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。从名义应力到热点应力，人们一直没有停止对焊缝或焊根上的高度非线性应力的追求，但是，直到董平沙教授提出了结构应力的概念之后，以及2007 年美国ASME 标准中增加了董平沙教授发明的《网格不敏感的结构应力法及主S-N 曲线法》，这个问题才得以根本解决。

3 疲劳评估时如何选取S-N 曲线

使用有限元方法与焊接分级的方法相配合对焊接接头进行疲劳评估时，还必须面对怎样从众多的可能中选择S-N 曲线的这样一个课题。如果需要考虑到众所周之的重要参数，如接头几何，载荷形式，基座厚度，和连续体上的连续变量而不是一些不连续量时，在基于焊接分级方法的S-N 曲线中，理论上会存在一个内有无穷多数据的曲线族。在不能确定地给出这些参数对一个给定S-N 曲线的定量关系的影响时，设计出一条S-N 曲线的工作就只能依靠经验和主观判断了。S-N 曲线的选择过程就会因人而异，即使是接头类型类似，寿命预测也常会导致很大的差别。

4 疲劳评估时使用什么应力类型？

焊接结构疲劳设计或评估时应当注意用什么样的应力类型呢？美国AAR 标准及当前国内使用的应力类型主要是名义应力；欧洲焊接界使用的应力类型主要是名义应力，热点应力，或称之为几何应力，前者用于工程，后者用于研究：而美国从2007 年起，在ASME（2007）标准中用的是结构应力及等效结构应力。

4.1几个基本概念

4.1.1名义应力与广义名义应力

名义应力必须是能用材料力学公式计算出来的具有平均意义的应力，它可以贴片测得。在AAR、BS、IIW 标准中，S-N 曲线是用名义应力定义的，但是，工程运用中，当焊接接头的结构复杂、载荷也复杂时，这类用材料力学公式计算的名义应力是不存在的，此时，只能用有限元方法获得焊接接头上平均意义上的名义应力，这时，我们可以称其为广义名义应力。

由于名义应力是平均意义上的应力，这是为什么从有限元计算结果拾取名义应力时，不要从“焊缝”上拾取的基本原因。

同时，还要强调指出：对于机车车辆而言，不论是车体，还是转向架，其焊趾附近的平均意义上的名义应力，或属于单向应力状态，或属于双向应力状态，拾取时，如果是双向应力状态，应拾取最大主应力代表名义应力参与计算，具体规定，见BS、IIW 标准。

4.1.2热点应力（几何应力）

是焊缝接头焊缝焊趾处的非线性应力的一部分，不能用贴片方式直接测得，但是，可以通过一组片外推插值间接获得，少数情况下可以用有限元方法获得，详细内容见IIW 标准。

4.1.3结构应力

是由外力引起的焊缝接头焊缝焊趾或焊根处上的应力，它具有明确的物理意义，可以通过一组片外推插值间接获得，亦可以用适当的有限元方法获得，它反映了焊址或焊根处的应力集中，详细内容见ASME（2007）标准。

4.1.4等效结构应力

是基于断裂力学裂纹扩展表达式，积分获得的一个参数，且用于计算疲劳寿命。在这个基于断裂力学表达式的等效结构应力中，不仅考虑了焊接接头板的厚度的影响、载荷模式的影响，也考虑了应力集中的影响，详细内容见ASME（2007）标准。

4.2应力变化范围

在研究金属疲劳问题时，不用这个概念，只有研究焊接结构时才会用这个到这个概念，换言之，应力变化范围这个概念是针对焊接疲劳而提出来的。如果忽视这个概念，继续沿用研究金属疲劳时所建立起来的概念，那将是非常不负责任的。

应力范围定义如下：=-，为波峰应力，为波谷应力。对名义应力如此，对结构应力亦如此。在这里，平均应力是没有贡献的。

最近20 余年的研究，主要是英国焊接研究所的Gueny 博士的研究表明，由于焊接过程的复杂热行为，结构焊接接头焊后的焊缝及其附近存有达到或接近屈服点的残余应力（注意，该残余应力具有自平衡性，与外载荷无关的独立性），因此在常幅应力循环作用的接头中，焊缝附近所承受的实际循环应力将从母材材料的屈服应力(或接近屈服应力)向下摆动，而不管其原始作用的循环特性如何，所以，焊接接头的疲劳性能用应力范围的概念来表述是科学的。这也是为什么BS 标准、IIW、ASME 标准采用应力范围而不采用与循环特性相关的信息获取S-N 曲线的根本原因。

4.3 S-N曲线的数学属性及其敏度