IIW标准注释及应用入门(修改)

1、IIW 标准注释及应用入门大连交通大学 兆文忠 2005.10）1 引言IIW 是国际焊接学会（ International Institute of Welding）的英文缩写。1996年 IIW 下属的焊接接头工作组（ Joint Working Group）提交了一份文件 名为焊接接头及其构件疲劳设计（ Fatigue Design of Welded Joints andComponents），该文件编号为 -1539-96/XV-845-96 ，国内，该文件被称之为 焊接接头及其构件疲劳设计标准 （见参考文献 1 ）。本注释亦用标准一词定 义该文件，其原因是它提供了各种级别的焊接接头

2、疲劳强度的 S-N 曲线是许多国 际著名的焊接专家学者在实验室实测的。 这些 S-N 曲线不仅具有权威性， 而且具 有工程实用性， 因为这些 S-N曲线考虑了焊缝形状所引起的局部应力集中； 一定 范围内的焊缝尺寸和形状偏差；应力方向；残余应力；冶金状态；焊接过程和随 后的焊缝改善处理。 此外，如果这些焊接接头及其构件还存在其它原因的应力集 中，该文件还给出了一些大于 1 的应力集中系数， 该应力集中系数可乘以疲劳载 荷，亦可以除以，表明 S-N 曲线级别的 FAT值。显然，当不采用有限元数值技术 时，这种考虑亦很实用。从疲劳设计的技术路线上看，焊接结构疲劳寿命预测需要两个必要条件：图1 焊接结

3、构疲劳寿命预测的技术路线（1）激起动应力的载荷谱；（2）由实验获得的焊接接头的 S-N 曲线条件（ 1）是导致疲劳的外因，只要精心组织，不难获取；条件（ 2）是导致 疲劳的内因，它的获取则是一件不容易的事，因为它需要 大笔资金来支撑大量 的实验室实验及研究。我们设计人员手里的铁道部标准 TB/1335-1996 中关于疲 劳设计的内容不过是教科书中相关内容的 Copy，客观地说，毫无实用价值。联 想到提速/重载后，焊接构件疲劳断裂日益突出，因此，将 IIW 标准急切地推荐 给诸位，其原因就在于 IIW 标准为我们提供了大量的宝贵的焊接接头抗疲劳设计 数据。尽管这些数据在应用中可能有些困难， 例

4、如实际接头形状比较特殊时， 在 IIW 标准接头库中，找不到非常吻合的“替身” ，或者国内的材质及工艺水平达 不到 IIW 的标准要求， 但是从支持抗疲劳设计方案比较的角度看， 它的贡献是不 可代替的，例如，同一个方案中， 计算疲劳寿命最短的部位一定是值得关注的部位，计算寿命改善的方案一定是值得肯定的方案， 几个典型案例的成功证明了这 一点。2、几个值得关注的重要概念2.1 应力类型与名义应力焊接结构疲劳设计或评定过程中， 计算或测量应力时， 应注意应力类型。 不 同的应力类型对应有不同的疲劳强度，或对应有不同的 S-N 曲线表征方式。焊接结构疲劳设计或评估时，常见的应力类型有： （1）名义应

5、力，或称为标称应力，是焊接接头焊缝附近的平均应力，可以 贴片测得，也可以用有限元方法获得。（2）几何应力，或称为热点应力，是焊缝接头焊缝焊趾处的非线性尖峰应 力，很难用贴片测得，但可以用适当的有限元方法获得。当前，工程中的 S-N 曲线普遍采用名义应力表示。同时，还要强调指出：对 于机车车辆而言，不论是车体，还是转向架，其焊趾附近的应力状态，或属于单 向应力状态， 或属于双向应力状态。 当属于双向应力状态时， 应取最大主动应力 参与计算。2.2 、应力范围最近 20 余年的研究表明 , 结构焊缝及其附近存有达到或接近屈服点的残余 应力, 因此在常幅应力循环作用的接头中 ,焊缝附近所承受的实际循

6、环应力将从 材料的屈服应力 （或接近屈服应力 ）向下摆动 , 而不管其原始作用的循环特性如 何。所以 , 焊接接头的疲劳性能用应力范围的概念来表述是科学的。这也是为什 么 IIW 标准（ BS 标准）采用应力范围而不采用与循环特性相关的信息获取S-N曲线的根本原因。应力范围定义如下： =max- min 式中，应以名义应力定义的应力范围。2.3 应力集中与刚度协调 焊接接头的疲劳强度主要取决于焊缝形式和焊接工艺。 而影响焊接接头的疲 劳强度的主要因素： 应力集中，表面加工，焊接残余应力， 焊接缺陷，加载方式， 尺寸因素等。其中应力集中和焊接残余应力是影响焊接接头的两大主要因素。事实上，应力集中

7、不过是现象，本质是刚度的突然变化所致。 以简单的对接平焊缝轴向拉伸为例：E （ 1）du （ 2）dxduE （ 3）dxdudxFEA(x)EA(x)为拉压刚度， A（x） 表示沿 x 方向截面面积 , 因12焊缝凸起存在的而不再是常数）积分后，有：l Fdxu C 0 EA(x)数学上，变形 u 与拉压刚度互为倒数关系，因此， EA（x）的微小变化，必 然导致 u 的很大变化，即 du 很大，由式（ 3），应力集中必然不可避免产生急剧 dx变化，应力集中由此引发。 重要启发：因此，治理影响疲劳强度的应力集中， 应从协调刚度出发， 因为刚度不协调 必然导致应力集中，应力集中必然导致抗疲劳能力

8、下降。 由此可以解释以下事实：（1）为什么重要焊缝必须打磨；（2）为什么不同板厚板宽必须渐变过渡；（3）为什么尽力避免搭接接头形式的补强；（4）为什么重要承力结构不可随意焊接吊挂。 总之，治理应力集中不应是简单地降低母材的应力水平， 而是协调焊接接头 的刚度，应力集中是现象， 刚度不协调是本质， 协调刚度是局部补强的一个重要 原则。2.4 S-N 曲线的数学属性IIW 标准中，量度疲劳强度的 S-N 曲线（母材或接头）的数学描写是：式中，m与 c 为取决于母材或接头的材料常数。 因此，寿命与应力（或应力范围）的数学关系是：C1显然，二者互为高度非线性的双曲线型关系，且有敏度公式：N Cmm1可

9、见，的微小变化，都将导致寿命 N 有很大变化，且变化方向相反：NN N0 （ Cmm1）2.5 麦纳尔损伤累计的能量属性考虑到 BS 标准注释及使用入门中也要用到迈纳尔（ Miner）损伤理论， 故在此略详细交待之。在许多关于疲劳强度的经典著作中都可以查阅到迈纳尔（ Miner ）损伤积累 理论。其中用能量观点解释迈纳尔损伤累积理论应该是最深刻的， 即材料或焊接 结构发生疲劳破坏所需要的总能量基本上是一个材料或结构常数， 它不依赖加载 荷水平和加载历程。换个角度，可以将其理解为：对于给定的材料或焊接结构， 它为了抵抗疲劳破坏而储存的能量是给定的， 不随加载次序的改变而改变。 当加 载状态恶劣时

10、， 储存的抵抗疲劳的能量消耗就多一些， 反之则少一些。 用寿命来 度量，前者寿命短一些，后者则长一些。这一见解亦可以从 S-N 曲线上得到物理意义上的解释。图 2 应力范围图中，对于一个给定的接头，例如Joint(1) ， 1> 2 而 N1<N2， 1> 2 意味着前者载荷条件恶劣，而 N1<N2 则意味着前者寿命短于后 者。从量纲上看，可以理解为力， N 可以理解为用里程表示的距离。 lg *lgN 对应一个对数坐标系下面积，其物理本质就是能量。于是，对于两个不同 的接头，例如 Joint(1)和 Joint(2)，则有两条不同的 S-N 曲线，对于这两个 S-N

11、曲 线。同样时，不同的 S-N 曲线下“面积”是不同的，即意味着储存的抵抗 疲劳破坏的能量不同， 面积大的， 储存的抗疲劳破坏的能量就大一些， 反之则小 一些。这一区别恰是不同材料或不同焊接结构抗疲劳破坏能力内因区别。3. 怎样使用 IIW 标准IIW 标准是一个完整的科学体系，其技术路线如图 1 所示。3.1 载荷与动应力编谱首先，在焊接接头处引起动应力的疲劳载荷可以分为两类， 一是路线上运行 时的随机载荷；二是疲劳试验机上的非随机载荷或称之为规则载荷。从研究疲劳的角度看， 很多人把注意力放在动应力测试上， 其实动应力不过 是某一点的局部信息， 是动载荷在该局部的响应； 而动载荷则是引起动应

12、力的全 局信息，更值得关注。如果有条件获得动载荷， 则可由此计算出任一点动应力； 而通过获得的动应 力反求出动载荷，则十分困难。以美国 AAR 标准为例，它以标准形式给出了各 类随机动载荷谱， 例如车钩力谱、 心盘力谱， 其重要原因大概就在于载荷信息 是全局量。疲劳实验机上的实验载荷要么取自于各类加载标准， 要么根据路线实测结果 等效成为一规则载荷，等效算法参见文献 4 。当路线上贴片获得某一焊接接头的动应力后，需要将其编谱。下面是以 FE-FATIGUE 为编谱工具，对某客车转向架中某一焊接头动应力编谱的基本步 骤：采用英国 Ncode 公司的 FEFATIGUE 软件对每一通道数据进行动应

13、力编 谱。其编谱过程如下：（ 1） 去掉原始数据中非正常信号，即通常的去掉毛刺（ spike removal）；（ 2） 经快速傅立叶变换，获得频谱，在频谱中发现干扰频率；（ 3） 根据频谱信息进行滤波；（4） 应力范围雨流计数，从而获得可以进行疲劳寿命计算的动应力谱。 例如：图 4 原始测试数据时域信号图 5 去毛刺后的时域信号图 6 滤波后的时域信号（滤波频率 40Hz ）图7 雨流计数直方图（分级 1MPa） 为了便于理解，下面给出一个“麻雀”解剖之。 例如，L为 2000KM，在此历程上，应用上面技术编谱后，假设某一焊接接 头应力范围有 5 个等级，即 1， 2， 3， 4， 5，它们

14、发生的次 数分别为 n1, n2, n 3, n4, n5，则有下面矩阵：12345 i1234 5nin1n2n3n4n5将上面矩阵具体化，例如：单位： MPa12345 i3040506070ni1053×1041043.7×1031.2×103该矩阵即为应力范围谱。 该矩阵还可以雨流计数直方图表示， 例如图 8 所示图 8 雨流计数直方图3.2 怎样从 IIW 中选择合适的 S-N 曲线IIW 标准表 3.2-1 及表3.2-3 中分别给出了钢和铝合金的接头细节及疲劳 强度等级（ FAT）值。首先，从这些表中按设计要求及受力特点查找相符的接头几何形状， 一旦

15、接 头形状选定，要记下表中疲劳强度等级 FAT 的值，然后，根据该 FAT值，查表 4-1 ，该表中的级别（ Class）与 FAT 值一致。表 3.2-1 常数，常幅疲劳极限和截止极限（ MPa）Palmgren-Miner 累积特征抗疲劳 -S-N 曲线的修正值 最初斜率 m1=3.0，循环数 5e6 时的常幅疲劳极限 l,x二次斜率m2=5.0,在 106 循环时截止级别循环数 N<5e6，m1=3 时 S-N 曲线的常数 C常幅疲劳极限循环数 N>5E6，m2=5时 S-N 曲线的常数 C截止极限2552.27e131666.261e1791.12001.600e13147

16、3.474e1780.91801.166e131332.052e1772.81608.192e121181.139e1764.81405.488e121035.840e1656.71253.906e1292.13.313e1650.61122.810e1282.51.913e1645.31002.000e1273.71.086e1640.5901.458e1266.36.411e1536.4801.012e1258.93.558e1532.4717.158e1152.31.959e1528.7635.001e1146.41.078e1525.5563.512e1141.35.980e1422.

17、7502.500e1136.83.393e1420.2451.823e1133.22.004e1418.2401.280e1129.51.112e1416.2369.331e1026.56.565e1314.6326.554e1023.63.643e1313.0284.390e1020.61.869e1311.3253.125e1018.41.060e1310.1222.130e1016.25.596e128.9201.600e1014.73.474e128.1181.166e1013.32.052e127.3168.192e911.81.139e126.5145.488e910.35.840

18、e115.7例如：工字梁上焊一盖板补强，如图 9 所示；该接头 FAT=56，则在该表中 查出 m1=3,常数 C1=3.512e11，对应的疲劳强度极限为 41.3MPa； m2=5，常数 C2=5.980e14，截断极限为 22.7 MPa。将上述参数具体化，即得该接头双斜率的 S-N 曲线（参见 IIW 技术标准中图（ 4）-1）（a）（b）图 9 焊有补强板的接头及其 S-N曲线3.3 怎样用 IIW 计算疲劳寿命IIW 标准给出双对数坐标系下的 S-N 曲线不是一条直线，而是具有双斜率 的折线，该折线拐点对应的循环次数Nc=5*10 6，该 S-N 曲线截止循环次数Ncut=1*10

19、 8，这表明：在疲劳实验机上，疲劳加载循环次数达到 1 千万次，可见 IIW S-N 曲线精度相当高。IIW 标准中采用国际工程界普遍适用的迈纳尔损伤累积理论算疲劳寿命， 例 如，英国 BS 标准，美国 AAR 标准也用迈纳尔损伤累积理论算疲劳寿命。仍以上面的应力范围谱及 FAT=56 级别的接头为例，由于截止极限为 22.7Mpa ，因此谱中每一级均大于 22.7Mpa，因此每一级都将导致疲劳损伤，这些损伤分别是：D1 n1 ，其中 n1=105 ，MPa< 1<22.7 MPa,所以在公式 N Cm 中，C N 1 m取 5.980e14,m 取 5 从而 N1=2.46*107， D1=0.004。D2 n2 ，其中 n2 =3e4,因为 22.7MPa < 2<41.3MPa，所以在公式 N2NCm 中，C取 5.980e14，m取5，从而 N2 =5.834e6， D2