焊接结构疲劳寿命评估方法研究

１焊 接结 构疲 劳的 特点 命（ 里程） 。 焊接结构疲劳是指承受动态载荷的焊接结构在交变载荷作用下逐 ３ ． ２ Ｂ Ｓ ７ ６ ０ ８ 钢结构疲劳设计与评估实用标准。该标准对于屈服强 渐失效的过程 ，普遍认为焊接接头的疲劳屙 ｆ 生与焊接之前 的材料的疲 度 ７ ０ ０ ＭＰ ａ以下结构钢均可应用 ， 该标准从大量焊接结构中， 提炼出的 劳属性是不同的，因此需要有不 同方法以有效地进行焊接件的疲劳评 焊接接头细节 Ｓ － Ｎ曲线 ， 不仅考虑了局部应力集中， 尺寸与形状 的最大 估。 允许不连续值 ， 而且还考虑了应力方向、 冶金影响、 残余应力 、 疲劳裂纹 焊接结构疲劳的牛 寺 Ｊ 点与母材不 同， 第一 ， 焊接接头遵循的疲劳失效 形状 ， 以及某些情况下的焊接工艺和焊后处理方法。 模式是可 以明确区分的，即它可能从何处开始 出现裂纹，一旦出现裂 采用 Ｂ Ｓ ７ ６ ０ ８ 标准进行疲劳寿命 占 时， 与采用 Ｉ Ｉ Ｗ标准技术路线 纹， 裂纹又可能朝着哪个方向发展； 第二， 焊接接头的 ｓ — Ｎ数据 中， 至少 基本相同， 主要是标准中 Ｓ － Ｎ曲线本身及选择方法上有所不同。 根据待
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焊接结构疲劳寿命评估 方法研 究
王 文华
（ 长春轨 道客 车股份有 限公 司， 吉林 长春 １ ３ ０ ０ ６ ２ ）
摘 要： 本文首先指 出焊接 结构产生疲 劳失效的特点， 针对焊接 结构疲 劳问题， 列举 了主要 的４种评价分析方法， 并阐述 了每种评价方法的 原理。在 ４种评价方法原理的基础上 ， 给出与之相关的焊接疲劳评估标准， 由于标准结合 了大量的试验数据及断裂力学知识， 所以在结合 实际经 验 的基础 上 ， 给 出 了标 准的使 用技 术路 线 ， 同时对标 准之 间的应 用 差异给 出了说 明 ， 最后 对评 估 方法在 结构设 计 中的应 用给 出总结 。 关键词 ： 焊接结构 ； 疲 劳寿命 ； 强度评估
在寿命区间内， 有一个趋于一个特有的斜率 ， 而光滑试件和未焊接的有 疲劳洋估的接头细节三维几何 图形 、 受力方向以及工艺细节要求， 从 中 缺 口的试样却不是这样 ； 第三 ， 焊接接头的 Ｓ － Ｎ数据 中， 平均应力没有 选 择相 对 应的 细节 级别 然后 根据 细 节级 别查 出定 义 该级 别 Ｓ － Ｎ 曲线 什么显著的影响， 而非焊接的试件中， 平均应力则有显著的影响。 的具体参数。 为提高计算精度 ， Ｂ ｓ 标准的 Ｓ － Ｎ曲线也是双斜率的， 其拐 ２ 焊 接结构 疲 劳评估 方法 点对应的循环次数为一千万次。 传统的疲劳设计评估是有针对 眭的面向焊接接头展开 ，核心是许 ３ ． ３ 标准对比 用名义应力用安全系数调节进行校验 ，该方法并没有考虑焊缝的应力 ３ ． ３ ． １ 共ｌ 生特点。 ￣ Ｍｉ ｎ ｎ ｅ ｒ 损伤累积是 Ｂ Ｓ Ｈ Ｉ Ｗ 标准的理论基础， 其中 集中， 将名义应力作为焊接接头的评价指标。随着研究 的深入 ， 焊缝应 Ｂ ｓ 与Ｉ Ｉ Ｗ 的寿命计算公式本质完全相 同。ｂ ． 可操作性强， 不仅有理论 ， 力集中是决定接头疲劳强度的最主要因素成为共识 ，随之发展起来的 亦有技术 ， 不仅有数据 ， 亦有工艺要求 ， 只要被评估对象的接头型式落 三种方法 ： 结构应力法 、 等效结构应力法和缺 口应力法。 入它们提供的数据库之中， 其寿命评估就是科学的有价值的。ｃ ． Ｂ Ｓ Ｈ Ｉ Ｗ ２ ． １ 名 义应力法。 该种方法是通过简单材料力学计算公式或常规尺 标准均适用于焊接结构的疲劳寿命预测与评估。由于铁路机车车辆装 寸应变片测试方法得 出结构特定位置 （ 远离应力集 中区域 ）的名义应 备中大部分为焊接结构，因此 ， Ｂ ｓ 标准与 Ｉ Ｉ Ｗ标准有着相 当大的应用 力， 然后与许用名 义应力做 比较。 判定安全的依据为服役应力不大于经 空 间 。 过安全系数修正的许用应力 ３ ． ３ ． ２ 个『 生 特点。ａ ． Ｂ Ｓ ７ ６ ０ ８ 钢结构疲劳设计与评估实用标准。①用 ２ ． ２ 结构应力法。在离焊趾 ３ ａ ｒ ｍ的位置测试正交于焊缝方向的应 于钢结构 ， 其中包括焊接接头及螺栓连接接头。 ②将钢结构接头细节分 变片 ， 测量值用于疲劳强度评定 ， 并提出这种应力评定方法不依赖于焊 成 ｌ ０级， 每一级别中不仅提供 了建立 Ｓ － Ｎ曲线 的信息 ， 还提供 了工艺 接接头类 型、 焊缝几何形状 、 受力形式等因素 ， 这是最早的结构应力概 条件的细节要求 ，例如附录 Ｂ中给出的每一接头细节 的可能的疲劳断 念。该方法的局部应力参数能反映接头部位因几何形状变化引起的应 裂模式及相应的工艺要求可以直接用来指导设计和制造。③从工程角 力集中但却无法描述焊趾附近的强应力集中效应 。 度出发 ， 注重工程应用。ｂ ． Ｉ Ｉ Ｗ 焊接接头及其部件疲劳 准。① 比 ２ ． ３ 等效结构应力法。在焊趾应力梯度较大的—个微小区域内， 由 Ｂ ｓ 更注重焊接接头细节， 焊接接头分类更详细。②考虑 了更多的其它 于材料内部的晶粒取 向等微观各向异 『 生 不可忽略，根据各向同性的弹 因素对寿命的影响 ， 并提供了相当丰富的实验数据。 ③不仅适用于钢结 性理论求得的 陛应力高于此区域的真实应力 ， 这称为弹性约束效应 ； 构， 也适用于铝合金结构。④考虑了裂纹的扩展。 如果这个区域已发生宏观塑性变形， 称为塑性约束效应。 鉴于弹性或弹 ４结 论 塑ｆ 生有限元计算无法准确描述焊趾附近非线性应力场，一些学者引入 ４ ． １ 从标准的基本原理上看 ， 影响焊接结构疲劳性能的决定性因素 了等效结构（ 热点） 应力概念 ， 以消除单元尺寸相关 『 生 和上述约束效应 是焊缝上的应力集中，它包括工艺上的焊接缺陷导致的微观应力集 中 的影 响 。 以及设计不合理导致的宏观应力集 中。 ２ ． ４ 缺 口应力应变方法。 缺 口应力应变是裂纹萌生后初期裂纹亚临 ４ ． ２焊接接头上承受的变化的外载荷是一相当复杂的随机载荷 ， 由 界扩展的决定『 生 因素 ，可以采用缺 口应力应变作为评定焊接构件疲劳 于载荷谱难于获得，可以直接在焊接接头附近通过贴片实测其动态应 强度的参数。 这种方法本身接近实际隋况 ， 更能合理的将试验结果运用 力， 获得其应力谱。 于实际结构 ４ ３在 Ｂ ｓ 标准与 Ｉ Ｉ Ｗ 标准中， 疲劳试验数据表 明， 焊缝焊趾打磨可 ３疲劳评估标准的使用方法 以提高抗疲劳能力 ； 不同板厚 、 板宽渐变过渡后 ， 也可以提高抗疲劳能 ３ ． １ 国际焊接学会提出的焊接接头及其部件疲劳设计标准。 国际焊 力 ， 这些措施之所 以 有效 ， 其原因就是局部刚度得到了协调， 从而应力 接学会提 出的焊接接头及其部件疲劳设计标准 ，它提供了多种级别焊 集 中得到了消除或缓解。 接接头疲劳强度 Ｓ － Ｎ曲线 ， 这些 Ｓ － Ｎ曲线考虑了焊缝形状所引起的局 ４ ４几种评估方法 比较来看 ， ． 名 义应力法在工程应用中较为方便 ， 但 部应力集中、 一定范围内的焊缝尺寸和形状偏差 、 应力方向、 残余应力、 由于其简化因素较多 ， 也没有考虑局部应力集 中， 所 以其结果可能与实 冶金状态、 焊接过程和随后的焊缝改善处理。 际略有偏差 ，可以增加实际线路测试环节来反应局部结构的真实应力 使用 Ｉ Ｉ Ｗ 标准预测疲劳寿命的技术路线如下 ： ａ 指定具体待评点 水 平 。 的位置 ． ｂ ． 女 口 果有动应力实测数据 ， 通过编谱而获得该点的应力范围谱 ， 参 考文献 转到第（ ｅ ） 步Ｉ ｃ ． 如果没有动应力实测数据 ， 有载荷谱 ， 那么创建有限元 ［ １ ］ Ｉ Ｉ Ｗ Ｆ Ａ Ｔ Ｉ Ｇ Ｕ Ｅ Ｄ Ｅ Ｓ Ｉ Ｇ Ｎ Ｏ Ｆ ＷＥ Ｌ Ｄ Ｅ Ｄ Ｊ Ｏ Ｉ Ｎ Ｔ Ｓ Ａ Ｎ Ｄ Ｃ Ｏ ＭＰ Ｏ — 模型； ｄ 根据载ｊ 箭普及有限元模型获得该点的应力范围谱 ； ｅ ． 根据诙 所 ＮＥＮＴＳ １ ９ ９ ６ ． 在焊接接头类型细节及承载方向 ，在 Ｉ Ｉ Ｗ 中选择对应的用于建立 Ｓ － Ｎ ［ ２ ］ Ｂ Ｓ ７ ６ ０ ８ ： １ ９ ９ ３ Ｃ Ｏ Ｄ Ｅ Ｏ Ｆ Ｐ Ｒ Ａ Ｃ Ｔ Ｉ Ｃ Ｅ Ｆ ０ Ｒ Ｆ Ａ Ｔ Ｉ Ｇ Ｕ Ｅ Ｄ Ｅ Ｓ Ｉ Ｇ Ｎ Ａ Ｎ Ｄ 曲线 的疲劳＃ ） Ｊ Ｏ Ｊ ｜ ｌ （ Ｆ Ａ Ｔ ） 及相关参数王 根据损伤比计算公式 ， 计算损伤比 ＡＳＳ Ｅ Ｓ Ｓ ＭＥＮ Ｔ ＯＦ Ｓ Ｔ ＥＥ Ｌ Ｓ Ｔ ＲＵＣ Ｔ Ｉ Ｊ ＲＥ Ｓ 】 ９ ９ ３ ． 累积 ； 辱 根据载荷谱或动应力谱所对应 的里程数 ， 由 Ｍｉ ｎ ｎ ｅ ｒ 公式求 出寿 作者简介 ： 王文华（ １ ９ ８ １ 一 ） ， 男