿命预测模型：基于虚拟试验结果和理论预测模型，建立车辆焊接结构疲劳寿命预测模型，并通过工程实例验证，提高其预测精度和可靠性。
高级焊接培训中焊接结构的疲劳分析与寿命预测
高级焊接培训中焊接结构的疲劳分析与寿命预测焊接结构的疲劳分析与寿命预测在高级焊接培训中起着重要的作用。
随着工程领域对焊接结构性能要求的提高，了解焊接结构在长期使用过程中的疲劳性能变化，以及寿命预测，对于确保结构的安全运行至关重要。
本文将介绍焊接结构的疲劳分析方法和寿命预测技术，并探讨在高级焊接培训中的应用。
一、焊接结构的疲劳分析方法1.1 疲劳理论疲劳理论是焊接结构疲劳分析的基础，它基于材料疲劳断裂机制和循环加载影响。
常见的疲劳理论有极限理论、应力幅值法等。
在高级焊接培训中，学员需要掌握不同疲劳理论的原理和适用范围，以便根据具体工程要求选择合适的分析方法。
1.2 应力分析焊接结构的应力分析是进行疲劳分析的关键步骤。
通过分析焊接接头的工作状态和受力情况，确定焊接结构上的应力分布。
常用的应力分析方法包括有限元法、解析法等。
在高级焊接培训中，学员需要学会使用各种应力分析方法，并能够根据具体工程要求进行合理的应力计算。
1.3 疲劳寿命预测根据疲劳曲线和应力应变分析结果，可以进行焊接结构的疲劳寿命预测。
通过确定焊接结构的应力水平和加载次数，结合材料的疲劳性能曲线，预测焊接结构在特定工况下的寿命。
高级焊接培训中，学员需要熟悉寿命预测的方法和步骤，并能够针对具体案例进行合理的寿命预测。
二、焊接结构疲劳分析与寿命预测的应用案例2.1 航空航天领域在航空航天领域，焊接结构的疲劳分析与寿命预测是确保航天器长期飞行安全的关键。
通过分析焊接结构处于复杂空间环境下所受到的应力，进行疲劳寿命预测，可帮助工程师合理选用焊接工艺和材料，确保航天器在极端工况下的可靠性。
2.2 桥梁工程领域焊接结构在大型桥梁工程中广泛应用，对焊接结构的疲劳性能分析与寿命预测要求较高。
通过对桥梁焊接接头进行应力分析和疲劳寿命预测，工程师可以提前检测出可能的疲劳破坏点，并采取相应的加固和修复措施，保证桥梁的安全运行。
三、高级焊接培训中疲劳分析与寿命预测的教学方法在高级焊接培训中，为了提高学员的实践能力和问题解决能力，可以采取以下教学方法：3.1 理论讲解结合实例分析通过讲解焊接结构的疲劳分析理论，结合实际工程案例，让学员深入理解疲劳分析的原理和方法，并能够根据具体案例进行分析。
疲劳寿命预测和抗疲劳设计
疲劳寿命预测和抗疲劳设计疲劳寿命预测和抗疲劳设计是在工程设计中非常重要的概念。
在各个领域，如航空航天、汽车工程、材料科学等，都需要对结构或材料的疲劳寿命进行预测，并设计出能够抵御疲劳破坏的结构或材料。
本文将详细介绍疲劳寿命预测和抗疲劳设计的方法和原理。
疲劳是指材料在交变应力作用下，随着时间的推移而产生的可接受应力水平以下破坏现象。
疲劳常会导致工程结构的失效，因此疲劳寿命预测是工程设计中必不可少的步骤。
疲劳寿命预测可以通过实验方法和数学模型两种方式进行。
实验方法是通过在实验室中对材料进行疲劳试验，以获取材料的疲劳寿命数据。
常见的疲劳试验方法有拉伸压缩试验、弯曲试验、扭转试验等。
通过对试验数据的分析，可以得到材料的疲劳寿命曲线，进而对材料在实际工作环境中的疲劳寿命进行预测。
然而，实验方法的缺点是费时费力和成本较高。
数学模型是通过建立数学方程来预测材料的疲劳寿命。
常用的模型有应力范围法、应变范围法和线性累积损伤法等。
应力范围法是通过将施加在材料上的应力信号转化为应力范围，然后利用疲劳试验数据和经验公式来计算材料的疲劳寿命。
应变范围法是通过将应变信号转化为应变范围，然后利用疲劳试验数据和经验公式来计算材料的疲劳寿命。
线性累积损伤法是通过将材料的疲劳寿命分为若干个循环，然后将每个循环的损伤累积起来，最终得到材料的疲劳寿命。
数学模型的优点是计算方便和成本低廉，但缺点是基于经验公式，可能存在一定的误差。
在进行工程设计时，需要根据疲劳寿命预测的结果来设计出能够抵御疲劳破坏的结构或材料。
抗疲劳设计可以从以下几个方面来考虑。
第一，选择合适的材料。
不同材料的疲劳寿命不同，因此在设计中应选择具有较长疲劳寿命的材料。
例如，一些高强度的钢材具有较好的抗疲劳性能。
第二，设计合理的结构。
结构的形状和几何特征会对疲劳寿命产生影响。
在设计时应尽量避免应力集中区域和应力集中因子较大的部位。
此外，设计时可以采用适当的布局和连接方式来提高结构的抗疲劳性能。
焊接接头的疲劳寿命预测与优化方法研究
焊接接头的疲劳寿命预测与优化方法研究引言：焊接接头是工程结构中常见的连接方式，它的质量直接影响到结构的安全性和可靠性。
在实际应用中，焊接接头常常会受到疲劳载荷的作用，长期受力容易导致疲劳破坏。
因此，对焊接接头的疲劳寿命进行预测和优化是非常重要的。
一、焊接接头疲劳寿命的预测方法1.1 经验公式法经验公式法是一种简单而常用的焊接接头疲劳寿命预测方法。
它基于试验数据和经验公式，通过对焊接接头的几何形状、材料性能和载荷条件进行分析，得出疲劳寿命的预测结果。
然而，由于经验公式法没有考虑到焊接接头的细节和复杂性，预测结果的准确性有限。
1.2 数值模拟法数值模拟法是一种基于有限元分析的焊接接头疲劳寿命预测方法。
它通过建立焊接接头的有限元模型，考虑材料的非线性、接触和热力耦合等因素，模拟焊接接头在疲劳载荷下的行为，并预测其疲劳寿命。
数值模拟法可以提供较为准确的疲劳寿命预测结果，但需要大量的计算资源和较长的计算时间。
二、焊接接头疲劳寿命的优化方法2.1 材料优化焊接接头的材料选择对其疲劳寿命有着重要影响。
优选高强度、韧性和抗疲劳性能良好的材料，可以提高焊接接头的疲劳寿命。
此外，采用表面处理、热处理等方法，可以进一步改善焊接接头的材料性能。
2.2 结构优化焊接接头的结构设计对其疲劳寿命同样至关重要。
通过减小焊接接头的应力集中区域、改善焊缝形状、增加半径过渡等措施，可以降低焊接接头的应力集中程度，提高其疲劳寿命。
此外，合理设计支撑结构和增加补强件等方法也可以有效提高焊接接头的疲劳寿命。
2.3 工艺优化焊接接头的工艺参数对其疲劳寿命有着重要影响。
通过优化焊接接头的焊接工艺参数，如焊接电流、焊接速度、焊接温度等，可以改善焊接接头的疲劳寿命。
此外，采用预热、后热处理等工艺措施，也可以提高焊接接头的疲劳寿命。
三、焊接接头疲劳寿命预测与优化方法的应用案例以某桥梁焊接接头的疲劳寿命预测与优化为例，通过数值模拟法建立焊接接头的有限元模型，考虑接头的几何形状、材料性能和载荷条件等因素，预测焊接接头的疲劳寿命。
焊接接头疲劳寿命的评估与预测
焊接接头疲劳寿命的评估与预测焊接接头是工程界常见的连接方式，其质量直接影响金属结构物的可靠性和安全性。
在长期使用中，焊接接头很容易出现裂纹、疲劳等问题，进而导致结构强度下降，甚至危及安全。
因此，对焊接接头疲劳寿命的评估和预测显得尤为重要。
一、焊接接头的结构特点焊接接头是金属结构物中经过加工、钎焊或电焊而成的连接部件。
焊接接头的构造复杂，由多个金属部件交叉组合而成。
常见的焊接接头种类有角焊缝、对接焊缝、搭接焊缝、焊接坡口等，各种焊接接头的结构特点都各异。
焊接接头受到机械载荷作用后，很容易产生塑性变形和应力集中，从而导致疲劳寿命下降。
此外，焊接过程中也会出现缺陷和不均匀性，这些都会影响焊接接头的力学性能。
因此，评估和预测焊接接头的疲劳寿命成为通常所需的分析方法。
二、焊接接头疲劳寿命的评估方法焊接接头的疲劳寿命评估方法有很多种，这里介绍其中较为常见的两种方法：数值模拟分析和试验方法。
1.数值模拟分析数值模拟分析是指利用计算机模拟焊接接头的力学特性和疲劳寿命，以此评估其可靠性。
这种方法有很大的优点，如无需进行大量试验，通常可以快速地提供焊接接头的疲劳寿命预测结果。
数值模拟分析通常包括三个步骤：建立有限元模型、施加载荷和预测接头寿命。
建立有限元模型是将焊接接头的实际尺寸转化为计算机可处理的二维或三维网格，施加载荷是指通过计算机模拟施加载荷，预测接头寿命是指根据计算结果预测焊接接头的疲劳寿命。
2.试验方法试验方法是指通过模拟实际使用环境的力学载荷，对焊接接头进行疲劳试验，以此评估接头的疲劳寿命。
这种方法通常需要进行大量试验，但其结果更为可靠。
试验方法通常包括四个步骤：设计试验样品、制备试验样品、施加载荷和分析结果。
设计试验样品是根据焊接接头的实际应用条件选择恰当的试验样品，制备试验样品是指将焊接接头制成试验样品，施加载荷是指使用模拟器件施加车、铁路和海洋等实际载荷，分析结果是指使用各种检测手段对以进行的试验结果进行疲劳寿命分析。
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建议
如果零部件存在预应力(或是你不确定是否有预应力):
疲劳参数选择 "RxMS: normal stress" SN 曲线使用“R=0.4” (最保守的,由欧洲焊接标准或国际焊接学会推荐)
如果没有预应力:
200
SE
initiation
surface coordinate
105
106
number of cycles
Kt, r=1mm ∙ SE = eE
应力集中系数 通过几何计算得到 零件的疲劳极限( 物理试验) 焊缝材料的疲劳极限 (反算)
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反算焊缝材料的疲劳极限
probability P, %
99
250次以上的试验得到的结果
R=0
T 10%/90% = 1 : 1.25
焊根和焊角是裂纹的起始位置 拟合的很好 标准焊缝的离散带较小
90 422 MPa 50 312 MPa
LMS基于力的焊缝疲劳分析
在焊缝有限元模型上读取载荷 (焊缝位置的力和力矩)
将焊缝位置的载荷转换成焊缝子 模型边缘的载荷 将载荷加载到精细化的3D 模 型上并计算应力
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LMS b 焊缝疲劳分析方法
焊缝建模可以使用以下几种形式: Shell-Shell 连接 包括三种连接方式：节点耦合，壳单元连接，刚性单元连接 Shell-Solid 连接 壳单元与实体单元用RBE3连接 Solid-Solid 连接 通过外部文件定义焊缝连接
焊缝尺寸一样
选择2：
使用线性单元
节点耦合连接。
RBE2 RBE2
避免RBE, MPC 或其他壳单元连接，除非要固定焊
接板中面间的距离。
一个设计较好的焊缝不应该较大的改变结构刚度: 因
此不需要特别的建模。
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基于局部应力的分析方法– RxMS 模型
LMS b Durability
焊缝的疲劳寿命预测
LMS b Durability – Software-Training Matthias Edinger – Customer Services Consultant
焊缝疲劳为什么需要特殊处理?
焊缝具有特殊的特性
在RxMS方法的基础上增加了新的焊缝分析
方法 : 有效应力法
使用V型缺口模型 考虑到焊缝尺寸的影响，基于构件的微观结
构长度的V型缺口，计算出影响因子。
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LMS b 焊缝疲劳分析方法总结
可以直接应用于
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焊缝疲劳分析的基本特性
局部几何特性对局部应力和疲劳特性有很大影响 局部几何特性依赖于
焊接过程
离散性 几何细节在焊接完成前并不知道
疲劳寿命主要取决于裂缝生长过程
S/N
曲线的斜率 k 3（钢，铝）
对于低强度和中强度钢:
S
FAT class
标准焊缝结构的S-N曲线:
所有的SN曲线是平行的 (垂向平移) 焊接类别(= FAT class) 定义在2∙106 次 对于等幅载荷加载疲劳极限出现在5∙106
log
(根据Haibach-Miner计算累积损伤)
log
2∙106 5∙106
N
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壳单元结构 实体单元结构 壳单元与实体单元的混合结构
LMS b焊缝的建模采用公认的rxms方法并且涵盖了所有类型的焊缝连接形式。 加载条件的改变被考虑。 所有可能的裂纹起始位点和最高的损伤位置的计算可以在后处理中进行评估。 工程师没有猜测加载条件和焊缝类型的必要。 高效率的焊缝自动探测。
MPC
Y-Joint
MPC
L-Joint
MPC
Overlap Joint
shell
MPC
Butt Joint
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MPC
焊缝的可视化及选项
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焊缝疲劳分析结果
疲劳参数选择 "RxMS: mean stress correction, normal stress" SN 曲线使用"R=-1"
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有效应力法
由于尖锐缺口需要考虑焊缝尺寸的影响。对于较厚的板材缺口应力的方法采用虚拟半径，在
使用所有可能的加载条件确定焊缝类型完整特性 计算所有可能的裂纹起始面 不用猜测主要的加载条件
s s
F M
All stress concentration factors
F M
RxMS 斜率 k = 3.75
Kt
R = 0.3 mm for weld toes and root
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局部几何决定了局部应力 局部应力决定了疲劳 对于R1MS的焊缝材料数据反算的研究：
normalized surface stress e / S
3 2 1 0 -1 -2 -3 r=1mm
数字分析
nominal stress S, N/mm
试验
R=-1
Kt,
r=1mm
S
r=1mm
介绍R = 0.05…
对比薄板模型避免了几何约束 采用R = 0.05 适用于激光焊
应用范围的定义… 使S/N曲线对不同尺寸大小具有更好的适应性
S/N 曲线可以看作是模型的属性
仅R = 1 曲线包含了精确的 TU Darmstadt 属性
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焊接母材的材料特性对疲劳寿命无影响
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依托于材料和焊接条件
母材:
钢结构 铝结构 板厚> 0.5 mm
焊接条件:
焊接形态 应力消除
尚未验证
• 表面处理(研磨，喷丸，…) • 激光焊接
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材料特性的变化
焊接件本身材料特性（壳单元） 热影响区 (e.g. ultimate tensile strength twice of UTS of base material) 焊料材料特性 / electrode
复杂的局部焊接几何特性
只用壳单元无法描述焊接部分细节特性 几何的变化
b中包含了焊缝的尺寸影响。 对于薄板结构，焊根及焊角点的缺口尺寸差异会导致系统误差。 新技术 – 有效应力法 考虑了缺口半径及缺口角度的影响
较大的离散
较小的离散与缺口半径无关
自动包含在LMS焊缝分析方法中
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基于应力梯度
定义焊缝
LMS b 焊缝建模需要焊接的连个
零件具有不同的属性 (例如可以通过按属 性自动分组) 分别定义焊接的母材和焊材。
焊缝可以通过节点耦合，单元连接，刚性
单元连接模拟。
焊缝可以自动检测，但也可以手动定义。
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目标: 综合考虑两种焊缝分析方法的特点 结构应力法仅适用于简单的模型: 缺口不被建模 使用可用的结构网格 没有专用的焊缝网格进行疲劳分析 缺口应力法（RxMS法） 基于缺口应力 使用 RxMS SN 曲线
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LMS b 焊缝疲劳分析方法
R = -1
10 T 10%/90% = 1 : 1.34 0.5 200 400 600 800 1000
裂纹起始位置 焊根 焊角
疲劳极限应力 eE, MPa
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传统焊缝分析方法
结构应力法 局部应力法（缺口应力法）(RxMS)
传统的焊缝疲劳分析方法
基于结构应力
从壳单元网格上读取主应力 比较具体的SN曲线 (标准焊缝系列得到) 具体的SN曲线需要反应焊接几何及加载条件
基于局部应力(RxMS 方法)
使用较好的象征性的3D网格模拟焊缝几何 通过几何读取应力 比较焊缝的SN曲线
使用壳单元有限元网格 (焊缝几何不被模拟) 壳单元模型的焊缝其焊接处的局部应力不能被计 算 一般从焊缝相邻的单元读取应力
R1MS 焊缝试验
t2
=90o
=20o
=45o
F
t1
F
=90o
=90o
research program TU Darmstadt, 1987-94 Olivier/Köttgen/Seeger