最新动载焊接结构设计ⅱ(疲劳强度寿命计算)

动载焊接结构设计

ⅱ(疲劳强度寿命计算)

****动载焊接结构的设计

思考题6：应该如何进行焊接结构的疲劳强1、焊接结构疲劳强度设计的一般原则

设计过程可分为以下三个步骤：

⑴考虑实用性，进行功能设计根据结构未来的工作情况，合理地提出结构的承载能力、强度、刚度、耐蚀度、使用寿命等比较具体的要求。考虑安全性，这些要求不能太低；考虑经济性，这些要求也不能过高。

⑵进行方案设计根据上述要求，选择确定结构材料、结构构造形式、传动形式、自动化程度、控制方式、生产制造工艺等综合设计方案，它们互相联系，又互相制约；

⑶进行具体的施工图设计绘图前，进行必要的计算，以便确定结构的重要尺寸。我们要讲的是如何合理选择动载焊接结构、焊接接头的结构形式和怎样进行必要的计算。

设计动载焊接结构必须特别强调两点：①“动载”，对应力集中非常敏感；②焊接接头属于刚性连接形式，对应力集中也比较敏感。而且“焊接结构”难免有焊接残余应力、变形、焊接缺陷等，存在应力集中现象。

因此，设计动载焊接结构时，必须注意以下几点：

⑴承受拉伸、弯曲、扭转的构件，截面面积变化时，尽量保持平顺、圆滑的过渡，尽量防止或减小构件截面刚度突然变化，避免造成较大的附加应力和应力集中。

⑵对接、角接、丁字、十字接头等，均应优先采用对接焊缝，少用角焊缝；

⑶单面搭接接头角焊缝的焊根、焊趾处，既有偏心弯矩的作用，又有严重的应力集中，承受疲劳载荷的能力很低，必须尽量避免采用这种接头形式；

⑷ 承受疲劳载荷的角焊缝（未焊透的对焊缝，也看作角焊缝），危险点在应力集中比较严重的焊缝根部或焊趾处。应采用如下措施：① 开坡口，加大熔深，减小焊缝根部的应力集中；② 将焊趾处加工成圆滑过渡的形状，减小焊趾的应力集中；

⑸ 处于拉应力场中的焊趾、焊缝端部或其它严重的应力集中处（如裂纹），应设置缓和槽、孔，以便降低应力集中的影响。

总之，应采取一切措施，排除或减小应力集中的影响。

2、疲劳强度的许用应力设计法

我国钢结构标准，原设计规范基本金属及连接的疲劳计算中，采用疲劳许用应力。 ⑴ 许用应力的确定 先通过实验测定材料、结构的疲劳强度或疲劳极限，再按存活率（一般结构97.7％，特重要结构99.99％）和疲劳循环次数（如2×106次）确定疲劳强度r σ；疲劳强度的许用应力 []n r p r σσ= 式中： n - 安全系数；

⑵ 设计原则 最大疲劳工作应力max σ≤许用应力[]p r σ

⑶ 缺点 ① 没有考虑疲劳载荷的累积效应； ② 没

有考虑过载峰对疲劳寿命的影响； ③ 没有考虑千变万化

的不确定因素。过去把这些不确定因素的影响，涵盖在安全系数里，加以考虑。电站两例

3、 焊接结构的疲劳寿命设计

⒊1 疲劳裂纹的亚临界扩展 一个初始裂纹0a 的构件，只有载荷应力达到临界值C σ时（图1），亦即当裂纹尖端的应力强度因子1K 达到临界值C K 1时，才会失稳破坏。

图1 亚临界裂纹扩展思考题7：何谓焊接结构的疲劳寿命？如何设计才能保

一个有初始裂纹0a 的构件承受C σσσ<=0max 的循环应

力时，裂纹会发生缓慢扩展。初始裂纹0a 扩展到临界裂纹

C a 的过程，称为疲劳裂纹的亚临界扩展阶段。研究疲劳裂纹

亚临界扩展规律，对结构的疲劳寿命设计和确定现役结构的

疲劳寿命，具有重要的理论意义和实用价值。

⒊2 疲劳裂纹扩展规律

疲劳寿命设计有两种设计原则：

⑴ 按疲劳裂纹发生寿命设计：该设计法以积累损伤不

产生疲劳裂纹为限度。

⑵ 按疲劳裂纹扩展寿命设计：该设计法以积累损伤，

疲劳裂纹不失稳为限度。（如某水电厂发现水轮机蜗壳上有

一个较长的裂纹……为例）

疲劳裂纹扩展速率计算公式：

一般公式：()C a f dN da ,,σ= C ：与材料有关的系数

帕瑞斯公式：()n K C dN da ?= 2=n ～7（塑～脆） 对于无限大薄板：a K πσ= ∴ a K πσ?=?

帕瑞斯的实验结果如图2，可见亚临界裂纹扩展速率不

受试样几何形状和加载方式的限制，各实验点都落在一条直

线上，裂纹扩展速率直接接受应力强度因子幅值K ?的控

制。但图3的结果说明，K ?相同，r 不同，裂纹扩展速率

并不相等，这说明，帕瑞斯公式过分强调了σ?，即K ?的图2 不同加载方式的实验结果

图3 不同r 对da ／dN 的影响

作用，而忽视了max K 增大，特别是max K 趋近C K 1时，对裂

纹扩展的加速作用。考虑了上述因素的是福曼公式： (){}

(){}

()(){}K K K K K C K K K K C K K r K C dN da C n C n C n ??-??=??-??=?--??=max 1max max max 11K 1 max

max min K K K K 1r 1?=-=- 以福曼公式处理图2的实验结果，绘到图4上，其直

线度更好。但许多高韧性材料难以测出C K 1，难以使用此公

式。合并max K 、 max 1K K C -作用的是华格公式：

()

()()()n

m m n m

m n m K K C K K K C r K C dN da -??=??=-?=1max max max max 1

式中1

铝合金2024-T3 5.0=m ,

7075-T6 425.0=m 。

数据处理结果见图5。

=n 2～7，是图中直线的斜率。K ?在较大的范围

内变化时，如图6所示，n 有不同的数值。能够反映这

一广域情况的是陈篪公式：

()()[]p

C th K K K K dN da 22

122?-?-?= ⒊3 疲劳裂纹扩展寿命的估算

若经过0N 次疲劳循环，裂纹扩展到0a 长，

再由C K 1计算出裂纹失稳扩展的临界尺寸C a ，即

可根据上述公式，如帕瑞斯公式图4 福曼公式处理后的da ／dN

图5华格公式处理后的da ／dN 图6 da ／dN －ΔK 的一般关系

()n

K C dN da ?=，求定积分，得出剩余寿命：()

???==-=C

f a a n N N f K C da dN N N N 000 。 对于无限大板中心穿透裂纹的情况：a K πσ?=?，代入上式得

()????

??????-???? ???-=-=-12211200n C n C C f a a a a n C N N N πσ 式中 2≠n 。 若2=n ，则剩余寿命：()0

0ln 1

1a a C N N N C n f πσ?=-= 与σ?相比，π、C a 、0a 、n 等都是不变或基本不变的数，将它们合并到常数c 中，上面的两个公式可以简化为：m c N σ?=（用于国际焊接学会设计规范）或 ()m N c 1=?σ（用于我国钢结构标准）。式中：m N c σ?*=，设定m ,c 可使通过实验数据求得。

4、疲劳极限状态设计法

随着计算机技术的飞速发展，现代极限设计法，日趋科学和完善。疲劳极限状态设计法的基本特点和基本公式如下。

⒋1从结构的随机变幅载荷的实际情况出发；

⑴ 疲劳极限状态设计法，仅适用于低应力中、高周随机变幅疲劳的结构元件及其连接的疲劳计算。对于：① 结构表面温度高于150℃易氧化，更高可能有相变、蠕变等…问题；② 海水、腐蚀介质环境会加速裂纹的产生和扩展；③ 消除焊接残余应力的高温热处理可能使构件晶粒粗大，疲劳寿命降低；④ 高应变低周疲劳扩展速率很大等…以上特殊情况，另有计算办法，不属于疲劳极限设计法的应用范围。

⑵ 裂纹尖端K 因子的变化幅值min max K K K -=?与裂纹扩展速率直接相关。疲劳极限状态设计法，将应力变化幅值min max σσσ-=?，作为重要的计算参量。因σ?与K ?在特定结构中有对应关系，而σ?比K ?容易测量和计

算。

⑶ 实际结构多在随机变幅疲劳载荷下服役。通过传

感器可实际测量并记载（或用理论计算），获得随机变

幅疲劳载荷应力谱（如图7所示），采用统计方法，将

不同应力水平的i σ?及其发生率i n ，绘制成疲劳应

力谱直方图。整理后的直方图如图8所示。实验研

究结果表明，i σ?及其i n 所产生的疲劳损伤，符合

疲劳线性累积损伤定则。

⑷ 疲劳线性累积损伤定则：

()12211≤=++=∑i i N n N n N n D 1≥D 时，则损伤累积到发生疲劳破坏的程度。

式中：i N 是对应于i σ?发生疲劳破坏的循环次数 根据此式，可以推导出，将随机变幅应力转换成等效等幅应力的表达式。 ⑸ 等效等幅应力 ()[]m i m

i eq e N n 1∑??=?=?σσσ

式中：∑=i n N ，相当于在等幅应力 eq σ?作用下，发生疲劳破坏的次数；

i σ? ：变幅载荷引起的各个水平的应力幅值；

i n ：对应i σ?的循环次数。假定：① 低于疲劳极限的i σ? ，无影响，不

计入；② i σ? 加载顺序的影响忽略不计。

图7货车主梁的疲劳应力谱及其直方图

图8疲劳设计应力谱及直方图