FEMFAT对于电弧焊接的疲劳评估方法

FATIGUE ASSESSMENT METHODS FOR ARC WELDINGS

对于电弧焊接的疲劳评估方法

Dannbauer Helmut, Hofwimmer Klaus, Zhang Wenxuan

Magna Powertrain Engineering Center Steyr GmbH & Co KG, Austria

麦格纳动力总成 – 斯太尔工程中心

关键字 – 有限元，疲劳，焊缝，标准，S/N 曲线

摘要 – 基于有限元分析的疲劳评估在汽车工业中被广泛的应用。但是如何处理在车身和底盘等结构中的焊接问题任然是一个研究课题。这篇论文将给出一个总揽并且对焊缝疲劳评估的不同方法进行对比。

∙基于标准的焊缝疲劳评估 (EUROCODE 3, BS 7608, DS1612):

基于名义应力的细分类别将被用来与一条S/N曲线相关联；平均应力的影响将

以不同的方法进行处理 (MKJ-图, 减少负载循环中的压缩受力部分)。

∙基于德国FKM标准的焊缝疲劳评估:

针对S/N 曲线的细分类别；所有3个应力分量将被分别分析；不同的Haigh-图将应用在不同的残余应力等级上。

∙基于来自于有限元分析的结构应力的焊缝疲劳评估:

简单板壳单元提供的结构应力将被用于与凹槽参数数据库相结合，以获得凹槽

应力。

∙基于来自于有限元分析的凹槽应力的焊缝疲劳评估:

带有1mm或5mm凹槽半径的实体模型将被用来进行凹槽应力分析；凹槽应力

将应用主S/N曲线进行评估。

∙基于来自于有限元分析的节点受力的焊缝疲劳评估:

从沿着焊缝走向的节点受力可以获得线载荷，它们将结合分析理论方程对结构

应力进行计算。凹槽应力将通过凹槽系数的分析评估被确定下来，一个主S/N 曲线将用于损伤值分析。

各种不同方法的规范将在理论上进行介绍并且提供一个应用案例用以说明它们在实践中的不同之处。

1. 简介

车辆必须能够承受动态应力，它的部件包含不同的焊缝、焊点和凹槽。在加工过程中非常不同的工艺处理将被应用。这些对于使用中的疲劳寿命会产生正面的或是负面的影响。焊缝特性对于车辆板材部件的刚度和硬度也会产生不同的影响。焊接工艺、焊接类型和焊缝的位置以及焊点的数量和分布有着极大的在技术上的和经济上的影响。实践告诉我们在底盘的疲劳试验中超过90%的裂纹来自于连接部位(1) (2)，原因是，相对比基础材料焊缝和焊点具有相对较低的动态强度值。

大量的标准规范以及出版物提供了不同的方法以评估在一个构件寿命周期内的动态应力。一些方法是基于名义应力的。另外一些方法应用结构或是凹槽应力以及最新的方法应用节点的受力。

这篇文章的目的是想展示一下焊缝结构疲劳分析中不同的评估方法，以及通过一个应用实例来讨论一下这些方法的优点和可行性。

2. 基于规范的焊缝疲劳评估

除了在汽车工业中的应用，按照规范焊缝结构的疲劳评估被广泛应用到许多行业中。尤其是在铁路或是其它安全相关的行业，基于大量的实验结果，规范提供了一个传统的和安全的方法。

在通常情况下对于大多数常用的焊接结构，一个所谓的细分类别（detail categories），通过疲劳实验可以对垂直和平行于焊缝的法向应力以及对剪切应力的S/N曲线进行建立。为了评估一个焊接结构，每个焊缝连接必须在规范中为每个分应力指定一个细分类别。规范中的各个S/N曲线将与名义应力，或由分析近似、有限元分析或试验中得来的结构应力相协同使用。

2.1 Eurocode 3 (3), British Standard 7608 (4), IIW-Guideline (7)

这三个焊缝疲劳评估规范是大家非常熟悉的。Eurocode 3 和 IIW-Guideline的主要规定是依赖于一套S/N曲线束，它们是同等间距的，并依赖于一套被分类的结构详图。与Eurocode 3不同，规范BS 7608的S/N曲线并不是等间距的而且斜率也在m=3 到 3.5 和 4 到 8之间变动（见图1）。

图1: 法向应力的S/N曲线，EUROCODE 3 (左) 和 British Standard 7608 (右)

2.2 DV 952 和 DVS 1612 规范

在德国铁路交通工具规范DV 952 (5) 和 DVS 1612 (6) 中给出了可允许的最大主应力或是剪切应力相对于应力比率R 的图表。在每个图表中对于几种凹槽类别给出了不同的曲线。这样就可以从一个凹槽类别和平均应力（分别的R 值）找到相应的疲劳强度。

这些图表可以应用于如下材料的焊接： DV 952 : St 37, St 52-3, AlMg3, AlMgMn, AlMg4.5Mn, AlMgSi1, AlZnMg1 DVS 1612: S235, S355

在焊缝中的σmax 或 τmax 的最大应力应当被确定，这个最大值必须小于图表中可允许的数值。这意味着，应用这些规范，仅能够评估疲劳安全系数，而不能够研究疲劳寿命。

2.3 FKM 标准

德国FKM 标准用于评估钢和铝材料的焊接和非焊接构件的疲劳问题。这个标准对于工程师来说是一个非常强大的工具，它同时考虑了大多数对构件强度（静态和动态）产生影响的参数。关于焊缝评估，这个标准的应用类似于规范EUROCODE 3 和 IIW-Guideline 的细分类别。每个应力分项 (σ⊥, σ||, τ ) 必须通过利用度（utilization degrees ）a 的构成来单独评估：

1,,,≤=

⊥⊥⊥adm

a a a σσ,

1||,,||,||≤=adm a a a σσ, 1,≤=adm

a a a τττ

应力角标的说明:

a ….. 应力振幅 ⊥ … 方向垂直于焊缝

adm … 在S/N 曲线中允许的应力值 || …. 方向平行于焊缝

对于复合应力状态，一个等价利用度 (equivalent utilization degree) a V 必须被使用:

()142122

||||≤⎪⎭

⎫ ⎝

⎛

⋅+-++=

⊥

⊥τa a a

a a a V