3.3.14-15动载结构设计ⅠⅡ

1、国际焊接学会授权的培训机构国际焊接学会授权的培训机构 哈尔滨焊接技术培训中心哈尔滨焊接技术培训中心 Harbin Welding Training Institute 国际焊接工程师培训课程国际焊接工程师培训课程Training Course for International Welding EngineerIIW Authorised Training Body3/3.14-15动载焊接结构的设计动载焊接结构的设计Design of dynamically loaded welded structures IIW Authorized Training Body 设计过程可分为以下三个步骤

2、：设计过程可分为以下三个步骤： 考虑实用性，进行功能设计考虑实用性，进行功能设计 根据结构未来的工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、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，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，这些要求也不能过这些要求不能太低；考虑经济性，这些要求也不能过高。高。 进行方案设计进行方案设计 根据上述要求，选择确定结构材根据上述要求，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

3、方案，它们互相联系，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；又互相制约；1焊接结构疲劳强度设计的一般原则焊接结构疲劳强度设计的一般原则IIW Authorized Training Body 进行具体的施工图设计进行具体的施工图设计 绘图前，进行必要的计绘图前，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。样进行必要的计算。 设计动载焊接结构必须特别强调两点：设计动载焊接结构必须特别强调两点： “动载动载”，对应力集中

4、非常敏感；对应力集中非常敏感；焊接接头属于刚性连接形焊接接头属于刚性连接形式，对应力集中也比较敏感。而且式，对应力集中也比较敏感。而且“焊接结构焊接结构”难难免有焊接残余应力、变形、焊接缺陷等，存在应力免有焊接残余应力、变形、焊接缺陷等，存在应力集中现象。集中现象。IIW Authorized Training Body 因此，设计动载焊接结构时，必须注意以下几点：因此，设计动载焊接结构时，必须注意以下几点： 承受拉伸、弯曲、扭转的构件，截面面积变化时，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尽量保持平顺、圆滑的过渡，尽量防止或减小构件截面刚度

5、突然变化，避免造成较大的附加应力和应力集面刚度突然变化，避免造成较大的附加应力和应力集中。中。 对接、角接、丁字、十字接头等，均应优先采用对接、角接、丁字、十字接头等，均应优先采用对接焊缝，少用角焊缝；对接焊缝，少用角焊缝； 单面搭接接头角焊缝的焊根、焊趾处，既有偏心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；能力很低，必须尽量避免采用这种接头形式；IIW Authorized Training Body 承受疲劳载荷的角焊缝（未焊透的对焊缝，也承受疲劳载荷的角焊缝

6、（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：根部或焊趾处。应采用如下措施： 开坡口，加大开坡口，加大熔深，减小焊缝根部的应力集中；熔深，减小焊缝根部的应力集中； 将焊趾处加工将焊趾处加工成圆滑过渡的形状，减小焊趾的应力集中；成圆滑过渡的形状，减小焊趾的应力集中； 处于拉应力场中的焊趾、焊缝端部或其它严重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。便降低应力集中的影响。 总之，应采取一切措施，排除或

7、减小应力集中的总之，应采取一切措施，排除或减小应力集中的影响。影响。IIW Authorized Training Body 我国钢结构标准，原设计规范基本金属及连接的疲我国钢结构标准，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。劳计算中，采用疲劳许用应力。 许用应力的确定许用应力的确定 设计原则设计原则 缺点缺点 没有考虑疲劳载荷的累积效应；没有考虑疲劳载荷的累积效应； 没有没有考虑过载峰对疲劳寿命的影响；考虑过载峰对疲劳寿命的影响； 没有考虑千变万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。

8、盖在安全系数里，加以考虑。2疲劳强度的许用应力设计法疲劳强度的许用应力设计法IIW Authorized Training Body3.1疲劳裂纹的亚临界扩展疲劳裂纹的亚临界扩展3.2疲劳裂纹扩展规律疲劳裂纹扩展规律疲劳寿命设计有两种设计原则：疲劳寿命设计有两种设计原则： 按疲劳裂纹发生寿命设计：该设计法以积累损伤不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。产生疲劳裂纹为限度。 按疲劳裂纹扩展寿命设计按疲劳裂纹扩展寿命设计 3.3裂纹扩展寿命的估算裂纹扩展寿命的估算3焊接结构的疲劳寿命设计焊接结构的疲劳寿命设计IIW Authorized Training Body 疲劳

9、极限状态法基本特点和基本公式如下。疲劳极限状态法基本特点和基本公式如下。4.1从随机变幅载荷的实际情况出发从随机变幅载荷的实际情况出发； 疲劳极限状态设计法，仅适用于低应力中、高周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：随机变幅疲劳的结构元件及其连接的疲劳计算。对于： 结构表面温度高于结构表面温度高于150易氧化，更高可能有相变、易氧化，更高可能有相变、蠕变等问题；蠕变等问题； 海水、腐蚀介质环境会加速裂纹的产海水、腐蚀介质环境会加速裂纹的产生和扩展；生和扩展； 消除焊接残余应力的高温热处理可能使消除焊接残余应力的高温热处理可能使构件晶粒粗大，

10、疲劳寿命降低；构件晶粒粗大，疲劳寿命降低； 高应变低周疲劳扩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。疲劳极限设计法的应用范围。4疲劳极限状态设计法疲劳极限状态设计法IIW Authorized Training BodyIIW Authorized Training BodyIIW Authorized Training Body疲劳设计应力谱及直方图疲劳设计应力谱及直方图 车主梁的疲劳应力谱及其直方图车主梁的疲劳应力谱及其直方图 IIW Authorized Training Body 疲劳线性累积

11、损伤定则：疲劳线性累积损伤定则： 等效等幅应力等效等幅应力 IIW Authorized Training Body4.2疲劳强度曲线针对各自不同的实际结构特点疲劳强度曲线针对各自不同的实际结构特点 IIW Authorized Training Body 将实际结构细分成各种不同的细节形式，将实际结构细分成各种不同的细节形式， 疲劳计算的构件和连接分类疲劳计算的构件和连接分类 IIW Authorized Training BodyIIW Authorized Training BodyIIW Authorized Training BodyIIW Authorized Training B

12、odyIIW Authorized Training BodyIIW Authorized Training Body 各个细节的疲劳强度值各个细节的疲劳强度值 105、2106、5106和和108 用应力幅值表示的疲劳强度曲线用应力幅值表示的疲劳强度曲线 IIW Authorized Training Body疲劳强度数值疲劳强度数值 R (MPa) IIW Authorized Training Body 欧洲钢结构疲劳设计规范表达式：欧洲钢结构疲劳设计规范表达式：IIW Authorized Training Body 我国钢结构设计标准我国钢结构设计标准GB-17-88中，疲劳设计采用

13、中，疲劳设计采用的计算公式的计算公式 eIIW Authorized Training BodyIIW Authorized Training BodyC、值值IIW Authorized Training Body4.3设计寿命是结构正常使用，正常运行而无设计寿命是结构正常使用，正常运行而无须修理的周期须修理的周期 在设计结构时，应考虑各零部件寿命的均衡性，在设计结构时，应考虑各零部件寿命的均衡性，防止薄弱环节降低结构的整体寿命。防止薄弱环节降低结构的整体寿命。4.4保证使用周期终了时的存活率保证使用周期终了时的存活率 结构的载荷效应和承载能力，会随时间、环境的结构的载荷效应和承载能力，会随

14、时间、环境的变化而不断变化。与原有的设计方法不同，极限状变化而不断变化。与原有的设计方法不同，极限状态设计要考虑这些变化的影响，并保证使用周期终态设计要考虑这些变化的影响，并保证使用周期终了时，结构的实际存活率，即保证结构有足够的可了时，结构的实际存活率，即保证结构有足够的可靠度。靠度。IIW Authorized Training Body4.5焊接学会循环加载焊接钢结构疲劳设计规范焊接学会循环加载焊接钢结构疲劳设计规范 本疲劳强度设计规范的出发点是，焊接结构的疲劳本疲劳强度设计规范的出发点是，焊接结构的疲劳寿命，取决于结构内各焊接接头的疲劳强度，而焊接寿命，取决于结构内各焊接接头的疲劳强度

15、，而焊接接头的疲劳强度，又取决于施加疲劳载荷的应力幅值接头的疲劳强度，又取决于施加疲劳载荷的应力幅值和接头类别所决定的应力集中情况。和接头类别所决定的应力集中情况。 本规范适用于本规范适用于s700MPa，焊态的的碳钢、碳锰，焊态的的碳钢、碳锰钢和细晶粒调质钢材的焊接接头。不适于严重腐蚀介钢和细晶粒调质钢材的焊接接头。不适于严重腐蚀介质下工作的焊接构件。质下工作的焊接构件。 IIW Authorized Training BodyIIW Authorized Training Body S-N疲劳强度曲线疲劳强度曲线IIW Authorized Training Body类型级别类型级别C 值

16、值疲劳极限，疲劳极限，MPa类型级别类型级别C 值值疲劳极限，疲劳极限，MPaa) m 3b) m 3.512510090806356453.9110122.0010121.4610121.0210125.010113.5110111.8210119274665946413312510090806356454.3710132.0010131.3810139.1610123.9710122.6310121.22101296776962484335S-N曲线的曲线的C 值及其相应的疲劳强度、疲劳极限值及其相应的疲劳强度、疲劳极限 IIW Authorized Training Body焊接接头分类焊接接头分类 IIW Authorized Training BodyIIW Authorized Training BodyIIW Authorized Training BodyIIW Authorized Training Body4.6 欧洲钢结构协会的钢结构疲劳设计规范欧洲钢结构协会的钢结构疲劳设计规范该疲劳设计规范受到相关