疲勞講義課件

1、英國(guó)標(biāo)準(zhǔn)（BS7608：1993）&國(guó)際焊接學(xué)會(huì)（IIW）標(biāo)準(zhǔn)簡(jiǎn)介及工程應(yīng)用實(shí)例 兆文忠 2005年9月 疲勞講義課件主要內(nèi)容引言2. 焊接接頭S-N曲線細(xì)節(jié)及其特殊性3. 焊接接頭類型細(xì)節(jié)是控制焊接結(jié)構(gòu)疲勞壽命的命脈4. 基于英國(guó)標(biāo)準(zhǔn)（BS7608：1993）的疲勞壽命預(yù)測(cè)5. 基于國(guó)際焊接學(xué)會(huì)（IIW）的疲勞壽命預(yù)測(cè)主要內(nèi)容主要內(nèi)容6. AAR/BS/IIW標(biāo)準(zhǔn)的個(gè)性與共性討論幾點(diǎn)體會(huì)(1) 轉(zhuǎn)變?cè)O(shè)計(jì)觀念是當(dāng)務(wù)之急(2) 關(guān)注細(xì)節(jié)和千方百計(jì)降低應(yīng)力集中是提高疲勞壽命的基本出發(fā)點(diǎn)(3) 重視與疲勞相關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)的建設(shè)(4) “對(duì)”與“錯(cuò)”的啟示8. 工程應(yīng)用實(shí)例9. 參考文獻(xiàn)主要內(nèi)容6. AAR

2、/BS/IIW標(biāo)準(zhǔn)的個(gè)性與共性討論1 引言 由于焊接結(jié)構(gòu)的疲勞壽命預(yù)測(cè)不僅要面對(duì)非焊接結(jié)構(gòu)必須面對(duì)的一般性困難，而且還要面對(duì)焊接工藝本身所導(dǎo)致的特有的困難。焊接專家說(shuō)：“在一些人的眼里，一方面焊接是功臣，因?yàn)樗龠M(jìn)了生產(chǎn)的發(fā)展；另一方面它是罪人，因?yàn)樗窃S多事故的根源”2。 為了抑制焊接的不利因素，尤其是在疲勞壽命預(yù)測(cè)方面，先進(jìn)國(guó)家為發(fā)展中國(guó)家做出了重要貢獻(xiàn)。他們投入了大量的資金，甚至歷時(shí)百年，制定了許多優(yōu)秀的評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)。例如：英國(guó)標(biāo)準(zhǔn)（BS7608：1993）（Code of practice for fatigue design and assessment of steel structu

3、res）、國(guó)際焊接學(xué)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)（IIW）(Fatigue design of welded joints and components)、美國(guó)AAR貨車結(jié)構(gòu)疲勞設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)等345。1 引言 由于焊接結(jié)構(gòu)的疲勞壽命預(yù)測(cè)不僅要面對(duì)非焊接1 引言 這些標(biāo)準(zhǔn)的最大貢獻(xiàn)是：一大批用于焊接接頭疲勞壽命預(yù)測(cè)的S-N曲線幾乎完全支持復(fù)雜的工程問(wèn)題，尤其是支持設(shè)計(jì)方案的疲勞壽命對(duì)比。（1）美國(guó)AAR貨車結(jié)構(gòu)疲勞設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)給出了80種鋼結(jié)構(gòu)焊接接頭的疲勞壽命預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)。（2）英國(guó)鋼結(jié)構(gòu)疲勞設(shè)計(jì)與評(píng)估使用標(biāo)準(zhǔn)（BS7608:1993）中，將焊接母材及接頭分成10級(jí)，并給出了這10級(jí)焊接接頭細(xì)節(jié)的S-N曲線參數(shù)。事實(shí)上這10級(jí)

4、接頭包括了50多種具體接頭形狀，其中還包括了螺栓連接接頭。（3） 國(guó)際焊接學(xué)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)（IIW）給出了80種鋼結(jié)構(gòu)焊接接頭的數(shù)據(jù)。IIW還給出了57種鋁合金焊接接頭的S-N曲線數(shù)據(jù)。IIW疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)規(guī)范適用于焊點(diǎn)的屈服點(diǎn)低于700MPa的碳鋼、碳錳鋼和細(xì)晶粒鋼調(diào)質(zhì)鋼材的焊接接頭。 1 引言 這些標(biāo)準(zhǔn)的最大貢獻(xiàn)是：一大批用于焊接接頭疲勞2 焊接接頭S-N曲線細(xì)節(jié)及其特殊性 這些焊接接頭的S-N曲線全部由試驗(yàn)室獲得, 因而包括了以下事實(shí)和影響： 焊縫形狀所引起地局部應(yīng)力集中；一定范圍的焊縫尺寸和形狀偏差；應(yīng)力方向；殘余應(yīng)力；冶金狀焊接過(guò)程和隨后的焊縫改善處理。 由于焊縫及其附近存有達(dá)到或接近達(dá)到屈服

5、點(diǎn)的應(yīng)力。英國(guó)鋼結(jié)構(gòu)疲勞設(shè)計(jì)與評(píng)估使用標(biāo)準(zhǔn)及國(guó)際焊接學(xué)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)（IIW）評(píng)定焊接接頭疲勞特性時(shí)，用應(yīng)力范圍來(lái)表述S-N曲線。美國(guó)AAR貨車結(jié)構(gòu)疲勞設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)則用通常的等效應(yīng)力表述S-N曲線。比較而言, IIW和BS標(biāo)準(zhǔn)更適合焊接結(jié)構(gòu)的疲勞壽命預(yù)測(cè)。 2 焊接接頭S-N曲線細(xì)節(jié)及其特殊性 這些焊接接頭2 焊接接頭S-N曲線細(xì)節(jié)及其特殊性關(guān)于焊接接頭疲勞壽命預(yù)測(cè)中應(yīng)力范圍概念采用應(yīng)力范圍的理由是：焊接過(guò)程中，焊縫及其附近存有達(dá)到或接近達(dá)到母材屈服點(diǎn)的殘余應(yīng)力；由于殘余應(yīng)力的存在，不管外加動(dòng)應(yīng)力的循環(huán)特性如何，焊縫附近的實(shí)際循環(huán)應(yīng)力是從母材的屈服應(yīng)力向下擺動(dòng)。例：有二焊接接頭，S-N曲線相同（抵抗疲勞的

6、能力相同），但是承受的動(dòng)載荷不同。接頭一： 接頭二： 決定焊接結(jié)構(gòu)疲勞壽命的是動(dòng)應(yīng)力的變化幅值而不是平均值，因此，第二個(gè)接頭雖然應(yīng)力絕對(duì)值很低，但遠(yuǎn)比第一個(gè)接頭危險(xiǎn)!2 焊接接頭S-N曲線細(xì)節(jié)及其特殊性關(guān)于焊接接頭疲勞壽命預(yù)3 焊接接頭類型細(xì)節(jié)是控制焊接結(jié)構(gòu)疲勞壽命的命脈 焊接接頭是機(jī)車車輛焊接結(jié)構(gòu)的壽命薄弱環(huán)節(jié)。當(dāng)結(jié)構(gòu)承受較低水平動(dòng)應(yīng)力（該應(yīng)力水平遠(yuǎn)低于靜強(qiáng)度應(yīng)力水平）時(shí)，它們將首先疲勞破壞。在另外考慮材料因素、熱影響區(qū)的前提下，焊接接頭疲勞破壞的主要原因是局部應(yīng)力集中：結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理導(dǎo)致應(yīng)力集中;接頭型式導(dǎo)致應(yīng)力集中;焊接缺陷導(dǎo)致應(yīng)力集中：裂紋、未焊透、未熔合、咬邊、氣孔 、夾渣;焊接殘余

7、應(yīng)力加劇應(yīng)力集中.3 焊接接頭類型細(xì)節(jié)是控制焊接結(jié)構(gòu)疲勞壽命的命脈 焊4 基于英國(guó)標(biāo)準(zhǔn)（BS7608:1993）的疲勞壽命預(yù)測(cè)4.1 算法原理簡(jiǎn)述（1）計(jì)算損傷比損傷比 （SrSo）損傷比 （SrSo）式中，n為被評(píng)估點(diǎn)應(yīng)力幅Sr發(fā)生的次數(shù)；So為該評(píng)估點(diǎn)所在接頭的S-N曲線拐點(diǎn)。m為S-N曲線斜率。（2）損傷累計(jì)4 基于英國(guó)標(biāo)準(zhǔn)（BS7608:1993）的疲勞壽命預(yù)測(cè)44 基于英國(guó)標(biāo)準(zhǔn)（BS7608:1993）的疲勞壽命預(yù)測(cè)4.2 技術(shù)路線（1）指定具體待評(píng)點(diǎn)的位置；（2）如果有動(dòng)應(yīng)力實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，通過(guò)編譜而獲得該點(diǎn)的應(yīng)力幅值譜，轉(zhuǎn)到第（5）步；（3）如果沒(méi)有動(dòng)應(yīng)力實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，有載荷譜，那么創(chuàng)建有

8、限元模型；（4）根據(jù)載荷譜及有限元模型獲得該點(diǎn)的應(yīng)力幅值譜；（5）根據(jù)該點(diǎn)所在焊接接頭類型細(xì)節(jié)及承載方向，在BS中選擇對(duì)應(yīng)的用于建立S-N曲線的疲勞級(jí)別（FAT）及相關(guān)參數(shù);（6）根據(jù)損傷比計(jì)算公式，計(jì)算損傷比累計(jì)；（7）根據(jù)載荷譜或動(dòng)應(yīng)力譜所對(duì)應(yīng)的里程數(shù)，由Minner公式求出壽命（里程）；4 基于英國(guó)標(biāo)準(zhǔn)（BS7608:1993）的疲勞壽命預(yù)測(cè)45 基于國(guó)際焊接學(xué)會(huì)（IIW）標(biāo)準(zhǔn)的疲勞壽命預(yù)測(cè)5.1壽命計(jì)算公式：5.2技術(shù)路線（1）指定具體待評(píng)點(diǎn)的位置；（2）如果有動(dòng)應(yīng)力實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，通過(guò)編譜而獲得該點(diǎn)的應(yīng)力幅值譜，轉(zhuǎn)到第（5）步；（3）如果沒(méi)有動(dòng)應(yīng)力實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，有載荷譜，那么創(chuàng)建有限元模型；（

9、4）根據(jù)載荷譜及有限元模型獲得該點(diǎn)的應(yīng)力幅值譜；（5）根據(jù)該點(diǎn)所在焊接接頭類型細(xì)節(jié)及承載方向，在IIW中選擇對(duì)應(yīng)的用于建立S-N曲線的疲勞級(jí)別（FAT）及相關(guān)參數(shù);（6）根據(jù)損傷比計(jì)算公式，計(jì)算損傷比累計(jì)；（7）根據(jù)載荷譜或動(dòng)應(yīng)力譜所對(duì)應(yīng)的里程數(shù)，由Minner公式求出壽命（里程）；5 基于國(guó)際焊接學(xué)會(huì)（IIW）標(biāo)準(zhǔn)的疲勞壽命預(yù)測(cè)5.1壽命6 AAR/BS/IIW標(biāo)準(zhǔn)的個(gè)性與共性討論 6.1共性歸納 （1）Minner損傷累積是AAR/BS/IIW的理論基礎(chǔ)，其中BS與IIW的壽命計(jì)算公式本質(zhì)完全相同，可以互換。 （2）均提供了大量的極有價(jià)值的接頭數(shù)據(jù)庫(kù)，與我國(guó)TB相比，“價(jià)值連城”。 （3）

10、可操作性強(qiáng)，不僅有理論，亦有技術(shù)，不僅有數(shù)據(jù)，亦有工藝要求，只要被評(píng)估對(duì)象的接頭型式落入它們提供的數(shù)據(jù)庫(kù)之中，其壽命評(píng)估就是科學(xué)的有價(jià)值的。 （4）AAR/BS/IIW尤其適合焊接結(jié)構(gòu)的疲勞壽命預(yù)測(cè)與評(píng)估。6 AAR/BS/IIW標(biāo)準(zhǔn)的個(gè)性與共性討論 6.1共性歸納6 AAR/BS/IIW標(biāo)準(zhǔn)的個(gè)性與共性討論6.2 個(gè)性對(duì)比 （1）AAR AAR適用于新造貨車疲勞設(shè)計(jì)。 AAR的焊接接頭數(shù)據(jù)庫(kù)是建立修正Goodman圖的依據(jù)。 由于基于修正Goodman圖計(jì)算壽命，因而考慮了動(dòng)應(yīng)力的循環(huán)特性R的影響。 AAR提供的載荷譜非常有工程應(yīng)用價(jià)值。 （2）BS(7608:1993) 使用于鋼結(jié)構(gòu)，其中

11、包括焊接接頭及螺栓連接接頭。 將鋼結(jié)構(gòu)接頭細(xì)節(jié)分成10級(jí)，每一級(jí)別中不僅提供了建立S-N曲線的信息，還提供了工 藝條件的細(xì)節(jié)要求。 從工程的角度看，注重工程應(yīng)用。 （3）IIW 比BS更注重焊接接頭細(xì)節(jié)，焊接接頭分類更詳細(xì)。 考慮了更多的其它因素對(duì)壽命的影響，并提供了相當(dāng)豐富的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。 不僅適用于鋼結(jié)構(gòu)，也適用于鋁合金結(jié)構(gòu)。 考慮了裂紋的擴(kuò)展。6 AAR/BS/IIW標(biāo)準(zhǔn)的個(gè)性與共性討論6.2 個(gè)性對(duì)比6 AAR/BS/IIW標(biāo)準(zhǔn)的個(gè)性與共性討論 6.3 使用AAR/BS/IIW時(shí)的幾點(diǎn)提醒： （1）考慮到我們的焊接工藝水平的不穩(wěn)定性及材料質(zhì)量的分散性，即使是同樣的焊接接頭，其壽命要比國(guó)外的

12、要低一些。 （2）由于實(shí)際機(jī)車車輛結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，AAR/BS/IIW不可能提供支持所有產(chǎn)品的焊接接頭數(shù)據(jù)，因此，壽命計(jì)算過(guò)程中，對(duì)關(guān)鍵部位，當(dāng)很難以在AAR/BS/IIW找到可以借用的接頭數(shù)據(jù)時(shí)，要么勉強(qiáng)借用，要么投入時(shí)間與資金在實(shí)驗(yàn)室里補(bǔ)做，當(dāng)接頭形狀極其復(fù)雜時(shí)，補(bǔ)做也不是一件容易的事情。（3）注意: AAR/BS/IIW的標(biāo)準(zhǔn)接頭的板厚為16MM,如果實(shí)際接頭的板厚不是16MM,必須按以下的公式修正: 式中， 為標(biāo)準(zhǔn)焊接接頭的板厚 時(shí)的焊接接頭疲勞強(qiáng)度； t為當(dāng)前接頭的板厚； S為當(dāng)前接頭的疲勞強(qiáng)度。6 AAR/BS/IIW標(biāo)準(zhǔn)的個(gè)性與共性討論 6.3 使用A6 AAR/BS/IIW標(biāo)準(zhǔn)的

13、個(gè)性與共性討論 (4) IIW標(biāo)準(zhǔn)對(duì)不同板厚的修正 IIW標(biāo)準(zhǔn)中指出當(dāng)板的實(shí)際厚度增加時(shí)，接頭的疲勞強(qiáng)度將降低。在裂紋從焊趾處萌生的情況F，IIW給出了板厚為t時(shí)的疲勞強(qiáng)度修正： 式中，為板厚為標(biāo)準(zhǔn)值時(shí)的疲勞強(qiáng)度，為實(shí)際板厚為t時(shí)而換算出來(lái)的疲勞強(qiáng)度。該修正公式可以具體化為：式中， 取值為25mm，n隨具體接頭類型及焊后處理情況不同而不同.接 頭 類 別條 件n十字接頭，T型接頭，具有橫向加強(qiáng)筋的平板焊后自然狀態(tài)0.3十字接頭，T型接頭，具有橫向加強(qiáng)筋的平板焊趾打磨0.2橫向?qū)悠胶缚p焊后自然狀態(tài)0.2對(duì)接焊縫磨平，母材，縱向焊縫，縱向加強(qiáng)筋板任何情況下0.1IIW板厚修正指數(shù)確認(rèn) 6 AAR

14、/BS/IIW標(biāo)準(zhǔn)的個(gè)性與共性討論接 頭 6 AAR/BS/IIW標(biāo)準(zhǔn)的個(gè)性與共性討論 算例：t=28mm，F(xiàn)AT(25)=80Mpa， FAT(28)=80 =56.9Mpa FAT(28)=80 =78.2MpaFAT(28)=80 =79.1Mpa結(jié)論：當(dāng)接頭類型比較復(fù)雜，且不打磨，板厚雖然增加12%，但疲勞強(qiáng)度反而下降29%。 6 AAR/BS/IIW標(biāo)準(zhǔn)的個(gè)性與共性討論 算例：t=286 AAR/BS/IIW標(biāo)準(zhǔn)的個(gè)性與共性討論 (5)IIW標(biāo)準(zhǔn)對(duì)不同溫度的修正當(dāng)焊接接頭處于高溫工作狀態(tài)時(shí)，其疲勞強(qiáng)度將下降，其下降因子如下圖所示： 高溫下鋼結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度降低因子 對(duì)機(jī)車車輛焊接結(jié)構(gòu)而

15、言，工作溫度較低，不必修正。 6 AAR/BS/IIW標(biāo)準(zhǔn)的個(gè)性與共性討論 (5)IIW標(biāo)6 AAR/BS/IIW標(biāo)準(zhǔn)的個(gè)性與共性討論 (6) IIW標(biāo)準(zhǔn)中，應(yīng)力循環(huán)特征R0.5時(shí)的修正 IIW標(biāo)準(zhǔn)中指出，當(dāng)焊接接頭殘余應(yīng)力被釋放后，該焊接接頭的疲勞強(qiáng)度應(yīng)當(dāng)提高且提高程度與應(yīng)力循環(huán)特性相關(guān)，其提高因子如下圖所示：提高因子 f(R) 必須指出：對(duì)于復(fù)雜的二、三維構(gòu)件；高殘余應(yīng)力構(gòu)件；厚壁構(gòu)件，均不要修正。同時(shí)還應(yīng)注意：殘余應(yīng)力的釋放很難徹底；實(shí)際工程問(wèn)題中，各種焊接接頭裝配后也可能導(dǎo)致相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間駐留的殘余應(yīng)力，因此，僅在極其特殊的情況下才考慮此項(xiàng)修正。 6 AAR/BS/IIW標(biāo)準(zhǔn)的個(gè)性與共性討

16、論 (6) IIW6 AAR/BS/IIW標(biāo)準(zhǔn)的個(gè)性與共性討論案例: 假設(shè) 時(shí)， ，現(xiàn)需推算板厚從6mm變化到26mm時(shí)的S值。 該曲線表明，隨著板厚度增加，疲勞強(qiáng)度反而下降，這恰與靜強(qiáng)度規(guī)律相反。 tS/SBS=S(t)*SB61.27788667.7279781.18920763.02798101.12468359.60818121.0745756.95221141.03394654.7991516153180.97098451.46213200.94574250.12431220.92347348.94408240.90360247.89091260.885746.94211.1 列表

17、（表中以 為基本值）變化曲線6 AAR/BS/IIW標(biāo)準(zhǔn)的個(gè)性與共性討論案例: 假設(shè) 7 幾點(diǎn)體會(huì)（1）轉(zhuǎn)變?cè)O(shè)計(jì)觀念是當(dāng)務(wù)之急抗疲勞的壽命設(shè)計(jì)是對(duì)基于安全系數(shù)/動(dòng)荷系數(shù)設(shè)計(jì)原則的挑戰(zhàn)：安全系數(shù)設(shè)計(jì)的理念是靜強(qiáng)度校核，完全不適用于疲勞設(shè)計(jì)；一個(gè)零件不同部位應(yīng)該有不同的動(dòng)荷系數(shù)；一個(gè)結(jié)構(gòu)不同子結(jié)構(gòu)也應(yīng)該有不同的動(dòng)荷系數(shù)；用一個(gè)動(dòng)載荷放大系數(shù)考慮結(jié)構(gòu)體系每一構(gòu)件的動(dòng)載荷影響是不科學(xué)的、保守的。結(jié)論：基于安全系數(shù)/動(dòng)荷系數(shù)的設(shè)計(jì)未必是安全的。多用材料的設(shè)計(jì)也未必是安全的。應(yīng)力集中處?kù)o強(qiáng)度局部補(bǔ)強(qiáng)未必能提高疲勞壽命，甚至恰恰相反。7 幾點(diǎn)體會(huì)（1）轉(zhuǎn)變?cè)O(shè)計(jì)觀念是當(dāng)務(wù)之急7 幾點(diǎn)體會(huì)（2）千方百計(jì)降低應(yīng)力

18、集中是提高疲勞壽命的基本出發(fā)點(diǎn)焊接結(jié)構(gòu)疲勞裂紋首先從承力焊縫焊趾或焊根部位的應(yīng)力集中處開(kāi)始；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是否導(dǎo)致承力焊縫應(yīng)力集中？有限元分析可以給出一個(gè)基本的全局的宏觀的判斷；承力焊縫焊接工藝的缺陷導(dǎo)致微觀的應(yīng)力集中不易察覺(jué)，“探傷”不能排出所有的應(yīng)力集中可能；對(duì)承力焊縫的焊接工藝缺陷必須要有健全的質(zhì)量管理體系與可操作的措施，重要焊縫打磨也應(yīng)科學(xué)。布置焊縫時(shí)，必須要考慮承力方向；局部補(bǔ)強(qiáng)時(shí)，尤其是注意剛度協(xié)調(diào)。剛度不協(xié)調(diào)是導(dǎo)致應(yīng)力集中的宏觀因素。7 幾點(diǎn)體會(huì)（2）千方百計(jì)降低應(yīng)力集中是提高疲勞壽命的基本7 幾點(diǎn)體會(huì)（3）重視與疲勞相關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)的建設(shè)線路實(shí)測(cè)的載荷譜各種焊接接頭的S-N曲線焊接專家的工藝知識(shí)實(shí)踐證明行行有效的工藝管理知識(shí)國(guó)外先進(jìn)的設(shè)計(jì)與評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)國(guó)處先進(jìn)的焊接工藝質(zhì)量管理體系（4）“對(duì)”與“錯(cuò)”的啟示 我們討論的焊接結(jié)構(gòu)疲勞壽命預(yù)測(cè)本身是一項(xiàng)工程問(wèn)題。關(guān)于工程問(wèn)題，英國(guó)謝菲爾德（She