焊接结构疲劳

结构的疲劳破坏经历三个阶段： • 第一阶段：裂纹的萌生阶段。 疲劳裂纹的萌生是由局 部塑性应变集中引起而产生的。在交变应力作用下，由 于焊缝附近材料组织的不均匀性，疲劳裂纹在金属表面 滑移带或缺陷区形成，而后疲劳裂纹立即开始向金属内 部扩展，其扩展方向通常与主应力轴成45°。这一阶段 的疲劳裂纹由最大剪应力控制。 • 第二阶段：裂纹的扩展阶段。 疲劳裂纹按第一阶段扩 展一定距离后，扩展方向发生变化，它沿与主应力垂直 方向扩展，这时裂纹扩展主要受主应力控制。 • 第三阶段：裂纹失稳扩展阶段。 它与前两个阶段不同， 是在一瞬间突然发生的，主要是由超载所引起的。其本 质是因疲劳损伤累计，达到损伤临界值的结果。
当外加循环应力应变位材料进入塑性后，由于反复 产生塑性变形，金属的塑性流动特性改变，材料抵抗 变形的能力增加或减小，这种现象称为循环硬化或循 环软化。循环加载有两种控制方式：应力控制和应变 控制。在应力控制下，对循环硬化材料，其应变不断 减小；对循环软化材料，其应变则不断增加。在应变 控制下：对循环硬化材料，其应力不断增加：对循环 软化材料，其应力则不断减小。 σs / σb < 0.7—循环硬化材料， σs / σb>0.8—循环软化材料， 在0．7一0．8之间的材料就有可能是循环硬化材料， 也可能是循环软化材料。）
第二章 疲劳累计损伤理论
2.1 疲劳累计损伤理论 在许多情况下所得到的疲劳试验数据，都是在常幅疲劳下获得的。而实际的结构，其受载往往是很复 杂的，为了预测这些结构的疲劳寿命，就必须研究疲劳累计损伤问题。 Miner 线性累计损伤法则： 设构件的 S—N 曲线为已知， 在常应力幅σ 作用下， 构件的寿命为 N 。 若在应力幅σ 下循环 1次， 1
k
是应力幅σ a 2 下的疲劳
损伤曲线，其表达式为 D = n N 临界值所对应的点。
k2
。这里 σ a1 >σ a 2 , k1 < k2 。P 点表示损伤
若构件在 σ a1 作用下循环 n1 次以后，再在 σ a 2 作用下循环 n 2 次时破坏， 则损伤路径为 OABP，其循环数比值累计为 OA 和 BP 之和，用方程 式可表示为：
1.4.4
循环σ
循环σ
−ε 曲线是通过应变疲劳（或称低周疲劳）
−ε 曲线
试验确定的。其基本做法是：把应变幅ε a 控制在不同 的水平上， 在保持应变比 R = − 1的条件下进行循环加载， 得到一系列大小不同的稳定的迟滞回线， 连接这些迟滞 回线的顶点就是材料的循环σ 中的虚线是单调的σ
−ε 曲线。
2 × 107
图中的水平段表示材料经无限次应力循环而不破坏，与此相对应的最大应力表 示光滑试样的疲劳极限σ −1 。有的材料（如铝合金）的 S-N 曲线没有水平段， 常以一定的破坏循环数（如 N = 2 ×107 ）对应的最大应力作为条件疲劳极限。
绘于双对数坐标系上的 S-N 曲线，可以近似地 看作由两条直线组成，如图。S-N 曲线的斜线 部分的方程式为σ im Ni = C ， 式中的 m 和 C 是材料 常数。两直线的交点的横坐标用 N 0 表示，称为 “循环基数”。其右边的区域为无限寿命设计区 域，左边的区域为有限寿命设计区域。
如何得到S-N曲线 ：标准试样的疲劳试验，一般是 在控制载荷或应力的试验条件些，用旋转弯曲疲 劳试验机来做的。试验中记录试样在某一循环应 力作用下到达破坏时的循环数或寿命N，这里的 破坏是指断裂。对一组试样施加不同应力幅的循 环载荷，就得到一组破坏循环数。以循环应力中 的最大应力σ为纵坐标，破坏循环数N为横坐标， 根据试验数据，用最小二乘法可绘出曲线，即SN曲线。如图。
−ε 曲线。如图所示。图
循环应力-应变曲线随材料 （循环硬化材料还是循环软化材料） 而不同， 它反映材料在低周疲劳时的稳定应力和应变的响应特性，同时也是与 静态单调拉伸或压缩时得到的单调应力-应变曲线进行比较的一种有 效参量。
1.5 S-N曲线
• 当施加于结构的交变载荷经过一定的循 环次数N以后，构件发生疲劳断裂。循环 次数N称为疲劳寿命。对试件用不同载荷 进行多次反复加载实验，可测得在不同 载荷下试件的疲劳寿命，得到应力与寿 命的一系列关系，将这种应力—寿命关 系的曲线描绘出来，就是构建的疲劳寿 命曲线，通常称之为S—N曲线。
• P-S-N曲线： 对于给定的构件，在不同应力水平下， 各进行一组疲劳试验，从而可得各应力水平下，疲劳寿 命的概率分布曲线。一般认为，疲劳寿命在次以内，疲 劳寿命服从对数正态分布和威布尔分布。这样，即可求 得给定存活率P时的对数疲劳寿命，将不同应力水平下 具有相同存活率的各点相连所得曲线，就是构件的P-SN曲线。如图所示。 •
在许多工程结构中所采用的焊接头主要 是板接头，而在海洋工程结构及高层建 筑等焊接结构中常采用焊接管节点 。
1.3 疲劳断裂的基本特征 焊接结构受交变载荷作用，在结构几何 变化处产生应力集中，尤其是在焊缝附近 存在气孔，咬边，微裂纹等几何缺陷，这 些地方的应力集中程度更高。由于应力集 中使得焊接结构局部范围内的应力达到较 高的水平，从而使得这些部位首先出现裂 纹并扩展直至结构破坏。
• 1.4.2 包辛格效应 • 金属加工硬化具有方向性，在拉伸变形后，继 续拉伸变形比较困难，但此时压缩变形反而变 得容易了。反之，先压缩变形然后再进行拉伸 变形，屈服极限将有所降低。这种现象称为包 辛格效应。 • 1.4.3 循环硬化和软化 • 应力（应变）随循环数的增加而增大，然后 达到稳定的状态称为循环硬化。
• 1.4 • 1.4.1
循环σ −ε 曲线 循环加载的迟滞回线
线，称其为单调σ −ε 曲线。
加载得到，为区别以后提到的循环加载得到的σ −ε 曲
左图为真实应力-应变曲线 OAD，是由拉伸试验单调
如果拉伸载荷加到 A 点后卸载为零，再加上绝对值相 等的压缩载荷， 则曲线从 A 点开始先以斜率为 E 的斜直 线下行，然后开始反向屈服到 B 点（如右图） 。如到 B 点后又重新加载，则以斜率 E 上升然后屈服，返回到 A 点。加载和卸载的应力-应变迹线 ABA 形成一个闭环， 称为迟滞回线或滞后环。
•
• （3）断裂力学方法 对于焊接结构，由于焊缝内常常 有气孔，裂纹，夹渣等缺陷，人们用断裂力学理论建立 焊接结构的损伤容限设计方法，预测焊接结构的疲劳裂 纹扩展寿命。由于焊缝内裂纹的复杂性，材质的不均匀 性，裂纹扩展的特殊规律等诸多问题的存在，使得该法 预测变得十分复杂。随着断裂力学理论研究的进一步深 入，断裂力学方法必将得到更大地发展。 • （4）损伤力学方法 构件的疲劳破坏其本质是构件 的累计损伤发展到临界损伤值得结果。有关损伤力学的 研究，目前大部分主要还是限于材料的损伤，对于焊接 结构的损伤研究还无法涉及。
1.2 焊接接头的基本类型 根据结构连接的需要，在焊接结 构中可以采用不同形式的焊接接头， 通常的焊接结构有板接头和管接头两 大类。板接头中有对接接头，T形接 头，角接头和搭接头四种基本形式。 其结构示意图分别如图1.1~图1.4所 示。
管接头中有T型管节点，Y型管节点，X型管节 点，其结构示意图分别如图1.5~图1.8所示。
• 疲劳：材料、零件和构件在循环加载下，在某点 疲劳：材料、零件和构件在循环加载下， 或某些点产生局部的永久性损伤， 或某些点产生局部的永久性损伤，并在一定循环 次数后形成裂纹 裂纹、 次数后形成裂纹、或使裂纹进一步扩展直到完全 断裂的现象。 断裂的现象。 • 材料承受交变循环应力或应变时所引起的局部结 构变化和内部缺陷发展的过程。 构变化和内部缺陷发展的过程。 • ISO：金属材料在应力或应变的反复作用下所发生 ： 的性能变化。 的性能变化。 • 特点：一定循环次数； 特点：一定循环次数； • 交变循环应力， 应力水平低于屈服强度； 交变循环应力， 应力水平低于屈服强度； • 永久性破坏； 永久性破坏；
n
a1
a1
பைடு நூலகம்
则构件的疲劳损伤量 D 为：
1
D= 1
n1 N1
若在常应力幅σ 作用下，构件的寿命为 N2，再在应力幅σa2 循环 n2次， 构件的疲劳损伤量 D 为： 2
a2
D2 =
n2 N2
当构件在σa1作用下循环 n 次，再在σa2 作用循环 n2次以后破坏，则构件的寿命为： 1 破坏时损伤量 D=1，将上述结论推广到多级载荷情况，有： n n n1 n2 nn =1 + +·· ··+ 即 ∑ i =1 N1 N2 Nn i=1 Ni 这就是疲劳累计损伤理论的线性方程式。 D=
• 下图表示的是等幅应力-时间历程。图中标出 了疲劳强度设计中所用的一些符号，以说明 最大应力、最小应力、应力幅、平均应力和 应力幅度的定义。这些参数之间的关系为
σa=（ σmax-σmin）/2 σm=（ σ max+σmin）/2 σmax=σm+σa σmin=σm-σa △ σ=2σa
拉应力取正值，压应力取负值。常用的应力比为
∑N
n
=
n1 n + 1 − 2 N1 N2
（2.6）
若构件在 σ a 2 作用下循环 n2 次以后，再在 σ a1 作用下循环 n1 次时破坏，则损伤路径为 OBAP 其循环数比值累计为：
• 常按破坏循环次数的高低将疲劳分为两类： • ①高循环疲劳（高周疲劳）。作用于零件、构 件的 应力水平较低 ，破坏循环次数一般高于 104～105的疲劳 ，弹簧、传动轴等的疲劳属此 10 类。 • ②低循环疲劳（低 周疲劳）。作用于零件、构 件的应力水平较高 ，破坏循环次数一般低于 104～105的疲劳，如压力容器、燃气轮机零件 等的疲劳。
n1 n2 + N1 N2
• 线性累计损伤理论有两点不足： • 第一，该理论不考虑各级载荷间的相互作用； 第二，不考虑在作用下循环次以后，结构的疲 劳极限要发生改变。 • 尽管如此，它仍然是目前工程上应用最广的公 式。 • 由于线性累计损伤法则存在某些不足，因此许 多学者试图寻求新的非线性累计损伤理论，他 们各自从不同的角度建立了相应的疲劳损伤规 律。下面介绍一种非线性损伤公式。
r=σmin/σmax r=-1
为对称循环应力；r≠-1 的各种循环应力统称为不对称循环应力
1.6 预测构件疲劳寿命的基本方法 • 由于影响构件疲劳性能的因素很多，因为使得预测疲劳 寿命变得十分复杂，目前，预测构件的疲劳寿命主要有 以下几种方法： • （1） 名义应力法 其基本思想是以名义应力为控制 参数。通过疲劳试验获得S—N曲线，通过载荷谱分析 及损伤法则，即可计算构件的疲劳寿命。优点是具有较 高的可靠度，得到广泛应用；缺点是费时费力，很不经 济。 • （2） 局部应力应变法 它是基于决定构件疲劳强度 和寿命的主导因素是应力应变集中区德局部应力和应变 这种思想，并假定只要局部应力应变相同，其疲劳寿命 就完全一致。因而只要知道构件的局部应力应变就可以 通过光滑材料试件的S—N曲线来预测构件的疲劳寿命。 值得注意的是，该法计算的寿命是裂纹形成寿命而非总 寿命。 •
焊接结构疲劳 断裂与寿命预测
第一章 绪论
1.1 疲劳断裂及寿命预测研究的意义 焊接是许多重大结构的主要连接方式，焊接结构在 航空航天、电力、机械、船舶与海洋工程中得到广泛 应用。通常许多焊接结构都受交变载荷的作用。大量 的研究表明，受交变载荷作用的构件，在工作应力低 于材料的静强度，甚至低于材料的屈服强度条件下， 经历了一定的循环次数的交变载荷以后，可能发生突 然断裂，从而产生灾难性的事故，结构的这种破坏形 式，也就是我们所熟悉的疲劳断裂现象。为了保证焊 接结构在服役期间的安全性，研究其疲劳断裂特性， 预测它们的疲劳寿命，为工程应用提供科学的指导， 具有重要意义。
一些专家研究出疲劳损伤 D
可用指数方程式表示： D = n N
k
（2.5）
式中 k 为大于 1 的常数，应力水平愈低，k 值愈大；应力水平愈高， k 值愈接近于 1. 如图，OP 是疲劳累计损伤线性方程，OAP 是在应力幅σ a1 下
n1 的疲劳损伤曲线，其表达式为 D = ；OBP N