焊接工程师课程-IWE-3-3.14-15动载焊接结构的设计.ppt

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1、2010第29期国际焊接工程师班编稿-上海交通大学陈立功IWE-3/3.314-15动载焊接结构的设计1、焊接结构疲劳强度设计的一般原则（总则：排除或减小应力集中的影响）动载结构设计三步曲（1）考虑实用性的功能设计：提出结构承载能力、强度、刚度、腐蚀度、寿命的具体要求。不高不低，兼顾安全性和经济性；（2）方案设计：在了解动载状况和寿命要求的前提下确定材料、构造、工艺等综合设计方案；（教材中的“传递、自动化程度、控制方式”等应转化为动载状况问题）（3）施工图设计：动载焊接结构、焊接接头的合理选择及细部重要尺寸的正确计算。动载结构设计强调（重视应力集中的现实）（1）焊接接头（属刚性连结）由于

2、连结形式、焊接变形、焊接缺陷等导至应力集中和存在焊接残余应力的必然性。（2）动载对应力集中的敏感性；残余应力与动载最大应力叠加的可能性。动载结构设计注意点（排除和减小应力集中）（1）承受拉、弯、扭构件，在截面面积变形时的平缓过渡，避免附加应力和应力集中；（2）对接、角接、丁字、十字接头等，优先采用对接焊缝，少用角接焊缝；（3）由于单面搭接接头角焊缝的焊根、焊趾存在偏心弯矩和应力集中，尽量避免使用；（4）角焊缝和非溶透对接焊缝的焊根、焊趾是危险的应力集中位置。通过开坡口加大熔深减小焊根部的应力集中；通过对焊趾的加工（圆滑打磨、重熔等）减低应力集中；（5）在拉应力场的焊根、焊趾端部或应力集中

3、处，开应力缓和槽、孔。12010第29期国际焊接工程师班编稿-上海交通大学陈立功IWE-3/3.314-15动载焊接结构的设计2、疲劳强度的许用应力设计法（传统方法）我国原钢结构设计规范，对基本计算和连结的疲劳计算采用疲劳许用应力：（1）许用应力的确定通过试验确定材料和结构的疲劳强度或疲劳极限（r=0；特定疲劳N次的σd或N足够大时σd）；按存活率（一般结构：97.7％，特重要结构99.99%)和疲劳循环次数（如2×106次）确定疲劳确定σr。疲劳强度的许用应力为：[σrp]=σr/n式中n为安全系数；存活率：使用周期终了构件安全水平指数，查表或计算获得。（p7/14页)（2）最大疲劳工

4、作应力为：σmax≤[σrp]（3）传统方法存在的问题未考虑疲劳载荷的积累效应；未考虑过载峰值对疲劳寿命的影响；未考虑变化的不确定因素，已把这些不确定因素涵盖在安全系数n内。22010第29期国际焊接工程师班编稿-上海交通大学陈立功IWE-3/3.314-15动载焊接结构的设计3、焊接结构的寿命设计3.1疲劳裂纹的亚临界扩展静载条件下，按线弹性断裂力学，对初始裂纹a0只有在σmax=σ0>σC，即K>K1C时，才会失稳扩展；在疲劳载荷下，初始裂纹a0在循环载荷σmax=σ0<σC,裂纹就会缓慢扩展；初始裂纹a0扩展到临界裂纹aC的过程，称疲劳裂纹的亚临界扩展阶段。研究疲劳裂纹亚临界扩展规

5、律对疲劳设计、疲劳寿命确定具有重要理论意义和实用价值。3.2疲劳裂纹扩展规律两种设计原则（1）按疲劳裂纹发生寿命设计：以积累损伤不产生疲劳裂纹为限度。（2）按疲劳裂纹扩展寿命设计：以积累损伤，疲劳裂纹不失稳扩展为限度。σcσa0aca0aC失稳扩展亚临界扩展32010第29期国际焊接工程师班编稿-上海交通大学陈立功IWE-3/3.314-15动载焊接结构的设计疲劳裂纹扩展速率计算公式一般公式：da/dN=f(a,σ，C）N疲劳次数，a裂纹长度，σ疲劳应力，C材料常数帕瑞斯（Paric)公式：da/dN=C(△K）n△K应力强度因子幅度（△K=Kmax-Kmin),n=2～7(塑性～脆性）

6、帕瑞斯认为：K是裂纹尖端的应力强度因子，故也是裂纹扩展速度的重要参量。10－210－110－3da/dN,mm/次10－4500150020001000△K，/mm3/2对无限大薄板：K=σ（πa)^(1/2)△K=△σ(πa)^(1/2)按帕瑞斯公式，亚临界扩展速率不受试验几何形状和加载方式的影响，只受应力强度因子幅值的影响。其过分强调△K和△σ作用，而忽视了Kmax的增大，特别是Kmax趋近K1C时对裂纹扩展的加速作用。42010第29期国际焊接工程师班编稿-上海交通大学陈立功IWE-3/3.314-15动载焊接结构的设计福曼（Forman)修正公式：da/dN=C(△K)n/((1

7、-r)K1C-△K)=C(△K)n/((K1C-Kmax)△K/Kmax)=C(△K)nKmax/((K1C-Kmax)△K)由于引入循环特征系数r，能更好描述不同r的疲劳裂纹扩展规律。裂纹扩展速率是C、r、△K和K1C的函数，K1C越大da/dN越小。10－210－110－3da/dN,mm/次10－4500150020001000△K，/mm3/2R=0.1050.2310.3330.4550.5245r=σmin/σmax=(