细节与疲劳寿命(ok)

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1、焊接接头细节与疲劳寿命大连交通大学兆文忠2005年9月主要内容二个基本概念(1)应力范围(2)名义应力与几何应力2.几个简单对比3.从应力集中的力学本质看细节4.从S-N曲线的数学属性看细节5.“失之毫厘，差之千里”的寿命验证举例1二个基本概念1.二个基本概念(1)应力范围最近20余年的研究表明,结构焊缝及其附近存有达到或接近屈服点的残余应力,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只能用应力范围

2、的概念来表述。1二个基本概念(2)名义应力与几何应力名义应力，或称为标称应力，是焊接接头焊缝附近的平均应力。可以贴片测得，也可以用有限元方法获得。几何应力，或称为热点应力，是焊缝接头焊缝焊趾处的非线性尖峰应力。很难用贴片测得，但可以用适当的有限元方法获得。与应力类别对应的评估标准：AAR标准、BS标准、IIW标准中主要提供基于名义应力（或标称应力）的S-N曲线。IIW中提供了很少量的基于几何应力的S-N曲线，且主要用于管形接头。2几个简单对比2.几个简单对比(1)与抗拉强度相比，材料疲劳极限远低于。近似计算公式为：2

3、几个简单对比锻钢——=（0.3~0.6）(MPa)其（0.3~0.6）的变化取决于显微组织(2)与母材相比，焊接接头疲劳极限很低。例：十字焊接接头，母材料：=520MPa,=162MPa，接头MPa(3)与同样形状的焊接接头相比，不注重工艺细节的疲劳极限更低。焊接接头疲劳极限的递退公式：其中，——抗拉强度的影响因子（见近似公式）2几个简单对比——焊接接头影响因子——焊接接头工艺细节影响因子其中，=（应力集中，焊接缺陷，拉伸残余应力，……）=（起弧、收弧位置，焊缝是否连续，焊缝是否打磨，……）注意，，与均小于1。集中精

4、神!3从应力集中的力学本质看细节焊接接头的疲劳强度主要取决于焊缝形式和焊接工艺。影响焊接接头的疲劳强度的主要因素：应力集中，表面加工，焊接残余应力，焊接缺陷，加载方式，尺寸因素等。其中应力集中和焊接残余应力是影响焊接接头的两大主要因素。例1:3从应力集中的力学本质看细节例2:3从应力集中的力学本质看细节例3:当受力件上焊有各种结构件和连接件（角板、连接板、肋等）时，焊缝本身不传力，但由于受力件的截面发生了急剧变化，在被连接件的边缘产生了应力集中，疲劳强度急剧下降。理论解释：以小孔应力集中为例：孔边应力集中，绝不是由于

5、截面减少了一些而导致应力有所增加。即使是截面比无孔时只减少百分之几或千分之几，应力也3从应力集中的力学本质看细节会集中到若干倍，例：类似地，对接平焊缝接头凸起高度h的增加使该处截面面积增加很少，但应力集中亦很严重，而且应力集中还与凸起的角度相关，当凸起越突然，应力集中越突出。上述两个例子，用面积的变化来解释应力集中是解释不通的。事实上，应力集中不过是现象，本质是刚度的突然变化所致。3从应力集中的力学本质看细节以简单的对接平焊缝轴向拉伸为例：（为拉压刚度，表示沿x方向截面面积不是常数）（一般情况下，u=ax+b，因而ε

6、为常数）积分后，有：3从应力集中的力学本质看细节本质上，u与拉压刚度互为倒数关系，因此，的微小变化，必然导致u产生急剧变化，应力集中由此引发。重要启发：治理影响疲劳强度的应力集中，应从协调刚度出发。因为刚度不协调是导致抗疲劳能力下降的根本原因。由此可以解释以下事实：（1）为什么重要焊缝必须打磨；（2）为什么不同板厚板宽必须渐变过渡；（3）为什么尽力避免搭接接头形式的补强；（4）为什么重要承力结构不可随意焊接吊挂。总之，治理应力集中不应是简单地降低应力水平，而是协调刚度，应力集中是现象，刚度不协调是本质。4从S-N曲线

7、的数学属性看细节S-N曲线（母材或接头）抵抗疲劳能力的数学描写：式中，m与c为取决于母材或接头的材料常数。因此，寿命与应力（或应力范围）的数学关系是：4从S-N曲线的数学属性看细节显然，二者互为高度非线性的双曲线型关系，且有敏度公式：可见，σ的微小变化，都将导致寿命N有很大变化：结论：刚度不协调导致应力突变，应力突变必然导致寿命突变。5“失之毫厘，差之千里”的寿命验证举例以下三个算例取自于IIW标准中三个普通接头。以下图与表中的信息可以将具体的焊接接头FAT等级转化为具体的可以计算疲劳寿命的S-N曲线。5“失之毫厘，

8、差之千里”的寿命验证举例5“失之毫厘，差之千里”的寿命验证举例例1.盖板加强时焊缝磨削与不磨削对疲劳寿命的影响对比根据国际焊接学会标准（IIW）5“失之毫厘，差之千里”的寿命验证举例5“失之毫厘，差之千里”的寿命验证举例两种接头形式寿命比较（）工艺条件不磨削磨削FAT级别565045716356绝对寿命1.626e61.157e60.844e6