焊接结构抗疲劳优化设计方法及应用
铝合金焊接接头的力学性能评估及优化设计
铝合金焊接接头的力学性能评估及优化设计引言：铝合金作为一种轻质高强度材料，广泛应用于航空航天、汽车制造和建筑工程等领域。
而焊接是铝合金加工常用的连接方法之一，焊接接头的性能评估和优化设计对于提高铝合金焊接结构的可靠性和寿命至关重要。
本文将从力学性能评估和优化设计两个方面来探讨铝合金焊接接头。
一、力学性能评估铝合金焊接接头的力学性能评估是通过对接头的强度、韧性和疲劳寿命等指标进行测试和分析来完成的。
1. 接头强度测试接头强度是评估接头负荷能力的重要指标。
常用的测试方法有拉伸试验和剪切试验。
拉伸试验通过施加拉伸力来测试接头的极限拉伸强度和屈服强度，剪切试验则测试接头的抗剪强度。
测试结果可以用于评估接头焊缝的质量和设计的可靠性。
2. 接头韧性测试接头的韧性代表了接头在承受外力作用下的抗变形和破坏能力。
常用的测试方法有冲击试验和硬度测试。
冲击试验可以评估接头的抗冲击能力和断裂特性，硬度测试可以反映接头焊缝和热影响区的硬度变化情况。
3. 接头疲劳寿命评估接头在长期加载或循环加载过程中容易产生疲劳破坏。
通过疲劳试验来评估接头的疲劳寿命，可以确定接头在实际使用条件下的可靠性。
疲劳试验需要根据实际应力条件进行模拟，并根据疲劳寿命曲线来评估接头的寿命。
二、优化设计通过对铝合金焊接接头的力学性能评估，可以发现接头的强度、韧性和疲劳寿命存在一定的改进空间。
因此，优化设计是提高接头性能的关键。
1. 材料选择优化设计首先考虑的是选择合适的焊接材料。
不同的合金成分和热处理方式对接头的性能有很大的影响。
通过选择合适的焊接基材和填充材料，可以提高接头的强度和抗疲劳性能。
2. 设计改进设计上的改进可以包括改变接头的几何参数和焊接方式。
通过优化焊缝的形状和尺寸，可以提高接头的载荷传递能力。
选择合适的焊接方式，如气体保护焊、电弧焊或激光焊等，也可以改善接头的焊缝形态和质量。
3. 焊接工艺控制焊接工艺是影响接头质量的关键因素之一。
通过优化焊接参数，如焊接电流、焊接速度和焊接温度等，可以改善焊缝的形成和热影响区的性能。
焊接质量检测技术毕业论文选题(100个)
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IIW标准注释及应用
IIW标准注释及应用IIW是国际焊接学会（International Institute of Welding）的英文缩写。
1996年IIW下属的焊接接头工作组（Joint Working Group）提交了一份文件名为《焊接接头及其构件疲劳设计》（Fatigue Design of Welded Joints and Components），该文件编号为ⅩⅢ-1539-96/XV-845-96，国内，该文件被称之为《焊接接头及其构件疲劳设计标准》。
本注释亦用标准一词定义该文件，其原因是它提供了各种级别的焊接接头疲劳强度的S-N曲线是许多国际著名的焊接专家学者在实验室实测的。
这些S-N曲线不仅具有权威性，而且具有工程实用性，因为这些S-N曲线考虑了焊缝形状所引起的局部应力集中；一定范围内的焊缝尺寸和形状偏差；应力方向；残余应力；冶金状态；焊接过程和随后的焊缝改善处理。
此外，如果这些焊接接头及其构件还存在其它原因的应力集中，该文件还给出了一些大于1的应力集中系数，该应力集中系数可乘以疲劳载荷，亦可以除以，表明S-N曲线级别的FAT值。
显然，当不采用有限元数值技术时，这种考虑亦很实用。
从疲劳设计的技术路线上看，焊接结构疲劳寿命预测需要两个必要条件：（1）激起动应力的载荷谱；（2）由实验获得的焊接接头的S-N曲线条件（1）是导致疲劳的外因，只要精心组织，不难获取；条件（2）是导致疲劳的内因，它的获取则是一件不容易的事，因为它需要大笔资金来支撑大量的实验室实验及研究。
我们设计人员手里的铁道部标准TB/1335-1996中关于疲劳设计的内容不过是教科书中相关内容的Copy。
客观地说，毫无实用价值。
联想到提速/重载后，焊接构件疲劳断裂日益突出，因此，将IIW标准急切地推荐给诸位，其原因就在于IIW标准为我们提供了大量的宝贵的焊接接头抗疲劳设计数据。
尽管这些数据尚不够完备，但是从支持抗疲劳设计方案比较的角度看，它的价值是实实在在的，它的贡献也是不可代替的，几个典型案例也证明了这一点。
自动化焊接设备的优化设计
自动化焊接设备的优化设计自动化焊接设备是一种高度自动化的设备，具有高效、高稳定性、高质量等特点，已经广泛应用于各种生产领域中。
在如今竞争激烈的市场环境中，自动化焊接设备的设计更需要追求高效、高质量和节能的目标，以满足对产品的精度和品质要求，并提高生产效率，降低成本。
为此，本文将从优化设计方面入手，对自动化焊接设备进行深入的探讨。
一、自动化焊接设备的特点与发展趋势自动化焊接设备通过传感器和控制器等多种技术手段实现了高度的自动化，有效提升了焊接效率和品质，已经成为现代制造业的重要组成部分。
具体特点如下：1.高度自动化：自动化焊接设备通过计算机、传感器和控制器等设备进行控制，具有较高的自动化程度。
2.高效性：自动化焊接设备可以快速、准确地完成焊接任务，大大提高了焊接效率。
3.高质量：自动化焊接设备具有高精度、高可靠性等特性，可以保证焊接产品的高质量。
4.节能环保：自动化焊接设备采用的先进技术能够实现节能减排，从而降低对环境的影响。
自动化焊接设备的发展趋势主要体现在以下三个方面：1.智能化技术的应用：自动化焊接设备将越来越多地依赖于智能化技术，包括机器学习、人工智能等，以实现更高效、更精准的焊接任务。
2.数据化管理：自动化焊接设备可以实现大数据管理，通过对数据的分析，提高焊接效率和品质，从而实现生产智能化的目标。
3.多功能化设计：未来的自动化焊接设备将会将焊接技术与其他功能集成在一起，例如由于机械成本更低，在制造业和其他领域中被广泛使用的3D打印技术。
二、自动化焊接设备的设计中需要考虑的因素在进行自动化焊接设备的设计时，需要考虑诸多因素，其中重要的因素包括：1.设备的稳定性：焊接产品的质量与设备的稳定性密切相关，设计人员应针对此进行多方面的考虑，例如适当加大设备的重量、改善设计中的关键性部件、调整设备的结构等。
2.设备的精密度：焊接的精度直接影响焊接产品的质量，因此需要在设计设备时考虑精密度的因素，例如调整设备的机构，增加传感器的数量，提高设备的定位精度等。
焊缝疲劳强度应力
焊缝疲劳强度应力焊缝疲劳强度是指焊接结构在交变载荷下，经过多次循环荷载后产生裂纹、破坏的能力。
焊缝疲劳强度是焊接结构设计中的一个关键参数，因为在实际应用中，许多结构都会受到循环荷载的作用。
本文将深入探讨焊缝疲劳强度的概念、影响因素、评估方法以及改进措施等方面。
一、焊缝疲劳强度概述焊缝疲劳强度是指焊接结构在受到交变载荷作用时，经过多次荷载循环后产生裂纹、破坏的能力。
焊缝处于动态加载状态，交变应力会导致焊缝区域的局部应力集中，从而引发疲劳破坏。
焊缝疲劳强度的高低直接影响着结构的安全性和使用寿命。
二、焊缝疲劳强度的影响因素焊接质量：焊接质量是决定焊缝疲劳强度的关键因素之一。
焊接缺陷，如气孔、夹渣、裂纹等，会导致焊缝局部强度下降，增加疲劳敏感性。
焊接材料：焊接材料的强度和韧性对焊缝疲劳强度有显著影响。
选择合适的焊接材料，满足设计要求，能够提高焊缝的疲劳寿命。
应力水平：高应力水平会加速焊缝疲劳破坏的发生。
在高应力水平下，焊缝疲劳强度降低，导致结构更容易疲劳破坏。
加载频率：高频率的加载会引起焊缝更快的疲劳损伤。
频率较低时，结构对疲劳荷载的影响相对较小。
环境影响：环境因素，如湿度、温度、腐蚀等，也会对焊缝疲劳强度产生一定的影响。
特别是在腐蚀环境下，焊缝易受到应力腐蚀裂纹的影响，导致疲劳破坏。
三、焊缝疲劳强度的评估方法S-N曲线法：S-N曲线是疲劳寿命与应力振幅之间的关系曲线。
通过进行疲劳试验，得到不同应力水平下的循环寿命数据，然后绘制S-N 曲线。
该曲线可以用于评估不同应力水平下的疲劳性能。
极限应力法：极限应力法是通过在一定加载频率下进行疲劳试验，找到导致疲劳破坏的最小应力水平。
这种方法通常用于评估焊缝的静态疲劳极限。
裂纹扩展速率法：通过监测焊缝中裂纹的扩展速率，可以评估疲劳破坏的进展过程。
这种方法对于研究焊缝的疲劳裂纹扩展行为具有重要意义。
四、改进焊缝疲劳强度的措施提高焊接质量：通过优化焊接工艺，防止气孔、夹渣等缺陷的产生，提高焊接质量，从而提高焊缝的疲劳强度。
钢桥面板U肋焊缝抗疲劳设计及焊接新工艺
钢桥面板U 肋焊缝抗疲劳设计及焊接新工艺张华阮家顺沈俊杰黄超李立明乐凯宏（武船重型工程股份有限公司，武汉430415）摘要：针对U 肋与桥面板焊缝易产生疲劳开裂问题，结合相关研究成果，分析了焊缝尺寸对T 型接头角焊缝疲劳特性的影响，指出双面焊接条件下U 肋焊缝的尺寸要求，建议设计焊缝熔深不低于U 肋板厚的75%，焊脚尺寸不小于4mm 。
此外，提出了基于聚弧深熔气保焊的U 肋双面焊接新工艺，可大幅提高焊接工效，降低焊接成本。
关键词：U 肋焊缝；双面焊接；抗疲劳设计；聚弧深熔气保焊；焊接工艺DOI ：10.13206/j．gjg201901016ANTI-FATIGUE DESIGN AND WELDING PＲOCESS OF U-ＲIB WELD OF STEEL BＲIDGE DECKZHANG HuaＲUAN JiashunSHEN JunjieHUANG ChaoLI LimingLE Kaihong（Wuchuan Heavy Engineering Co．Ltd ，Wuhan 430415，China ）ABSTＲACT ：In view of the fatigue cracking problem of the weld of U-rib and steel bridge ，combined with the related research results ，the effect of weld size on the fatigue characteristics of T-joint fillet was analyzed．Therefore ，the size requirements of U-ribbed weld under the condition of double-sided welding were put forward．It was suggested that the design required that the weld penetration was no less than 75%of U-ribbed plate thickness and the size of welding foot was no less than 4mm．In addition ，a new U-rib double-sided welding process based on poly-arc deep-melt gas-shielded welding was proposed ，which could avoid welding groove ，greatly improve welding efficiency and reduce welding cost．KEY WOＲDS ：U-rib weld ；double-sided welding ；anti-fatigue design ；poly-arc deep-melt gas-shielded welding ；welding process第一作者：张华，男，1981年出生，硕士，高级工程师。
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。
基于Kriging模型的焊接构架抗疲劳优化设计
ｍｏ ｅ ｆｔｅ ｆ ｍｅ ｉ ｒ ａｅ ｔ ｈ ｘ ｍｕ ｅ ｔ ｏ ｄ ｎ ｒ ｔ ｓ ，Ｇｏ ｄ ｎ ｆｔ ｕ ａ ｅｙ ｄ ｌ ｒ ｓ ｃｅ ｔｄ ｗｉ ｔ ｅ ｍａ ｉ ｍ ｘｒ ｒ ｉａ ｓ ｅ ｓ ｏ ｈ ａ ｈ ａ ｙ ｒ ｏ ｍａ ａｉ ｅ ｓ ｆｔ ｇ
Ｉｓｔｔ ｏ ｌｉｇ（Ｉ ）ｓ ｎ ａｄ ｎ ｎ ｒ ｕ ｕａｉ ａ ｇ ｅｒ ， ｈ ｅｄｄｊｉｔ ｎｔｕｅ ｆ ｉ Ｗｅｄｎ Ｉ Ｗ ｔ ｄｒｓ ｄＭｉｅ ｍ ｌｔ ｅｄｍａｅｔ பைடு நூலகம் ｔｅｗ ｌｅ ｎｇ ａ ａ ｃ ｖ ｈ ｙ ｏ
ｆｔｇ ｅ ａ ｃ ｍｕ ａ ｉｎ ｄ ｍａ ｅ ｉ ｒ ｄ ｃｅ ．Ａｃ ｏ ｄ ｎ ｏ ＵＩ ５１ － ｓａ ｄ ｒ ｓ ｈｅ ｏ ｔｍｉａｉ ｎ ａｉ ｕ ｃ ｕ ｌ ｔ ａ ｇ ｓ ｐ ｅ ｉｔ ｄ． ｏ ｃ ｒ ｉ ｇ ｔ Ｃ ５ ４ ｔ ｎ ａ ｄ ，ｔ ｐ ｉ ｚ ｔｏ
根据国际焊接学会 （Ｉ 的焊接接头与部件疲劳设计 评估标 准 ， 于 Ｍｉｅ 累积损伤理 论 ， Ｉ Ｗ） 基 ｎｒ 预测焊接 接
头的疲劳累积损伤 ； 以板厚 为设计变量 ， 构质量最 小为 目 ， 尺寸约 束的基 础上 ， 加 ＵＣ １． 结 标 在 增 Ｉ５５４标
准 中超常载荷的最大应力 、 运营载荷 的 Ｇ ｏ ｍａ 劳安全 系数 、 劳试验 过程焊 接接 头累积 损伤为 约 ｏ ｄ ｎ疲 疲 束， 创建焊接构架 的抗疲 劳优化模型 ； 利用均 匀设计法对 １ ０个设计 变量进行 １０次试 验创建 Ｋ ｉ ｎ ２ ｒ ｇ近 ｉ ｇ 似模型 ， 在近 似模 型上应用序列二次规划算法进行优化 ， 给定损伤要求下 ， 在 构架质量减轻 １ ．％ ， １６ 此方 法对复杂焊接结构 的抗疲 劳优化设 计有一定的参考价值 ．
铝合金焊接接头的强度分析与优化设计
铝合金焊接接头的强度分析与优化设计随着工业化、城市化进程的加快，各种新材料的应用越来越广泛，铝合金就是其中之一。
铝合金具有较高的强度、较低的密度、良好的导电性和热导率等特点，所以被广泛应用于航空、汽车、电子等领域。
在铝合金产品的制造过程中，焊接技术尤其重要，因为焊接接头粘接质量的好坏直接影响产品的使用寿命和安全性。
本文将针对铝合金焊接接头的强度分析与优化设计进行研究。
一、铝合金焊接接头的构造及常用焊接方法铝合金焊接接头分为T型接头、角接头、对接接头、搭接接头等几种类型。
焊接方法常用的有手工TIG焊、气体保护MIG/MAG焊、氩弧焊、等离子焊、激光焊等。
手工TIG焊是一种用惰性气体保护下的钨极电弧焊接方法，它适合于焊接薄板。
气体保护MIG/MAG焊是一种以铝丝为电极，在惰性气体保护下进行的高效率电弧焊接方法，适合焊接厚板。
氩弧焊是一种惰性气体保护下的电弧焊接方法，适用于各种厚度的铝合金板材、管材等。
等离子焊是将电弧引向两条电极之间的高能量交流放电，产生等离子态的焊接方法，适用于超厚板材。
激光焊是用激光束直接照射在焊接部位，将能量转化为热能来焊接的方法，它适用于焊接小零件。
二、铝合金焊接接头的强度分析铝合金焊接接头的强度分析是估测接头强度大小的一种方法。
其思路是利用有限元数值分析软件将焊接接头模型建立在计算机上，然后根据材料力学特性、应力应变分布、热影响区域等因素进行模拟计算，最后得到接头的强度及失效机理。
由于铝合金的强度和塑性破坏机理复杂，铝合金焊接接头的强度分析也相对复杂，需要考虑的因素较多，如载荷方向、焊接接头类型、焊接方式、连接构造等。
三、铝合金焊接接头的优化设计铝合金焊接接头在设计过程中，需要考虑保证接头的强度和合理的结构，进一步考虑接头的重量、刚度、耐热、耐腐蚀等性能指标。
在优化设计时，首先要考虑接头类型、连接构造、加工工艺及焊接方式等因素。
其次要控制焊接热输入参数、焊缝几何尺寸、焊接材料等，以达到优化设计的目的。
焊接结构抗疲劳设计若干问题的思考
① 内因与外 因的对立统 一 ， 是抗疲劳设计 的一个 重要 出发点 ； ②在 比较 中追求相 对最优 ， 是抗 疲劳设 计 的
一
焊缝之 问的以“ 治 “ ” ② 降低应 力集 中的 以“ ” 刚” ③ 躲开应力 集 中避 “ ” 虚 ” 文中几个 疏” 堵 ； 柔 克“ ； 实 就“ ．
有代表性 的工程案例证 明了上述观点 的科学性及有效性 ． 关键词 ： 焊接结构 ； 劳 ； ＳＮ曲线法 ； 疲 主 － 应力集 中
哪 一些 焊缝 将来 有 可能会 出问题 ．
力 的路 径是 唯 一 的． 在拓 扑优 化设 计 工程 中 ， 力 传
化 范 围的微 小增 长 ， 将 导 致 疲 劳 寿命 的 高度 非 都
线性 下 降 ． 意 味着 忽视 “ 因” 这 外 是有 风 险 的．
所 谓外 因 ， 的是 作 用在 焊接 结构 外部 的 、 指 广 义 变化 的载 荷 ， ： 则 或 随机 变 化 的 载荷 、 如 规 变化 的温度 载荷 等 等． 我们 将 一 个 车 辆 投 放 到 一个 当
第３ ２卷 第 ５期 ２１ ０ １年 １ Ｏ月
大 连 交 通 大 学 学 报
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焊接结构的优化设计与机理分析
焊接结构的优化设计与机理分析随着现代工业的发展，焊接技术被广泛应用于各种结构的制作中。
而随着焊接工艺的不断改进和提升，焊接结构的优化设计也成为了焊接工程师和设计师的重要任务。
本文将结合实际案例和理论分析，探讨焊接结构的优化设计和机理分析。
一、焊接结构的优化设计焊接结构的优化设计不仅仅关乎制作过程的效率和成本，更重要的是对于结构的使用寿命、安全性和可靠性的保证。
因此，我们需要从以下几个方面入手：1.选择合适的焊接方法和材料合适的焊接方法和材料的选择是焊接结构优化设计的第一步。
焊接方法选择应考虑焊接材料的物理化学特性、尺寸形状、力学性能以及工艺要求等因素。
材料选择则需考虑焊接前后的材料性能变化以及与基体的相容性等因素。
同时还需要考虑人员技术水平和设备条件等因素，确保焊接质量和效率。
2.合理的结构设计在焊接结构设计中，需要注意结构强度、稳定性、耐久性等方面。
结构强度要求是指焊接结构在外力作用下能够承受较大的载荷而不断裂或破坏。
结构稳定性要求指焊接结构在受到外力作用下不会发生过度倾斜、翻转或变形等现象。
而结构耐久性要求则与结构的寿命和使用情况相关。
因此，在进行结构设计时需要综合考虑材料的物性、结构的尺寸和形态，以及结构所处的环境等因素。
3.优化的焊接接头设计焊接接头是焊接结构的连接部分，其质量和性能直接影响着整个结构的强度和稳定性。
因此，在焊接接头设计中，需要注意接头的尺寸、形状、焊接方式、焊接量等各种因素，以保证接头的强度和耐久性。
二、焊接结构机理分析理解焊接结构的机理有助于优化焊接设计，提高焊接结构的质量和效率。
以下是焊接结构机理分析的几点要点：1.焊接变形焊接变形是焊接结构不可避免的问题之一。
当焊接接头受热时，会发生热膨胀，从而使得焊接接头发生变形。
因此，在进行焊接接头设计和制作时需要考虑到这一问题，采用减少焊接变形的措施，如采用预加热、后热处理等方法。
2.焊接断裂另一个重要的焊接机理是焊接断裂。
焊接结构疲劳失效的原因及改善工艺措施总结
焊接结构疲劳失效的原因及改善工艺措施总结1焊接结构疲劳失效的原因焊接结构疲劳失效的原因主要有以下几个方面：①客观上讲，焊接接头的静载承受能力一般并不低于母材，而承受交变动载荷时，其承受能力却远低于母材，而且与焊接接头类型和焊接结构形式有密切的关系。
这是引起一些结构因焊接接头的疲劳而过早失效的一个主要的因素；②早期的焊接结构设计以静载强度设计为主，没有考虑抗疲劳设计，或者是焊接结构疲劳设计规范并不完善，以至于出现了许多现在看来设计不合理的焊接接头；③工程设计技术人员对焊接结构抗疲劳性能的特点了解不够，所设计的焊接结构往往照搬其它金属结构的疲劳设计准那么与结构形式；④焊接结构日益广泛，而在设计和制造过程中人为盲目追求结构的低本钱、轻量化，导致焊接结构的设计载荷越来越大；⑤焊接结构有往高速重载方向开展的趋势，对焊接结构承受动载能力的要求越来越高，而对焊接结构疲劳强度方面的科研水平相对滞后。
2焊接结构疲劳失效的要素2.1静载强度对焊接结构疲劳强度的影响在钢铁材料的研究中，人们总是希望材料具有较高的比强度，即以较轻的自身重量去承当较大的负载重量，因为相同重量的结构可以具有极大的承载能力；或是同样的承载能力可以减轻自身的重量。
所以高强钢应运而生，也具有较高的疲劳强度，基本金属的疲劳强度总是随着静载强度的增加而提高。
但是对于焊接结构来说，情况就不一样了，因为焊接接头的疲劳强度与母材静强度、焊缝金属静强度、热影响区的组织性能以及焊缝金属强度匹配没有多大的关系，也就是说只要焊接接头的细节一样，高强钢和低碳钢的疲劳强度是一样的，具有同样的S-N曲线，这个规律适合对接接头、角接接头和焊接梁等各种接头型式。
Maddox研究了屈服点在386-636MPa之间的碳锦钢和用6种焊条施焊的焊缝金属和热影响区的疲劳裂纹扩展情况，结果说明：材料的力学性能对裂纹扩展速率有一定影响，但影响并不大。
在设计承受交变载荷的焊接结构时，试图通过选用较高强度的钢种来满足工程需要是没有意义的。
数学优化方法在工程设计中的应用研究
数学优化方法在工程设计中的应用研究摘要：数学优化方法是一种以数学模型和算法为基础，通过寻找最优解来优化问题的方法。
在工程设计中，数学优化方法的应用可以提高设计效率和性能。
本文将探讨数学优化方法在工程设计中的应用，并通过几个实际案例来论证其有效性。
引言：工程设计是将理论知识应用于实践，通过科学的方法解决工程问题。
然而，许多工程问题往往涉及多个变量和约束条件，难以通过直觉和经验来找到最优解。
数学优化方法的出现为工程设计提供了一种强大的工具，可以通过建立数学模型并应用优化算法来解决复杂的工程优化问题。
1. 数学优化方法概述数学优化方法是一种通过数学模型和算法来寻找最优解的方法。
它涉及到数学分析、线性代数、概率统计等多个数学领域的知识。
常用的数学优化方法有线性规划、非线性规划、整数规划、多目标规划等。
2. 数学优化方法在工程设计中的应用2.1 工程结构优化设计结构优化设计是工程设计中常见的一个问题。
通过数学优化方法，可以寻找出结构的最佳几何形状、尺寸和材料参数，以满足特定的强度、刚度和重量等要求。
数学优化方法在工程结构优化设计中的应用可以节省材料、减少成本，并提高结构的性能。
2.2 工艺参数优化在某些工程设计中，精确的工艺参数设置是至关重要的。
通过数学优化方法，可以确定最佳的工艺参数组合，以最大限度地提高产品的质量和效率。
例如，在制造过程中，通过优化焊接参数，可以确保焊接接头的质量和强度。
2.3 供应链优化供应链优化是工程设计中一个具有挑战性的问题。
通过数学优化方法，可以寻找最佳的供应链结构、库存管理策略和运输方案，以最大程度地降低成本、提高效率和满足客户需求。
例如，在跨国公司的供应链中，数学优化方法可以帮助决策者确定最佳的生产和分销计划，以最大限度地降低运输和库存成本。
3. 数学优化方法应用案例3.1 结构优化设计案例某航空器翼梁的结构设计需要考虑重量和刚度的平衡。
通过建立一个带有约束条件的数学模型，使用优化算法进行求解，可以找到最佳的翼梁几何形状和材料参数。
焊接结构抗疲劳设计
焊接结构抗疲劳设计
焊接结构的抗疲劳设计是为了确保焊接结构在长时间使用中不会发生疲劳损伤，提高其使用寿命和安全性。
以下是一些常用的抗疲劳设计原则：
1. 选择合适的焊接材料：焊接材料的选择应考虑其强度、耐腐蚀性和疲劳性能。
常用的焊接材料包括碳钢、不锈钢和铝合金等。
2. 合理设计焊缝形状和尺寸：焊缝的形状和尺寸应根据受力情况和材料强度进行合理设计。
焊缝的过度加大、缩小或不连续会导致应力集中，增加疲劳损伤的风险。
3. 控制焊接质量：焊接过程中应控制好焊接温度、焊接速度和焊接夹角等参数，保证焊接质量。
焊接缺陷如焊孔、气孔和裂纹等会降低焊接结构的疲劳强度。
4. 增加结构强度：可以通过增加结构的截面尺寸、壁厚或使用加强件来提高结构的强度，减少应力集中和疲劳损伤的可能性。
5. 使用适当的焊接工艺：选择合适的焊接方法和焊接工艺参数，如手工弧焊、气体保护焊和激光焊等，以确保焊接接头的质量和疲劳强度。
6. 进行适当的焊后热处理：一些焊接结构可以通过焊后热处理来改善其疲劳性能。
常见的热处理方法包括退火、正火和淬火等。
7. 进行适当的应力分析和寿命评估：通过有限元分析等方法对焊接结构的应力分布进行评估，并根据预测的寿命来确定结构的设计寿命，以避免过早疲劳失效。
总之，抗疲劳设计需要综合考虑焊接材料、焊接质量、结构强度和焊接工艺等因素，以确保焊接结构在长时间使用中具有足够的抗疲劳性能。
焊缝疲劳寿命预测新方法及其在焊接构架上的应用
的疲 劳强度 一定 低于母 材 的疲 劳强 度．当研 究焊
接结 构 的疲劳 寿命 时 ， 必须把 重点 放在焊 缝上 ， 因
为应 力集 中主要 表 现 在 焊缝 上 ， 以焊接 结 构 的 所 疲 劳破坏 总是从 焊缝 开始 ； 而 ， 然 焊缝疲 劳寿命 的 可靠 预 测 ， 直 是一 个 世 界 范 围 内的难 题 ．就 当 一 前普 遍采 用 的疲 劳评 估标 准 而 言 ， 如北 美 铁 路协 会 Ａ Ｒ标 准 、 国钢结 构疲 劳评 估 标准 （ Ｓ 、 Ａ 英 Ｂ ） 欧
命 预测 一直很 难 深入 展 开 ． 忽 视 焊缝 上 的寿 命 而 预测 ， 者寿命 预测 的偏差 太 大 ， 出 的代 价都 可 或 付
能 很大 ， 因此有 人 将 焊 接结 构 焊缝 细节 上 的疲 劳 破 坏喻为 “ 藏在 细节 中 的魔 鬼 ” 是有 一 定 道 理 的． 最近， 已经 在 线 运 行 多 年 的 ２ ９ ０ Ｔ转 向架 焊 接 构 架 被发现 在横梁 腹板 与侧梁 下盖 板 的焊缝 出现 了 裂纹 （ 参见 图 ２ ， ） 由于它直 接影 响到 了行 车安 全 ，
一
改进 方 案．进 一 步 基 于 国 际 铁 路 联 盟 标 准
（ Ｉ ５ ５ 中对 铁 路 客车 转 向架 焊 接 构 架 规 定 的 ＵＣ １ ） 疲 劳试 验载 荷 ， 又对 原 设 计及 改 进 设 计 的疲 劳 寿 命 与损 伤进行 了计 算对 比 ， 得 出了相应 的结 论 ． 并
敏感 的结构应力法及主 ｓＮ曲线法》 ． 突破 了传统名义应力法 的局限性 ， 在机 车车辆焊接结构抗疲劳设计 过程 中， 具有重要工程推广价值 ．
关 键 词 ： 接 构 架 ； 缝 疲 劳 ；Ｅ 主 ＳＮ曲 线 法 焊 焊 Ｆ Ｍ； —
可采取哪些措施来改善焊接钢结构疲劳性能
可采取哪些措施来改善焊接钢结构疲劳性能原题号：24大量工程实例和试验研究表明，有效改善焊接钢结构的疲劳性能对提高其使用寿命是非常有利的，而只有结构设计合理，焊接工艺完善和焊缝质量良好才能保证焊接钢结构有较好的疲劳性能。
由于焊接接头焊趾处的焊接缺陷、应力集中和残余拉伸应力的作用，其疲劳幅度大幅度地低于基本金属的疲劳强度。
所以，焊接结构的疲劳强度取决于接头的疲劳性能。
为提高其疲劳性能一般可采取以下措施：⑴增加对焊接结构抗疲劳性能的了解，精心设计结构形式及接头形式，降低应力集中，使所设计的焊接结构更合理，具有更高的疲劳强度。
⑵提高和严格控制焊缝质量，防止和减少焊接缺陷的产生；在焊接结构制造过程、完成后以及使用过程中采取有效的工艺措施，提高接头的疲劳强度，增加其承受动载的能力、延长其使用寿命。
下面从以上两个方面来具体阐述改善焊接钢结构疲劳性能的措施。
⑴应力集中是影响焊接钢结构疲劳性能的重要原因，所以在设计时应采用合理的构件形式，选择可行的焊接方案以尽量降低应力集中。
任何降低应力集中的构造处理都有助于改善疲劳性能。
①设计合理的结构型式，减少应力集中，以提高疲劳强度。
在设计中要考虑力线流的平滑过渡，避免几何不连续性。
如图5.1所示，显然设计(a)中，圆圈处应力集中很高，往往是疲劳裂纹的起源点。
设计(b)更为合理。
对于次要构件，也应注意这一原则。
(a) (b)图5.1 板梁的合理及不合理设计②尽量采用应力集中系数小的焊接接头。
各种接头形式均要产生一定的应力集中，因此要尽量减少焊缝的数量和其不利的影响。
对各类焊接接头来说，焊缝形状是影响应力集中值的重要因素，而形状又与制造因素有关，因此在设计阶段就要考虑获得正确焊缝的措施，如采用何种焊接方法，在什么位置上施焊等，尽量把焊缝布置在疲劳应力水平较小的部位等。
一般情况下角焊缝的疲劳强度较低，而对接焊缝的应力集中系数最小，疲劳性能最好，所以应较多使用。
图5.2为角焊缝改为对接焊缝的实例。
焊接结构疲劳失效的产生原因与预防措施
ａｘ
ｌ 焊接结构疲劳失效的产生原因
焊缝结构在循环载荷 的作用下 ， 在应力最 大的晶粒
上很 可能形成微裂纹， 然后发展成为宏观裂纹 ， 接着宏 观
理论应力集中系数 的数值越 大， 明焊接结构 的应 说
・
６ ・ ５
力集中现象越严重 ， 对焊接结构 的影响越不利。 然而理论
０ 引言 焊接结构是一种联接各个部件既有效而又经济的连 接方式 ， 具有不 削弱构件截面 、 节省材料、 构造简单 、 易于 加工 、 连接密封性能好 、 刚度较大 、 便于采用 自动化生产等 优点 ， 因此焊接结构在国内外的航天航空、 铁道车辆 、 造船
业、 起重机 、 高层建筑 、 国防等制造领域得到了广泛应用。
由于热源及临近母材的膨胀和收缩受 到低温 区母材 的拘
焊接结构接头的焊缝 区域一般存在着诸如裂纹 、 夹 渣、 、 气孔 咬边和弧坑等焊接缺陷， 这些焊接缺陷是焊接结
构的固有特ｌ 生。这些焊接缺陷对接头的静力性能的影响
一
束作用抑制 ， 导致局部区域发生 了塑性变形 ， 最终在冷却
状态的焊缝接头区域形成独立于外部载荷的 自平衡力系。
影响焊接结构 残余 应力的因素很多， 主要包 图 焊接结构的横向残余应力分布 ３ 括母材加工过程 、 材料属性 、 结构的几何约束条件 、 制造工
序、 焊接顺序 、 焊后处理等 。 １母材在生产制造或加工过程 中， ） 例如铸造 、 锻造 、 轧
接制造过程 中， 在接头部位的焊缝 区、 焊缝和母材熔合 区 及热影响区中常常会出现各种焊接缺陷。按照缺陷所在 位置的不同， 将焊接缺陷分为面缺陷和体缺陷。在焊趾或
危害较为严重 。
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。
跨座式单轨构架焊缝疲劳分析方法研究
Value Engineering0引言随着我国经济发展和城市化进程推进，急剧增加的城市人口数量给城市交通带来了巨大的挑战。
城市地面交通主要包括公共汽车、汽车、无轨电车和有轨电车。
由于线路条件和运营要求，造成了交通拥堵、环境污染、交通事故等严重的社会问题，以传统车辆为基础的公共交通运输方式已很难满足城市飞速发展和绿色交通的需要。
跨座式单轨交通是城市轨道交通的一种典型制式，具有爬坡能力强、转弯半径小、噪音低、制造周期短等优点，特别适合被应用于山地城市交通运输。
构架作为跨座式单轨车辆主要的承载部件，在运行过程中受到复杂交变应力，焊缝结构疲劳破坏为构架在服役期间的主要失效形式。
因此准确、快速地评估出构架焊缝疲劳寿命成为了列车安全运营的重要保障。
针对于跨座式单轨构架焊缝疲劳的评估，传统的方法没有考虑到构架自身动态特性对疲劳性能的影响。
跨座式单轨的轨道是采用PC 梁安装而成，相邻PC 梁之间采用指形板连接，图1为轨道梁指形板结构。
在运行期间，跨座式单轨车辆的构架不仅受到轨道梁路面的激励还会承受指形板的冲击。
为了进一步提高构架焊缝结构疲劳分析计算的精度，本文考虑构架结构固有动态特性对疲劳的影响，基于模态应力恢复法以及结构应力法建立一套对跨座式单轨构架焊缝结构进行疲劳计算分析的方法。
1当前的焊缝疲劳计算方法跨座式单轨构架的焊缝疲劳计算分析主要参照机车车辆构架焊缝的寿命分析方法。
聂文武基于英国标准BS7608和有限元分析技术，并考虑焊接因素的影响，对焊缝的疲劳寿命做出了评估[1]。
王浩宇针对转向架构架的焊接构架疲劳强度评估问题，对比分析了DVS 1612标准和BS7608标准两种疲劳强度评估方法，提出：基于BS7608标准的疲劳强度评估方法不适用于中、低缺口效应的焊缝[2]。
胡方阳等人讨论了基于热点应力的机车车辆焊缝疲劳评定方法，分析表明，热点应力法仅局限于焊接接头焊趾的疲劳强度评估[3]。
周张义分别基于名义应力法和热点应力法进行焊接构架纵向角接头疲劳累积损伤评估，结果表明基于名义应力法和热点应力法疲劳评估的结果偏于危险[4]。
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第２９卷第６期焊接学报ｖ０１．２９Ｎｏ．６２００８年６月ＴＲＡＮＳＡＣＴＩＯＮＳＯＦＴＨＥＣｍＮＡⅥ砸ＬＤＩＮＧＩＮＳ呷『ｒ兀ＯＮＪｕｎｅ２００８焊接结构抗疲劳优化设计方法及应用
丁彦闯，兆文忠
（大连交通大学机械工程学院，辽宁大连１１６０２８）
摘要：焊接结构的破坏往往表现为焊接接头的疲劳破坏，提出考虑焊接接头疲劳损
伤约束的焊接结构抗疲劳优化设计方法。
根据国际焊接学会（Ⅱｗ）的焊接接头与部件
疲劳设计评估标准，基于Ｍｉｎｅｒ累积损伤理论，提出虚拟疲劳试验技术预测焊接接头的
累积损伤，以焊接接头的累积损伤为约束进行抗疲劳设计，采用基于试验设计的近似模
型优化策略提高计算效率。
采用此方法对某焊接构架进行了抗疲劳轻量化设计，选取
１０个设计变量，进行１２０次试验设计创建“ｇｉｎｇ近似模型，在近似模型上应用序列二
次规划算法进行优化设计，在结构尺寸、应力及给定焊接接头累积损伤约束下，构架重
量减轻１１．６％。
此方法为设计过程中保证焊接结构的疲劳可靠性提供了一种新途径。
关键词：焊接结构；疲劳损伤；优化设计；虚拟疲劳试验；近似模型
中图分类号：’Ｉ℃４０５文献标识码：Ａ文章编号：０２５３—３６０ｘ（２００８）嘶一００２９～０４丁彦闯
Ｏ序言
焊接是一种重要的连接方式，轻量化结构多采用焊接形式。
焊接结构在交变载荷作用下的破坏往往表现为焊缝的疲劳破坏，焊缝的疲劳破坏是损伤累积的过程…，因此焊接结构的抗疲劳设计必须充分考虑焊接接头的细节品质。
对于焊缝局部区域可采用焊后打磨等工艺措施消除应力集中，提高疲劳寿命１２１；对于复杂的焊接结构还需进行结构优化设计，降低焊缝区域的整体应力水平，保证疲劳寿命。
复杂结构的优化设计一般需采用有限元法进行，在考虑焊接接头细节的情况下，计算模型更加复杂，计算量大，耗时较长，以有限元疲劳分析结果为基础的优化设计将很难开展。
为了提高优化分析的效率，可采用近似模型替代复杂、耗时的有限元分析，并在近似模型上进行优化设计旧ｊ。
作者提出考虑焊接接头疲劳损伤约束的焊接结构抗疲劳优化设计方法。
在结构优化模型中增加焊接接头的累积损伤约束，创建焊接结构抗疲劳优化模型；根据国际焊接学会（１１ｗ）的焊接接头与部件疲劳设计评估标准，基于Ｍｉｎｅｒ累积损伤理论，提出焊接结构虚拟疲劳试验技术预测焊接接头的疲劳累积损伤；对优化模型进行基于试验设计的近似建模提高优化效率。
并结合焊接构架的工程实例应用验证了此方法的可行性。
１焊接结构抗疲劳优化模型
在结构优化设计的约束条件中加入焊接接头的累积损伤约束来保证疲劳寿命，则复杂焊接结构的抗疲劳优化设计模型可表示为
求Ｘ＝｛石ｌ，ｚ２，…，ｚ。
｝Ｔ
使形（Ｘ）一ｍｉｎ
满足毋（ｘ）≤０，／＝１，２，…，ｇ
ｋ（Ｘ）＝０，后＝１，２，…，Ｚ
啡（ｘ）≤ｑ，ｐ＝１，２，…，＾
戈ｉｍｉｎ≤石ｉ≤ｚｉ眦
式中：结构参数．）｜ｆ＝｛戈１，戈２，…，ｚ。
｝Ｔ为设计变量；结构性能形（ｘ）（如结构重量等）为优化目标；ｇ，（ｘ）为不等式约束函数；饥（ｘ）为等式约束函数；口为不等式约束个数；Ｚ为等式约束个数；危为累积损伤约束的焊接接头个数；戈ｉＩＴＩｉ。
和戈ｉ一为设计变量下界及上界，常规约束条件可以是强度约束、刚度约束、动态特性约束以及几何约束等；仇（ｘ）为焊接接头的累积损伤；ｃ。
为常数取Ｏ．５—１，可根据焊接接头的重要程度进行选取。
２焊接结构虚拟疲劳试验
收稿日期：２００８一Ｏｌ一０８
基金项占：国家８６３高技术研究发展计划项目（２００６ＡＡ０４２１６０）
焊接接头的累积损伤由结构承受的交变载荷造
第６期丁彦闯，等：焊接结构抗疲劳优化设计方法及应用３１
优化算法
翌塑ｌ
主
设计变量空间ｌ
广；磊葱鬲＿仁爿结嘉萋篙凳罢析＝二工二Ｌ＝∑二＝∑试验设计结果ｌ
丕
有限元分析结束
图３基于近似模型的优化设计流程
哟．３Ｏｐｔｉｍｉ刎ｉｏｎｂａｓｅｄｏｎａｐｐｒｏｘｊｍａｌｉｏｎｍｏｄｅＩ
梁两端有轴箱弹簧座，中央有空气弹簧座。
两横梁上焊有纵向梁、制动吊座和牵引座。
横梁外侧装有抗蛇行减振器座。
焊接构架及关键焊缝结构如图４所示。
图４焊接构架结构
Ｆｉｇ．４ＷｅＩｄｅｃＩｂｏｇｉｅｆ陋ｍｅａｎｄｗｅＩｄｅｄｊｏｉｎＩｓ
４．２焊接构架抗疲劳优化模型
该构架主要由钢板组焊而成，因此设计变量取板厚作为基本参数，根据设计及工艺要求，确定１０个设计变量，如表ｌ所示。
构架有限元模型采用板壳单元建模，共有６４８７７个节点，６６５１４个单元。
根据国际铁路联盟标准ＵＩＣ５１５—４—１９９３【７Ｊ创建焊接构架结构轻量化优化模型。
取板厚为设计变量，质量最小为目标，考虑超常载荷的最大Ｍｉｓｅｓ
表１设计变量及优化结果
Ｔａｂｌｅ１ＤｅｓｉｇｎＶａｒｉａｂＩ鹊ａｎｄ州ｉｍｉ捌ｉｏｎｎｅｓｕＩｔｓ
侧梁Ｅ盖板
侧梁腹板
侧梁Ｆ盖板
侧梁内部筋板
轴箱圆筒状立板
纵梁上盖板
纵梁下盖板
纵梁腹板
空簧座板
转臂定位座侧板
９．０
９．Ｏ
１３．１
７．５
７．５
９．０
９．Ｏ
９．０
１４．３
Ｊ３．５
应力约束和三个关键部位焊接接头（图４）疲劳累积损伤约束。
该问题的优化模型为
使ｍ（￡ｉ）一ｍｉｎ
满足ｓ１≤２０８１
Ｄ１≤ｃｌ，Ｄ２≤ｃ２，Ｄ３≤ｃ３｝（４）
￡ｉ『：ｌｉ。
≤￡ｊ≤ｆｉ。
Ｊ
式中：ｍ（ｆ！）为构架质量；￡ｉ为设计变量（板厚）；ｆｉ一，ｏ涮。
为设计变量的上下限；５ｌ为超常载荷的最大Ｍｉｓｅｓ合成应力；Ｄ１为管接头疲劳累积损伤；Ｄ２为侧梁Ｔ形接头疲劳累积损伤；Ｄ３为定位座与侧梁相连的Ｔ形接头疲劳累积损伤；Ｃｌ，Ｃ２，Ｃ３为常系数取０．８。
国际铁路联盟ＵＩＣ５１５—４—１９９３标准中转向架疲劳载荷分三段加载，即１倍、１．２倍和１．４倍的载荷循环６×１０６，２×１驴和２×１０６次。
根据焊接接头的具体形式得到Ｉ研标准中对应的Ｓ一Ⅳ曲线数据，基于累积损伤理论采用式（３）计算焊接接头的疲劳试验累积损伤值，即
‰：巍半华】：堕警业＋
ｉ＝ｌ
ｕＶ
２丕！鲎ｉ！１２垒旦２１．２茎！堂（！：垒垒星）：ｒ钔
Ｃ
’
Ｃ
…７式中：ｎｉ为疲劳载荷循环次数；△尺为１倍疲劳载荷作用下焊接接头的名义最大主应力范围；ｍ为Ｓ一Ⅳ曲线斜率；ｃ为５一Ⅳ曲线常系数。
４．３焊接构架抗疲劳优化设计结果
对焊接构架的疲劳损伤约束优化模型，采用拉丁超立方法对１０个设计变量进行１２０次试验设计，对各响应变量分别创建炳ｇｉｎｇ近似模型，在近似模型上应用序列二次规划算法进行优化设计，设计变量的优化结果见表ｌ，优化前后结果对比见表２，表
ｍ
惦
坫
坫
惦
垢
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硒
∞
加
２
２
６
Ｏ
Ｏ
２
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２
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８
菱零。