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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【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.期刊名称】航空制造技术年(卷),期】2016(000)011【总页数】6页（P51-56） 【关键词】 焊接结构;疲劳强度;疲劳评定方法【作 者】 张彦华;刘娟;杜子瑞;陶博浩【作者单位】 北京航空航天大学机械工程及自动化学院,北京 100191;北京航空航 天大学机械工
2、程及自动化学院,北京 100191;北京航空航天大学机械工程及自动化 学院,北京 100191;北京航空航天大学机械工程及自动化学院,北京 100191【正文语种】 中 文焊接结构的疲劳往往起源于焊接接头细节局部应力应变集中区域裂纹萌生和扩展。 其中焊接接头细节疲劳裂纹的萌生由焊趾（或焊根等）应力集中区的局部应力应变 状态所决定，而疲劳裂纹扩展则与裂纹（包括缺口效应在内）的局部应力强度因子 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
3、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结构构造细节， 其次是材料性质和焊接质量，而载荷循环特性的影响相对较小4。因此，以名义 应力为基础的焊接结构疲劳设计规范通常是基于应力范围和结构细节分类进行疲劳 强度设计5，焊接结构设计疲劳载荷应力范围AoD不得超过特定结构细节规定的
4、 疲劳许用应力范围AS,即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-N 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-N 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-N 曲线的斜线部分，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
5、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 S-N 曲线。焊接接头的疲劳强度与接头构造形式存在相关性，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-N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-N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
6、型接头具有不同的疲劳质量等级或疲劳许用应力。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.1 Relationshipbetween the nominal stress range and the cycle number of butt joint and cross type joint图 2 焊趾区结构应力的分解 Fig.2 Decomposition of structural stress in the weld toe area图 3 热点应力的确定方法 Fig.3 Methods of determining hot spot stress 目前，有关焊接结构疲
7、劳设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-N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-N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：式中，C为常数。焊接件的疲劳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S2x106进行确定。例如FAT125表示疲劳
8、寿命为2x106时所对应的疲劳强度是S2x106=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-N 曲线。由于各种结构设计标准不同，不 同结构采用的焊接接头形式也存在很大差异，因此，对于复杂的焊接结构确定某一 具体焊接接头究竟应该归于哪一个疲劳等级还是比较困难的。一般是根据疲劳危险 区的主应力方向并结合该区域焊接接头的形式选择疲劳等级，同时要考虑焊接及其 他处理工艺的影响。在设计阶段，结构中疲劳强度要求不高的区域可以选择较低级 别的接头，疲劳强度要求高的区域就要选择较高级别的接头。在疲劳强度评定时， 同等载荷条件下
9、，要特别注意分析低级别接头的疲劳损伤。结构应力评定方法采用结构应力评定方法分析焊接结构疲劳强度时要求在名义应力计算的基础上进一 步考虑焊接结构中的非均匀应力分布情况，因而需要对结构中的应力进行详细计算 焊接节点的结构应力是指接近焊趾或焊缝端部的局部应力，也可称为几何应力，结 构应力的大小会受到焊接件整体几何参数的影响。一般而言，焊接接头局部区的应 力分布具有高度的非线性，其结构应力的增大可用结构应力集中系数来表示：式中，KS为结构几何引起的应力集中系数，on为名义应力。在结构应力不是很大的情况下，可采用厚度方向的应力分布线性化方法计算结构应 力7。如图2所示，结构应力分析时将厚度方向上的缺口应
10、力分离8，结构应力 为:其中，oS为结构应力；om为薄膜应力；ob为弯曲应力。结构应力的最大值又称为“热点应力”，“热点”一词来源于最大结构应力循环载 荷所引起的局部热效应9。在大多数情况下，热点区的表面应力（不考虑缺口效 应）即为结构应力。因此，通过在缺口效应不产生作用的构件表面一定区域内对结 构应力进行线性外插，可确定“热点应力”（图3）。根据热点应力评定焊接件疲劳强度的关键问题是如何获得焊接结构接头处的几何应 力和以热点应力表征的S-N曲线。一般而言，只有在结构应力集中比较大的情况 下，热点应力才适合作为焊接结构疲劳强度的评定参数，例如热点应力集中系数达 10 20的管节点结构。采用名义
11、应力评定方法校核焊接结构疲劳强度需考虑焊接节点的结构形式，根据焊 接节点形式选取相应的S-N曲线。对于形状复杂且难以准确定义名义应力的焊接 接头，由于疲劳寿命的分散性大，很难建立精确的S-N曲线。采用结构应力或热 点应力进行疲劳分析要建立不同结构细节“共用”的S-N曲线（Shs-N曲线）。 对于给定的材料，只要结构细节的热点应力相同，其疲劳强度就相当，不同热点应 力的结构细节疲劳强度之间具有比例关系。若已知某结构细节的热点应力（称为参 考热点应力ohs,ref）及疲劳等级（参考疲劳等级FATref）,拟评定结构细节的疲 劳等级FATassess）为：式中,ahs,assess为拟评定结构细节的
12、热点应力，可采用前述的计算方法进行计 算。这样就克服了名义应力法的不足，为各类结构细节的疲劳强度分析提供了方便。 应当指出，焊接构件的疲劳强度的因素在许多情况下不完全取决于结构应力而是缺 口应力，而结构应力分析时却把缺口应力分离（图2）。因此，结构应力评定不能 全面反映接头细节的疲劳行为，详细的疲劳分析还需要辅之以缺口应力分析。此外， 结构应力评定方法目前仅适用于焊接接头焊趾区的疲劳分析，对于裂纹起始于焊根 或未焊透等处的疲劳分析则受到限制。图 4 焊接接头的缺口效应 Fig.4 Notch effect of welded joint图 5 焊接接头的缺口应力分布 Fig.5 Stress
13、distribution of welded joint 缺口应力应变评定方法 缺口应力评定方法是名义应力和结构应力评定方法的发展与延伸，这种方法认为焊 接接头的疲劳破坏始于应力集中处的最大应力区，局部应力应变循环是疲劳裂纹萌 生和扩展的条件，只要局部应力应变循环参量相同，其疲劳性能就相同。这种方法 的原理是将应力集中区应力场的“局部参量”作为疲劳控制参量，建立“局部参量” 与循环次数之间的关系10。构件中的缺口是典型的应力集中问题，其他应力集中现象可以等效为广义缺口，应 力集中对构件强度的影响称之为缺口效应。一般而言，缺口愈尖锐，应力集中系数 愈大，应力梯度也愈大。焊接结构中因焊缝外形导致的
14、应力集中对结构强度的影响， 称为焊接接头的缺口效应（图4,p为缺口的曲率半径，e为缺口角）。缺口应力是焊接接头应力集中区的峰值应力，图5所示为焊趾缺口区正应力沿板 厚方向的分布，缺口应力可分解为膜应力（om）、弯曲应力（ob）与非线性应力 峰值（op）。在高周疲劳范围，缺口应力对于裂纹萌生和裂纹扩展的初始阶段虽不是唯一的影响 因素，但往往是决定性因素。采用缺口应力范围可将不同接头类型的S-N曲线归 一化，较结构应力评定方法更进一步11。弹性缺口应力往往超过材料的屈服应力形成弹塑性区, 裂纹在塑性区中的扩展速率 和在弹性区中的扩展速率有很大的不同，此时需要考虑缺口区的弹塑性应力应变。 按照弹塑性
15、缺口应力应变分析法的观点，若缺口顶端区的局部应力应变相同，则构 件的疲劳寿命也必然是相同的。因此，对于具有应力集中的构件，可以根据光滑试 样的应变-寿命（低周疲劳）曲线计算应力集中构件的疲劳寿命，当然也可以使用 局部应力应变相等的试样进行疲劳试验来模拟（图6）。在获得构件应变集中区的 局部应力应变和材料疲劳试验数据的情况下，依据这种方法便可以估算得到其裂纹 萌生寿命，随后运用断裂力学方法可计算得出裂纹扩展寿命，裂纹萌生寿命与扩展 寿命叠加即为构件的总寿命。在焊接接头中，焊缝与母材连接过渡外形变化以及焊接缺陷都会引起应力集中而产 生缺口效应（图7），可采用弹塑性缺口应力应变分析方法计算这类焊接接
16、头的疲 劳裂纹萌生寿命。应注意的是焊缝及热影响区的组织对s-N曲线有较大影响，其 裂纹萌生寿命亦有所差异。应用局部应力应变法估算疲劳寿命需要对应力集中引起的局部应变进行分析。局部应变可根据Neuber法进行计算。图8给出了应用局部应力应变法对焊接接头疲 劳进行分析的过程。图 6 局部应力应变法 Fig.6 Local stress strain method图 7 焊接接头缺口应力应变模拟 Fig.7 Simulation of notch stress and strain in welded joint图8局部应力应变法在焊接接头疲劳分析中的应用Fig.8 Application of local stress strain method in fatigue analysis of welded joint 应当指出，含缺口构件的疲劳强度不仅与缺口端局部最大应
