动载焊接结构强度及设计--断裂力学
iwe动载焊接结构的强度及其设计断裂力学[最新]
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1 概述
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布局
焊缝
1 概述
IWE-T/3.3-1/29
损坏日期 1919 1934
1938-1940 1942
1942-1946 1943.2
1944.10
1949-1963 1950
1949-1951
1954
焊接结构断裂的典型事例
结构种类、特点地点 糖 蜜 罐 （ 铆 接 ） 高 14m， 直 径 30 m
1 概述
第四章 脆断-4/45
由于解理断裂通常发生在体心立方和密集六方 点阵的金属和合金中，只在特殊情况下，如 应力腐蚀条件下，才在面心立方点阵的金属 中发生，因此面心立方点阵的金属（如奥氏 不锈钢），可以在很低温度下工作而不发生 脆性断裂。
1 概述
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（2）应力状态的影响
2 断裂力学及在焊接中的应用 IWE-T/3.3-2/29
不稳定扩展的主要原因：
（1) 裂纹很尖锐，造成高度的应力集中； （2) 裂纹很深，裂纹尖端区域造成充分的三向
应力状态；
（3）裂纹的扩展会释放出大量的弹性应变能， 这是失稳扩展的基本能源；
（4）在一定应力水平下，裂纹尺寸在一定大小 以上，由于放出能量造成裂纹扩展，这尺寸 称为裂纹扩展的临界尺寸。小于临界尺寸裂 纹称亚临界裂纹，不会自行扩展。
一、断裂力学
• 经典力学：常规的强度计算方法是以材料为基础， 把材料抽象为均匀、连续和各向同性的，未考虑 材料的内部缺陷，用σs、σb和安全系数n反映结 构安全可靠性，它与破坏过程均无直接联系。
• 断裂力学：为了探索缺陷对材料强度的影响，研 究材料抗断裂性能指标，建立破坏条件，提出具 有缺陷构件的强度计算方法，研究含有缺陷宏观 裂纹构件的安全性，而建立起断裂力学。
高速动车组钢制焊接结构疲劳强度的研究方法对比分析
高速动车组钢制焊接结构疲劳强度的研究方法对比分析摘要：伴随我国经济的快速增长，推动了铁路运输的发展步伐，列车承载结构使用日益趋于多样化。
在物质生活提高的当今社会，人们对于铁路交通运输安全性要求越来越高，虽然动车组的出现在很大程度上满足了人们需求，但是对于动力转向架焊接架构载荷提出了较高的要求。
基于此本文重点针对高速动车组钢制焊接结构疲劳强度中的名义应力法、热点应力法、缺口应力法、等效结构应力法进行了对比分析，主要从原理、优劣点进行了阐述，希望为工程设计人员合理评估高速动车组钢制焊接结构疲劳强度提供依据。
关键词：高速动车组；钢制焊接结构；疲劳强度；研究方法引言目前我国机车车辆各关键承载部件的疲劳强度的评估主要是参照European Rail Research Institute B12/RPl7报告给出的方法和Goodman曲线进行评定。
在高速动车组钢制焊接结构的强度评估中，被参考较多的是日本的JIS E 4207标准，但是该标准中的疲劳容许应力的测试条件不够明确，其数值的适用性也有待检验，导致工程技术人员在进行钢制焊接结构的强度评估时无法很好的把握。
鉴于此，该文针对高速动车组钢制焊接结构疲劳强度评估中的疲劳容许应力展开分析验证，以期为减少焊缝的打磨工作量，需要得到准确的实际接头的疲劳性能，对比打磨与非打磨焊缝的差异，为降本增效提供数据支撑。
1高速动车组钢制焊接结构疲劳强度名义应力法原理及优缺点1.1原理名义应力法是根据应力和应力集中系数，以结构的名义应力为实验和寿命估算的基础，结合材料的S-N曲线，按线性累积损伤理论估算结构疲劳寿命。
名义应力是忽略焊接接头的局部应力增长效应，而在所研究的截面中计算出来的应力由于复杂的几何效应，焊接接头无明确定义名义应力，且结构的不连续性与分类构件细节没有可比性。
这种计算方法适用于焊趾的评估。
名义应力的计算：材料力学的梁理论计算公式：式中： -广义名义应力； -因为宏观几何不连续进而导致的应力集中因数； -因为焊接接头错位导致的应力集中因数，此因数由轴向的错位和角度偏差共同决定，分别记为和，按公式（1）计算，即可得到。
结合S-N曲线和断裂力学的焊接结构疲劳寿命分析
基金项 目： 国家 自然科学基金 资助项 目（ ５ １ ５ ７ ５ ４ ０ ８ ） ； 湖北省 自 然 科 学基金资助项 目（ ２ ０ １ ４ Ｃ Ｆ Ｂ ８ ０ ３ ） ； 武汉工程大学化 工装 备 强 化 与 本 质 安 全 湖 北 省 重 点 实 验 室 开 放 课 题
提 出一 种 新 此外 ， 一些 学者 基于 断裂力 学理 论 ， 将 焊 接结 构 的寿 裂 纹萌 生和扩 展 ２个 不 同 阶段 的寿 命 ， 命定义为初始裂纹扩展至临界尺寸 的循环次数 ， 采 的疲劳寿命分析方法．
用Ｐ ａ ｒ ｉ ｓ 模型进行积分求解．这种方 法在描述焊接 结构裂纹萌生和短裂纹断裂行为方面还存在许多不 完善 的地方．首先不同学者对焊缝初始裂纹长度给 出了不 同的假设 （ 覆盖 ０ ． １—０ ． ５ ｍ ｍ） Ｊ ， 这 给疲 劳
问题 ．
制参量 ， 提 出了一 种 统 一 的跨 尺度 裂 纹 模 型 及 其 求
常用 的疲 劳评 定 方 法 有 名 义应 力 法 、 热 点 应 力 解 算法 ． 与 文献 中较 常 出现 的焊 接 接 头 不 同 ， 工 程 实 践 法、 结构应 力法 等 － ４ Ｊ ， 这 些方 法都 基 于特 定 焊接 接
第３ ８ 卷 第２ 期
２ ０ １ ７年 ２ 月
焊 接 学 报
Ｔ ＲＡＮ Ｓ ＡＣ Ｔ Ｉ ＯＮ Ｓ ＯＦ Ｔ ＨＥ Ｃ ＨＩ ＮＡ ＷＥ Ｌ ＤＩ Ｎ Ｇ Ｉ ＮＳ Ｔ Ｉ Ｔ Ｕ Ｔ Ｉ Ｏ Ｎ
Ｖ ｏ １ ． ３ ８ Ｎ 。 ． ２
Ｆ ｅ ｂ ｒ ｕ ａ ｒ ｙ ２ ０ １ ７
裂纹 的萌 头类 型 的 Ｓ ． Ｎ 曲线 ， 没有 考 虑 焊 缝 细 节几 何 形 貌 尤 中焊接结构的构造和应力状况更为复杂 ， 采 用 上 述 方 法 进 行 疲 劳 其是初始裂纹状态的影响．彭凡 等人 基于 Ｔ ａ ｙ ｌ ｏ ｒ 生 和扩 展模式 有 很 大不 同 ，
断裂力学材料
♦断裂力学是为解决机械结构断裂问题而发展起来的力学分支，它将力学、物理学、材料学以及数学、工程科学紧密结合，是一门涉及多学科专业的力学专业课程。
♦本课程将简要介绍断裂的工程问题、能量守恒与断裂判据、应力强度因子、线弹性和弹塑性断裂力学基本理论、裂纹扩展、J积分以及断裂问题的有限元方法等内容。
♦当机械结构带有裂纹时，判断机械结构发生断裂的时机，不能用屈服判据，而应该寻求新的断裂判据。
♦现代断裂力学（fracture mechanics）这门学科，就在这种背景下诞生了。
从上世纪五十年代中期以来，断裂力学发展很快，目前线性理论部分已比较成熟，在工程方面，已广泛应用于宇航、航空、海洋、兵器、机械、化工和地质等许多领域。
断裂力学的关键问题（一）1．多小的裂纹或缺陷是允许存在的，即此小裂纹或缺陷不会在预定的服役期间发展成断裂时的大裂纹？2．多大的裂纹就可能发生断裂，即用什么判据判断断裂发生的时机？3．从允许存在的小裂纹扩展到断裂时的大裂纹需要多长时间，即机械结构的寿命如何估算？以及影响裂纹扩展率的因素。
4．在既能保证安全，又能避免不必要的停产损失，探伤检查周期应如何安排？5．万一检查时发现了裂纹，该如何处理？断裂力学的关键问题（二）1.什么材料比较不容易萌生裂纹？2.什么材料可以容许比较长的裂纹存在而不发断裂？3.什么材料抵抗裂纹扩展的性能较好？4.怎样冶炼、加工和热处理可以得到最佳效果？前五个问题可以用断裂力学的方法来解决；后面四个问题则属于材料或金属学的领域。
因此，断裂是与力学、材料和工程应用有关的问题。
应综合力学、材料学和工程应用等方面着手研究。
解决断裂问题的思路为解决上面所提的工程问题和材料问题，对于含裂纹的受力机械零件或构件，必须先找到一个能表征裂纹端点区应力应变场强度(intensity)的参量，就象应力可以作为裂纹不存在时的表征参量一样。
解决断裂问题的思路—科学假说（续）因为断裂的发生绝大多数都是由裂纹引起的，而断裂尤其是脆性断裂，一般就是裂纹的失稳扩展。
动载焊接结构(断裂力学Ⅰ、Ⅱ)
动载焊接结构强度及其设计⒈概述 ⒈1 载荷的分类与破坏形式结构承受载荷的性质（拉、压、扭转、剪切）、大小、方向、作用位置中一项或多项不断变化（疲劳）或变化过大、过速（冲击）的情况都属于动载。
疲劳是结构失效的基本形式，约占结构失效总量的80～90％ 。
冲击载荷容易造成结构的脆性破坏。
造成脆性破坏，或加速疲劳破坏的原因可能是结构形式不佳（如应力集中严重）或结构工作环境的恶化（如环境温度变得过低，使材料材质变脆；或环境介质腐蚀性强，使结构缺陷加深增大）等。
疲劳破坏和脆性破坏都属于低应力破坏，发生破坏时的工作应力可能只有结构材料屈服极限s σ的1／2，1／5，1／10，甚至没有外载荷。
例如，历史上曾经发生的破坏事件：海面上本来风平浪静，船舶却突然开裂破坏；火车尚未到达大桥，大桥却突然先行倒塌。
人类已经为突发性的低应力破坏付出了太多、太沉重的代价。
科研工作者为研究低应力破坏的机理、规律、预防措施等，做出了巨大贡献，我们应当认真学习研究这些知识，预防低应力破坏事件的发生。
⒈2结构脆性断裂的特点 (什么是脆性断裂?它有何特点?)⑴ 名义工作应力低: 只有材料s σ的1／3～1／10，甚至外载荷等于零（如图1宽板焊接接头的实验结果）。
⑵ 断裂之前无明显塑性变形，无征兆，突发断裂。
⑶ 低应力脆性破坏多发生在低温阴冷的时刻。
以上三个特点，让人猝不及防，容易造成严重危害。
⑷ 发生低应力脆性断裂的结构内，多半存在着较大的内应力，有较高的内能。
⑸ 发生低应力脆性断裂的结构上，必有裂源或应力集中点存在。
脆性断裂对缺陷和应力集中很敏感。
后两个特点，反映了低应力脆性断裂的必然性，并非无缘无故发生。
⒈3 固体体内的裂纹和缺陷，导致其发生低应力脆性断裂。
使材料的实际断裂强度只有其理论强度的1／10 ～ 1／1000。
对这一现象作如下分析：⑴ 一个L B ⋅⋅δ的微裂纹体（图2），1=δ，在平均力F的作用下，伸长了L ∆长，两端固定起来（相当于被均匀拉伸的弹性体的一个局部）。
IWE动载焊接结构的强度及其设计
3 动载焊接结构的设计
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二、焊接钢结构疲劳强度设计计算
（一）我国钢结构的标准
我国现行钢结构的标准GB-17-88与原设计规 范TL17-74相比，在钢结构疲劳强度计算中作
了一些改动，在原设计规范中，基本金属和连
接的疲劳计算采用疲劳许用应力法进行。在 GB-17-18的疲劳计算中采用容许应力范围方法； 应力按弹性状态计算。
1、采用合理的构件结构形式，减少应力集中， 以提高疲劳强度；
2、合理地选择接头形式，尽量采用应力集中 系数小的对接接头，焊缝形状过平缓，采用连 续焊缝比断续焊缝有利，尽量少采用角焊缝；
3、当采用角焊缝时（不可避免）须采取综合 措施；机械加工焊缝端部，合理选择角接板形 状，保证焊缝根部焊透等；
4、用表面机械加工的方法消除焊缝及其附近 的各种刻槽，来降低接头应力集中程度。
8. 横向力应作用于剪切中心之上，以减少扭 矩；
9. 承受拉伸与弯曲的构件如需加强，则加强 件长度应小。以减小加强对于构件变形的拘束；
10. 在薄板范围内合理部位布置焊缝，以减轻
弯曲变形；避免能扰乱力流的开口，但与力流
垂直的加强筋板角部应切除（加强筋板切角）； 11.在特别危险的部位以螺栓接头或铆接接头、 锻造连接件代替焊接接头（又可便于装配）等
2106---循环次数n为2×106次的容许应力范
围（按表4采用）
4 动载焊接结构的设计
IWES--3T//33.9.3--51/31/829
对变幅疲劳（按应力循环内的应力范围随机 变化），若能测出结构在使用寿命期间各种载 荷的频率分布、应力范围水平以及频次分布总 和所构成设计应力谱，则可将其折算为等效常 幅疲劳，并按下式进行计算：
断裂力学讲义
目录第一章绪论§断裂力学的概念任何一门科学都是应一定的需要而产生的，断裂力学也是如此。
一提到断裂，人们自然而然地就会联想到各种工程断裂事故。
在断裂力学产生之前，人们根据强度条件来设计构件，其基本思想就是保证构件的工作应力不超过材料的许用应力，即σ≤[σ]～安全设计安全设计对确保构件安全工作也确实起到了重大的作用，至今也仍然是必不可少的。
但是人们在长期的生产实践中，逐步认识到，在某些情况下，根据强度条件设计出的构件并不安全，断裂事故仍然不断发生，特别是高强度材料构件，焊接结构，处在低温或腐蚀环境中的结构等，断裂事故就更加频繁。
例如，1943～1947年二次世界大战期间，美国的5000余艘焊接船竟然连续发生了一千多起断裂事故，其中238艘完全毁坏。
1949年美国东俄亥俄州煤气公司的圆柱形液态天然气罐爆炸使周围很大一片街市变成了废墟。
五十年代初，美国北极星导弹固体燃料发动机壳体在试验时发生爆炸。
这些接连不断的工程断裂事故终于引起了人们的高度警觉。
特别值得注意的是，有些断裂事故竟然发生在σ<<[σ]的条件下，用传统的安全设计观点是无法解释的。
于是人们认识到了传统的设计思想是有缺欠的，并且开始寻求更合理的设计途径。
人们从大量的断裂事故分析中发现，断裂都是起源于构件中有缺陷的地方。
传统的设计思想把材料视为无缺陷的均匀连续体，而实际构件中总是存在着各种不同形式的缺陷。
因此实际材料的强度大大低于理论模型的强度。
断裂力学恰恰是为了弥补传统设计思想这一严重的缺陷而产生的。
因此，给断裂力学下的定义就是断裂力学是研究有裂纹（缺陷）构件断裂强度的一门学科。
或者说是研究含裂纹构件裂纹的平衡、扩展和失稳规律，以保证构件安全工作的一门科学。
断裂力学在航空、机械、化工、造船、交通和军工等领域里都有广泛的应用前景。
它能解决抗断设计、合理选材、制定适当的热处理制度和加工工艺、预测构件的疲劳寿命、制定合理的质量验收标准和检修制度以及防止断裂事故等多方面的问题，因此是一门具有高度实用价值的学科。
焊接结构第7章 焊接结构力学特征及结构设计
征
力学特征
体结构的力学特征
焊接结构设计
熟悉焊接结构设计的基本 特点、基本要求、基本方法 和合理性分析；结合典型焊 接结构实例分析，掌握焊接 接头的设计要点
设计基本要求：以实用性 为核心，以可靠性为前提， 以工艺性和经济性为制约条 件。从实用性、可靠性、工 艺性和经济性四方面进行焊 接结构设计的合理性分析
主要考虑的力学性能见表7-2。
17/253
力学性能
一般静载 力学性能
断裂力学 性能
表7-2 焊接结构涉及的力学性能
具体指标
涉及的焊接结构或部件
主要试验方法
屈服强度
所有焊接结构
拉伸试验
拉伸强度
所有焊接结构
拉伸试验
临界失稳压应力 承受压力的支柱、薄板结构
失稳试验
硬度
焊接接头
硬度试验
刚度
梁、机床机身
拉伸试验
24/253
图7-2 网架结构 a) 平面网架 b) 球冠形网壳 c) 曲面网壳 1-内天沟 2-墙架 3-轻质条形墙板 4-网架板 5-悬挂吊车 6-混凝土柱 7-坡度小立柱 8-网架
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附图1 曲面网架钢结构
与弧形网架类似，但曲面网架的空间构造更 富有变化，也更复杂，由多个平面内的弧线或曲 线构成的一个曲面，形成层次更丰富的外观造型。
19/253
7.2 焊接结构力学特征
7.2.1 桁架结构及其力学特征
沈 阳 奥 体 中 心
可容纳6万观众的沈阳奥体中心钢结构工程 主拱全长360米，为全国最大的管桁架结构。
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神舟飞船发射塔架（100多米高）
21/253
1. 桁架结构及适用范围
桁架结构又称为杆系结构，是指由长度远大 于其宽度和厚度的杆件在节点处通过焊接工艺相 互连接组成能够承受横向弯曲的结构，其杆件按 照一定的规律组成几何不变结构。
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1 概述
IWE-T/3.3-1/29
1962 1962 1965.12 1965 1968 1974.12
Kings 桥，焊制钢梁 澳大利亚墨尔本
原子能电站压力容器 法国 Chinon
合成氨用大型压力容器，内径 1.7 m 厚 149-150 m m 美国
“海宝”号钻井船椿腿 英国北海油田 球形容器 日本
动载焊接结构的强度及其设计
( IWE-T/3.3)
2009.03
断裂力学
( IWE-3.6)
1 概述
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自从焊接结构得到广泛应用以来，发现以承 受动载为主的焊接结构，在远没有达到其设 计寿命时就出现破坏现象，通常发生脆性断 裂和疲劳断裂两大类破坏事故。
脆性断裂事故的焊接结构数量与安全工作 的焊接结构数量相比虽然是很少。但是，由 于这种事故具有突发性，不易预防的特点， 其后果往往是十分严重的，甚至是灾难性的， 所以引起人们高度重视。
和制造工艺及检验技术不完善等。
1 概述
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❑影响金属脆性断裂的因素：
威廉德式桥 比利时
油罐 德国汉茨 EC2（自由轮）货船 美国建造 球形氧罐，直径 13m 美国纽约 液化天然气圆筒形容器，直径 24 m，高 13 米，美国 俄亥俄
美国以外建造的商船 直径 4.57 m，水坝内全焊管道，美国
板梁式钢桥 加拿大 魁北克
大型油船“世界协和号”美国制造
损坏的情况及主要原因
1 概述
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国内典型例子
1995年1月8日发生在黑龙江省某地的糖厂， 该糖厂一台使用了20年的直径为24m、高16m 的圆筒形糖蜜贮罐在凌晨五点左右突然开裂， 导致4000吨糖蜜倾泻而出，造成人员和巨大 经济损失。事故原因为低应力脆断。
1 概述
IWE-T/3.3-1/29
1 概述
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脆性断裂根本之原因是材料局部处塑性变形能
不足所致。大量脆断事故研究表明，造成焊接 脆断的原因是多方面的：主要是材料选用不当， 设计不合理和制造工艺及检验技术不完善等。
1 概述
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脆性断裂的特点为：
(1) 脆断一般都在应力不高于结构的设计应力和没有显 著的塑性变形的情况下发生。
安全系数不足、超应力引起，在人孔附近起裂
气候骤冷时，罐底与罐壁的温差引起脆性裂纹 由于严重应力集中，残余应力高，钢材性能差， 气候骤冷，焊接裂纹引起脆断
补焊处产生裂纹 设计不当，材料性能差 应力集中、残余应力、钢材脆性（半镇静钢） 为双层容器，内筒采用含 3.5%镍合金钢制成， 由于材料选用不当，有大量裂纹，在-162℃低温 下爆炸 钢材选择不当，韧性低 由环焊缝不规则焊波向四周扩展的小裂纹引发 材料为不合格的沸腾钢，因出现裂纹曾局部修 补过 钢材缺口韧性差。断裂发生在船中部，即纵梁 与隔舱板中段的两端处引发裂纹然后裂纹从船 底沿船两侧向上发展，并穿过甲板。断裂时有 大风浪。
(2) 脆断往往从应力集中处开始，即构件内存在缺陷， 尤其焊接裂缝等。
(3) 脆断往往发生在低温下，厚截面构件和高应变速度 （即动载作用下）的情况下。
(4) 塑性材料也发生脆性断裂。
▪ 脆性断裂根本之原因是材料局部处塑性变形能不足 所致。大量脆断事故研究表明，造成焊接脆断的原 因是多方面的：主要是材料选用不当，设计不合理
圆筒形石油贮罐 日本
支承钢筋混凝土桥面的四根板腹主梁发生脆 裂，裂纹从角焊缝热影响区扩展到母材中 厚 100 m m 锰钼钢的制成，环焊缝热处理不当 导致开裂
在筒体与锻件埋弧焊时，锻体偏析 （Mn-Cr-Mo-V 钢制），在锻件一侧热影响区有
裂纹，焊后未进行恰当的消除应力热处理 由升降连接杆气割火口裂纹引发脆断，平台整 个坍塌
布局
焊缝
1 概述
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焊接结构断裂的典型事例
损坏日期 1919 1934
1938-1940 1942
1942-1946 1943.2
1944.10
1949-1963 1950
1949-1951
1954
结构种类、特点地点 糖蜜罐（铆接）高 14m，直径 30 m
美国波士波 油罐 美国
1 概述
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例子：
• 第二次世界大战前夕，在比利时的阿尔贝特(Albert) 运河上建造了约50 座全焊接拱形空腹式桁架钢桥。 材料为比利时9t42 转炉钢。
(1)其中跨度为48.78m 的长里华大桥在-14℃时脆断。
(2)1938 年3月，比利时哈瑟尔特全焊拱形空腹式钢桥 在交付使用1 年后，当一辆电车和几个行人通过时， 突然断裂为三段，坠人阿尔贝特运河。该桥跨度 74.5m ， 该 桥 第 一 条 裂 缝 由 下 弦 开 始 并 发 生 巨 响 ， 6min 后垮塌,当时桥上荷载很小,气温较低,为-20℃。
使用 =29mm，80 公斤级高强钢，补焊热输入
量过大，导致开裂 用厚 12mm，60 公斤级钢焊制，在环状边板与 罐壁拐角处产生裂纹扩展 13m，大量石3-1/29
❑在工程上，按照断裂前塑性变形大小，将断裂分 为延性断裂（亦称为塑性断裂和韧性断裂）和脆 性断裂两种。延性断裂在断裂前有较大的塑性变 形；脆性断裂前没有或只有少量塑性变形，断裂 突然发生并快速发展（裂纹扩展速率高达1500～ 2000m/s）。同一材料在不同条件下也会出现不 同断裂形式，例如低碳钢通常认为是塑性很高， 被广泛应用于各种焊接结构中。但是在一定条件 下，低碳钢构件也会发生脆性断裂。
1 概述
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(3)跨度60.98m 的亥伦脱尔一奥兰(Herenthals-Olen)大桥 在1940 年1 月19 日破坏，当时的气温为-14℃，其中 有一条裂缝长达2.1m，宽为25mm，但此桥未坍落， 且在开裂后5h，当一列火车通过时此桥竟平安无事。
据统计，自1938 年至1950 年在比利时共有14 座大桥 断裂，其中有6 座桥梁属负温下冷脆断裂，大部分在 下弦与桥墩支座的连接处断裂且应力处于极限状态。 归结大桥断裂的原因主要有四点：应力集中、残余 应力、低温和冲击韧性值αk 太小。