焊接结构的疲劳评定方法.pdf

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1、焊接结构的疲劳评定方法张彦华，刘娟，杜子瑞，陶博浩(北京航空航天大学机械工程及自动化学院，北京100191)【摘要】焊接结构的疲劳强度是焊接结构完整性的重要保证。焊接结构的疲劳强度取决于整体结构构造及接头特征等因素，焊接结构的疲劳评定需要考虑焊接接头类型及局部力学行为等不同结构层次的作用。目前已发展了名义应力评定方法、结构应力评定方法、局部应力应变评定方法和断裂力学评定方法。关键词：焊接结构；疲劳强度；疲劳评定方法DOI：10．160800．issnl671—833x．2016．11．051、，k张彦华工学博士。北京航空

2、航天大学教授．主要从事焊接结构断裂控制与完整性工程分析等方面的教学与科研工作。度因子相关，即局部应力强度因子是焊接接头区疲劳裂纹扩展的主要控制参量。因此，焊接结构和焊接接头的疲劳强度评定需要从不同层次结构尺度进行分析。目前，焊接结构或焊接接头疲劳强度的工程评定已发展了几种层次结构尺度的方法[1-3]主要有名义应力评定方法、结构应力评定方法、局部应力应变评定方法和断裂力学评定方法。比较而言，名义应力评定方法又称为“整体法”，局部应力应变和断裂力学评定方法称为“局部法”，结构应力评定方法是整体法与局部法之间的过渡。本文综合介

3、绍了这几种方法在焊接结构疲劳评定中的应用。名义应力评定方法已有的研究表明，影响焊接接头疲劳强度的主要因素是应力范围和焊接结构的疲劳往往起源于焊结构构造细节，其次是材料性质和焊接接头细节局部应力应变集中区域接质量，而载荷循环特性的影响相对裂纹萌生和扩展。其中焊接接头细较小H。因此，以名义应力为基础的节疲劳裂纹的萌生由焊趾(或焊根焊接结构疲劳设计规范通常是基于等)应力集中区的局部应力应变状应力范围和结构细节分类进行疲劳态所决定，而疲劳裂纹扩展则与裂纹强度设计陋】，焊接结构设计疲劳载荷(包括缺口效应在内)的局部应力强应力范围A

4、盯。不得超过特定结构细节规定的疲劳许用应力范围[△跚，即△％≤[AS]。(1)焊接构件的疲劳许用应力范围是根据疲劳强度的试验结果，在考虑一定的安全系数的情况下确定的。现行的焊接构件疲劳强度设计标准中一般规定未消除应力的焊接件的疲劳许用应力范围可忽略平均应力的影响，但疲劳许用应力范围的最大值不得高于静载许用应力。名义应力评定方法是根据焊接结构细节的S一Ⅳ曲线进行疲劳强度设计，包括无限寿命和有限寿命设计两种方法【6】。无限寿命设计法是采用焊接件S一Ⅳ曲线的水平部分，即疲劳极限；有限寿命设计法使用的则是焊接件s一Ⅳ曲线的斜线部

5、分，即有限寿命部分。无限寿命设计时设计应力要低于焊接件疲劳极限，而有限寿命设计时设计应力一般高于焊接件疲劳极限，这时需要按照累计损伤理论来估算焊接结构总的疲劳损伤，因此，有限寿命设计要确定恒幅载荷作用下各类焊接结构细节的．蹦V曲线。焊接接头的疲劳强度与接头构2016年第11期·航空制造技术51髭论坛F。RuM造形式存在相关性，不同焊接接头的疲劳强度可以用疲劳质量等级进行分类，焊接接头疲劳质量分级是将各种接头分为不同的缺口等级并且对各缺口等级规定不同的S一Ⅳ曲线和工作寿命曲线。按照焊接件的构造、焊缝形式、加载情况及制造等级

6、进行分类后，可采用一族许用应力或持久应力值不同的标准S一Ⅳ曲线和工作寿命曲线来表征焊接件的疲劳质量等级，以此构成名义应力评定方法的基础。图1为对接接头和十字型接头的名义应力范围与循环次数的关系，表明对接接头和十字型接头具有不同的疲劳质量等级或疲劳许用应力。循蚪次数』、图1对接接头和十字型接头的名义应力范围与循环次数的关系Fig．1Relationshipbetweenthenominalstressrangeandthecyclenumberofbuttjointandcrosstypejoint目前，有关焊接结构疲劳设

7、计和评定的相关规范大多采用名义应力表征焊接构件及接头的疲劳强度。基于焊接接头细节特征的焊接结构疲劳强度分类体系不断得到发展，焊接接头疲劳质量分级方法也不断完善，这对各类焊接结构疲劳强度的工程评定具有重要意义。国际焊接学会提出的有关焊接结构和构件疲劳设计推荐标准建议将焊接接头的疲劳设计要求或内在疲劳强度用s一Ⅳ曲线族来分级，分别表征不同焊接结构细节疲劳质量等级。所有级别的S一Ⅳ曲线在双对数坐标系中互相平行，每条曲线的应力范围和循环次数的关系为：52航空制造技术·2016年第11期9Ⅳ=C，(2)式中，c为常数。焊接件的疲劳

8、质量等级依据疲劳寿命为2x106(循环次数N)所对应的应力范围是。。06进行确定。例如FATl25表示疲劳寿命为2×106时所对应的疲劳强度是是。106=125MPa。采用名义应力方法评定焊接结构的疲劳强度时，应根据焊接件的构造、受力方向和焊接工艺，选取合适的疲劳质量等级S一Ⅳ曲线。由于各种结构设计标准不同，不同结构