焊接结构疲劳强度
结构疲劳分析的方法以及应用.
结构疲劳分析的方法以及应用目前，对结构进行疲劳分析主要有两种途径：1）利用有限元分析软件直接对结构进行疲劳分析，最终求得结构的疲劳寿命；2）根据不同的疲劳工况，利用有限元软件分析计算出结构应力的变化，然后将其与利用规范计算出的许用疲劳应力相比较，看是否满足要求。
对于前者，最为关键的是定义输入载荷谱或应力谱，而当结构的工况相对较为复杂时，载荷谱或应力谱的定义过程就相当于后者的前期处理过程；同时，客户一般会在协议中指定结构设计计算时必须参考的标准规范，所以为了更好地满足客户的需求，建议结构疲劳计算时采用后者的方法。
根据标准规范对结构进行疲劳分析时一般包括以下五个方面：1．疲劳载荷的确定结构所承受的载荷可以分为三种：1）基本载荷，主要指设备在正常工作情况下通常出现的载荷（如结构自重、物料载荷、永久性动载等）；2）附加载荷，主要指设备运行或停止时可能断续出现的载荷（如设备工作风载、摩擦阻力、运行阻力、非永久性动载等）；3）特殊载荷，是指在设备工作和非工作状态时不应产生，但又无法避免的载荷（如非工作风载、结构碰撞、地震载荷等）。
疲劳计算时只需考虑基本载荷，而且对于物料载荷或其它的基本载荷，有的标准规范中还规定了疲劳计算时载荷的缩小系数。
2．循环次数的确定同一结构，所考虑的疲劳载荷不同时，其循环次数也不尽相同，这主要是因为不同的疲劳载荷产生的原因是不同的。
例如，对于堆取料机来说，考虑物料载荷的扰动影响时是指传送皮带上物料的有无，而考虑永久性动载的扰动影响时则是指设备在工作过程中的正常启、制动，即便是同一结构的同一载荷，针对不同的工作工艺流程，其循环次数也是不同的。
所以，设备的工作工艺流程是不同载荷循环次数计算的决定性因素。
当载荷的循环次数确定后，首先应该判断其对结构的循环扰动作用是否足够多，当循环次数N≤103（104）（低周疲劳）时，无需对结构进行疲劳校核。
3．构件焊接形式的选择工程中的钢结构多为焊接结构，构件的疲劳强度除取决于结构使用的材料外，还与接头的形状和制造方法密切相关。
浅谈焊接残余应力对结构的影响
浅谈焊接残余应力对结构的影响【摘要】残余应力的存在虽然不会影响结构的静态承载能力，但仍然会引起一些问题，比如结构会由于焊接初始缺陷，导致在低应力下裂纹扩展而导致脆性破坏。
本文选取焊接残余应力为研究对象，分析残余应力下构件或结构的刚度、低温冷脆、疲劳强度，并讨论残余应力给它们带来的影响。
【关键词】残余应力；焊接结构；影响0.引言焊接残余应力简称焊接应力，它是一种无荷载作用下的内应力。
由于焊接的过程是一个不均匀加热和冷却的过程，在施焊时，焊件上产生不均匀的温度场，不均匀的温度场产生不均匀的膨胀，由此就形成了残余应力。
残余应力的存在对结构的刚度、受压构件的承载力、低温冷脆以及疲劳强度均会有一定的影响。
1.焊接残余应力的分类及产生的原因焊接过程是一个对焊件局部加热继而逐渐冷却的过程，焊件由于焊接而产生的内应力我们称之为焊接应力，对于钢结构而言，焊接残余应力和变形是影响结构断裂强度、疲劳强度和结构稳定性的重要因素。
从焊缝的方向，焊接残余应力可以分为三类：1.1沿焊缝长度方向的纵向焊接应力施焊时，焊缝附近温度最高，在焊缝区以外，温度则急剧下降。
由于不均匀温度场的影响，温度高的钢材膨胀大，但受到周围温度较低、膨胀量较小的钢材所限制，产生了热塑性压缩；焊缝冷却时，被塑性压缩的焊缝区趋向内收缩，但受到周围钢材限制而产生收缩应力，这是垂直于焊缝方向的纵向拉应力就是纵向焊接应力。
此时，由于焊件不受约束，焊接产生的应力是自相平衡的应力，即由于在焊缝附近出现收缩拉应力，则必然会在距焊缝稍远区段内产生压应力，可以把纵向焊接应力的这种分布规律简称为“热拉冷压”。
1.2垂直于焊缝长度方向的横向焊接应力横向焊缝产生的原因有两个：一是由于焊缝纵向收缩，使得被焊接的两块钢板趋向于形成反方向的弯曲变形，但实际上焊缝将两块钢板连成整体，不能分开，于是两块钢板的中间会产生横向拉应力，而两端则产生压应力；二是由于先焊的焊缝已经凝固，会阻止后焊焊缝在横向自由膨胀，使其发生横向塑性压缩变形。
疲劳强度理论分析
1. 名义应立法：计算全寿命，主要用于高周疲劳； 2. 局部应力—应变法：计算裂纹形成寿命； 3. 断裂力学法：计算裂纹扩展寿命。
（四）：疲劳试验 材料试验，实物结构试验，高周疲劳试验，低周疲劳试验，裂纹扩展寿命试验
（五）：常规疲劳强度设计：
），可
4.P-S-N 曲线 不同可靠度下的应力——寿命曲线
（1） S-N曲线中S,N的概率密度函数
大量实验表明：疲劳强度符合正态分布
（同寿命下的应力分布）。疲劳寿命符合对数
正态或威布尔分布（同应力水平下的寿命）
正态分布
——均值，也叫数学期望。
——标准差，数学上叫均方根值。
对数正态分布，将随机变量的对数函数进行分析。威布尔分布（寿命）
随机载荷下疲劳寿命研究实测载荷谱当量成对称循环下的载荷谱ii根据材料的sn曲线实物试验值和实测载荷谱代入计算模型638可计算不同可靠度下的疲劳寿命图612表621表622这里进行了两种构件侧架和摇枕的疲劳寿命计算iii与实际统计数据比较讲实际统计数据进行整理表627采用常规定时截尾试验发最后论证摇枕的实际平均寿命为328年计算值为3537年两值接近说明计算公式可以
疲劳试验在疲劳试验机上进行，有弯曲疲劳试验机和拉—压疲劳 试验机等。
2 疲劳分析的有关参数
应力幅
平均应力 最大应力 最小应力 应力范围
应力比
对称循环， 脉动循环 静应力
3 材料的S—N曲线 根据不同应力水平分组进行疲劳试验，
根据实验数据进行拟合，一般采用最小二乘 法。 曲线为指数曲线，即： 对上式两边去对数 ：
也就是许用应力法： 存在问题：
a. 设计的机械零件特别笨重（为了安全，只有加大整个截面尺寸）； b. 尽管笨重，但仍有疲劳裂纹产生。 原因： a. 疲劳裂纹发生在构件的危险点的局部区域，通过裂纹不断扩展，
钢结构疲劳计算.ppt
（6－7）
23.03.2019
3
例 6－9 一焊接箱形钢梁，在跨中截面受到Fmin=10 kN和 Fmax =100 kN 的常幅交变荷载作用，跨中截面对其水平形心轴z
的惯性矩 Iz=68.5×10-6 m4。该梁由手工焊接而成，属4类构件，
若欲使构件在服役期限内，能承受2×106次交变荷载作用。试 校核其疲劳强度。
No Image
（2）
设想有常幅Dse作用Sni次，使构件产生疲劳破坏，有
No Image
（3）
23.03.2019
式中，Dse为等效应力幅。
8
把（2）式代入（1）式，
No Image
得
No Image
（4）
将（4）式代入（3）式，得
No Image
（6－9）
式中，分子中的ni 为应力水平为Dsi 时的实际循环次数，分母 中的Sni为预期使用寿命。疲劳强度条件为
No Image
（6－8）
9
23.03.2019
第六章完
23.03.2019
4
解：1. 计算跨中截面危险点（a点）的应力幅
No Image
No Image
2. 确定[Ds ]，并校核疲劳强度
No Image
从表中查得 C =2.18×1012，b =3，
No Image
显然
23.03.2019
No Image
5
Ⅱ. 变幅疲劳（应力幅不是常量，如图）
若以最大应力幅按常幅疲劳 计算，过于保守。当应力谱已知 时，可用线性累积损伤法则，将 变幅疲劳折算成常幅疲劳。
Ds
Dsk Dsi Ds1 Nk Ni N1
焊接接头的脆性断裂
24
四、预防焊接结构脆断的措施
1．正确选用材料
（1）原则：焊缝具有一定的抗开裂性能、母材具有一定的止 裂性能 （2）选择材料时要充分考虑工作环境的温度变化、载荷条件 （3）选择材料要综合考虑材料的强度、韧性，不能只追求高 强度，可按冲击韧性或断裂韧性选择材料，或按抗裂比 KIC/σs选择材料
25
2．合理结构设计
37
材料：LD7铝合金 工艺情况：工作温度为 50~270℃（进口低，出口高） 组织说明：疲劳条带形貌，条 带间距细密，应为高周疲劳断 裂特征
38
2．疲劳断裂的类型
（1）高周疲劳：105以上 （ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ）低周疲劳104～105以下 （3）热疲劳 （4）腐蚀疲劳 （5）接触疲劳
39
3．疲劳强度：经无数次（107）循环不破坏的应力
第九章 焊接接头的脆性断裂 与疲劳断裂
Brittle fracture ＆ Fatigue fracture of Welded Joint
焊接结构脆性断裂、疲劳断裂事故时有发生，典型案例：
实例之一：二战期间，美国250艘全焊接战时标准船的断裂事 故，其中10艘在平静港湾突然一断为二。 实例之二一：泰坦尼克号的失事是低温引起材料焊接处脆断 实例之三：2001年11月7日，四川省宜宾市南门中承拱桥因吊 杆脆断造成大桥桥面坍塌 实例之四：1998年3月5日，西安液化石油气站2个400 m3球罐 发生特大爆炸事故。一只紧固螺栓的疲劳断裂
一、疲劳的基本概念
1．疲劳断裂的特征
（1）疲劳断裂的三个阶段：裂纹萌生、稳定扩展、失稳扩展 （2）断口特征：三个区
宏观断口呈脆性 裂纹多起源于表面的几何不 连续，应力集中部位，如焊趾、 弧坑、咬边、未焊透、角变形、 错边等位置。
焊接结构的疲劳评定方法
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ΔσD不得超过特定结构细节规定的疲劳许用应力范围[ΔS]，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。
《焊接结构学》重点归纳(全)
《焊接结构学》重点归纳1。
焊接结构的优点：(1)焊接接头强度高;（2）焊接结构设计灵活性大；（3）焊接接头密封性好;(4）焊前准备工作简单；（5)易于结构的变更和改型；（6）焊接结构的成品率高.焊接结构的缺点：(1)存在较大的焊接应力和变形;（2）对应力集中敏感;(3)焊接接头的性能不均匀。
2.内应力：所谓内应力是指在没有外力的条件下平衡于物体内部的应力.3.内应力的分类：按其分布范围可分为三类:宏观内应力,微观内应力，超微观内应力。
按其产生机理分类:热应力（温度应力）,残余应力,相变应力，相变残余应力。
*热应力是由于构件不均匀受热所引起的。
4。
焊接残余应力的分类:(1)纵向残余应力；(2）横向残余应力；(3）厚板中的残余应力；(4)拘束状态下焊接的内应力；（5）封闭焊缝引起的内应力;(6)相变应力。
5。
纵向应力沿板材横截面上的分布表现为中心区域是拉应力，两边为压应力，拉应力和压应力在截面内平衡.6.横向残余应力产生的直接原因是来自焊缝冷却时的横向收缩，间接原因是来自焊缝的纵向收缩。
7.焊接残余应力的影响:（1）内应力对静载强度的影响;（2)内应力对刚度的影响;（3）内应力对杆件受压稳定性的影响；(4）内应力对构件精度和尺寸稳定性的影响；(5）内应力对应力腐蚀开裂的影响.8.焊接残余变形的分类:（1）纵向收缩变形；(2）横向收缩变形;(3)挠曲变形；(4)角变形；（5）波浪变形;（6)错变变形；(7）螺旋形变形。
9.焊接变形的危害影响:(1）需要进行校正,耗工耗时;(2)比较复杂的变形的校正工作量可能比焊接工作量还要大,而有时变形太大,造成废品;(3)增加了机械加工工作量,同时也增加了材料消耗.焊接变形的出现还会影响构件的美观和尺寸精度，并且还可能降低结构的承载能力,引发事故.10.纵向收缩引起的挠曲变形:当焊缝在构件中的位置不对称，即焊缝处于纵向偏心时，所引起的收缩力Ff是偏心的.因此,收缩力Ff不但使构件缩短，同时还造成构件弯曲。
基于DVS1612准则的焊接结构疲劳评估方法
基于 DVS1612 准则的焊接结构疲劳评估方法
胡忠安，张晓艳，程亚军
（ 中车长春轨道客车股份有限公司 国家轨道客车系统集成工程技术研究中心，吉林 长春 130062） *
摘 要： 详细阐述了应用 DVS1612 准则进行疲劳评估的方法和如何提取疲劳评估的三种应力．以铁路车 辆结构中最常见的 T 型焊接接头为例，通过有限元计算，并对比手算与商业软件 LIMIT 的计算结果，最 后提出一种准确可行的应用该准则对复杂焊接结构进行疲劳评估的方法． 关键词： 疲劳评估； DVS1612； LIMIT 文献标识码： A DOI： 10．13291 / j．cnki．djdxac．2019．02．008
瑞士 PＲOSE 公司自行开发的 PFat 工具可以 实现 DVS1612 准则的焊缝疲劳评估． 国内一些高 校如西南交通大学和北京交通大学也已经开始应 用 DVS1612 准则对转向架构架的焊缝进行疲劳 强度评估［6-7］． 本 文 详 细 介 绍 了 根 据《铁 路 车 辆 结 构钢焊接接头设计和疲劳强度评估》准则进行焊 缝疲劳评估的方法． 以铁路车辆结构中最常见的 T 型焊接接头为例分别进行手动计算和商业软件 计算，并且对两种方法的结果进行了对比分析．
综合利用率小于 1．1 时，焊缝疲劳强度满足要求．
( ) ( ) σ‖
2
+
σ⊥
2
－
σ‖ ·
σ‖，zul
σ⊥，zul
σ‖，zul
( ) σ⊥
+
τ
2
≤ 1．1
σ⊥，zul
τzul
（ 6）
式（ 5） 和式（ 6） 中分母是疲劳强度许用值．分
子分别是疲劳工况中垂直焊缝的最大应力值、平
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
焊接结构疲劳强度
焊接是一种常见的金属连接方法，但焊接接头在使用过程中容易受到
疲劳破坏。
焊接结构的疲劳强度是指焊接接头在受到交变载荷作用下能够
承受的最大循环载荷次数。
疲劳强度的评估对于焊接结构的设计和使用至
关重要。
本文将介绍焊接结构的疲劳破坏机制、影响疲劳强度的因素以及
提高焊接接头疲劳强度的方法。
焊接结构的疲劳破坏机制主要包括以下几种：
1.脆性断裂：焊接接头容易出现脆性断裂，主要是由于焊接过程中，
焊缝和周边热影响区的组织发生变化，使其变得脆性，降低了焊接接头的
疲劳强度。
2.裂纹扩展：焊接接头中存在的焊接缺陷（如气孔、夹杂等）是裂纹
扩展的起始点。
在交替加载下，焊接接头中的裂纹会逐渐扩展，最终导致
疲劳破坏。
影响焊接结构疲劳强度的因素主要包括以下几个方面：
1.焊接材料选择：焊接材料的强度和塑性对焊接接头的疲劳强度有着
重要影响。
通常情况下，焊接接头的强度应大于被焊接材料的强度，以保
证焊接接头的疲劳寿命。
2.焊接工艺参数：焊接过程中的工艺参数（如焊接电流、焊接速度等）会对焊接接头的组织结构和性能产生影响，进而影响焊接接头的疲劳强度。
3.焊接接头形状和几何尺寸：焊接接头的形状和几何尺寸也会影响其
疲劳强度。
一般来说，焊接接头的强度随着接头厚度的增加而增加，但是
当厚度过大时，会导致应力集中，从而降低疲劳强度。
提高焊接接头疲劳强度的方法主要包括以下几个方面：
1.选择合适的焊接方法：不同的焊接方法对焊接接头的疲劳强度有着重要影响。
例如，自动化焊接方法相对于手工焊接方法具有更高的焊接质量和疲劳强度。
2.进行焊接前的准备工作：在焊接前，需要对焊接接头进行彻底的清洁和表面处理，以减少焊接缺陷的产生。
3.优化焊接工艺参数：通过调整焊接的工艺参数，可以改善焊接接头的疲劳强度。
例如，适当增大焊接电流和焊接速度，可以减少焊缝内的局部熔化区，从而提高焊接接头的强度。
4.对焊接接头进行后处理：通过对焊接接头进行热处理或应力释放，可以改善焊接接头的组织结构和性能，提高其疲劳强度。
5.采用增强措施：在焊接接头的脆性区域附近增加增强措施，如填充材料或加强板等，可以有效减少焊接接头的应力集中和裂纹扩展，提高疲劳强度。
在设计和使用焊接结构时，必须充分考虑疲劳强度的问题。
通过选择合适的焊接材料、优化焊接工艺参数和采用增强措施等方法，可以有效提高焊接接头的疲劳强度，延长焊接结构的使用寿命。
同时，还需进行定期检查和维护，及时修复焊接接头中的缺陷，以保证焊接接头的安全运行。