动载焊接结构设计Ⅱ(疲劳强度寿命计算)

1、 Harbin 动载焊接结构的设计、 -33.14-15 18*动载焊接结构的设计思考题6：应该如何进行焊接结构的疲劳强度设计？1、 焊接结构疲劳强度设计的一般原则设计过程可分为以下三个步骤： 考虑实用性，进行功能设计 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、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，这些要求也不能过高。 进行方案设计 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； 进行具体的施工图设计 绘图前，进行必要的计算，以便确定结构的重要尺寸。我

2、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样进行必要的计算。设计动载焊接结构必须特别强调两点： “动载”，对应力集中非常敏感；焊接接头属于刚性连接形式，对应力集中也比较敏感。而且“焊接结构”难免有焊接残余应力、变形、焊接缺陷等，存在应力集中现象。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，尽量保持平顺、圆滑的过渡，尽量防止或减小构件截面刚度突然变化，避免造成较大的附加应力和应力集中。 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； 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

3、荷的能力很低，必须尽量避免采用这种接头形式； 承受疲劳载荷的角焊缝（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根部或焊趾处。应采用如下措施： 开坡口，加大熔深，减小焊缝根部的应力集中； 将焊趾处加工成圆滑过渡的形状，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。总之，应采取一切措施，排除或减小应力集中的影响。2、疲劳强度的许用应力设计法我国钢结构标准，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。 许用应力的确定 先通过实验测定材料、结构的疲劳强度或疲劳极限，再按存活率（一般结构97

4、.7，特重要结构99.99）和疲劳循环次数（如2×106次）确定疲劳强度sr；疲劳强度的许用应力 srp=sr 式中： n- 安全系数； 设计原则 最大疲劳工作应力smax许用应力srp 缺点 没有考虑疲劳载荷的累积效应； 没有考虑过载峰对疲劳寿命的影响； 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，涵盖在安全系数里，加以考虑。电站两例3、 焊接结构的疲劳寿命设计1 疲劳裂纹的亚临界扩展 思考题7：何谓焊接结构的疲劳寿命？如何设计才能保证焊接结构的疲劳寿命，又经济合理？ 图1 亚临界裂纹扩展与临界尺寸 一个初始裂纹a0的构件，只有载荷应力达到临界值sC时（图1），亦即当

5、裂纹尖端 Harbin 动载焊接结构的设计、 -33.14-15 19的应力强度因子K1达到临界值K1C时，才会失稳破坏。一个有初始裂纹a0的构件承受smax=s0<sC的循环应力时，裂纹会发生缓慢扩展。初始裂纹a0扩展到临界裂纹aC的过程，称为疲劳裂纹的亚临界扩展阶段。研究疲劳裂纹亚临界扩展规律，对结构的疲劳寿命设计和确定现役结构的疲劳寿命，具有重要的理论意义和实用价值。2 疲劳裂纹扩展规律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产生疲劳裂纹为限度。 按疲劳裂纹扩展寿命设计：该设计法以积累损伤，疲劳裂纹不失稳为限度。（如某水电厂发现水轮机蜗壳上有一个较

6、长的裂纹为例）疲劳裂纹扩展速率计算公式：一般公式：dN=f(a,s,C) C：与材料有关的系数帕瑞斯公式：dN=C(DK) n=27（塑脆） n图2 不同加载方式的实验结果对于无限大薄板：K=sa DK=Dsa帕瑞斯的实验结果如图2，可见亚临界裂纹扩展速率不受试样几何形状和加载方式的限制，各实验点都落在一条直线上，裂纹扩展速率直接接受应力强度因子幅值DK的控制。但图3的结果说明，DK相同，r不同，裂纹扩展速率并不相等，这说明，帕瑞斯公式过分强调了Ds，即DK的作用，而忽视了Kmax增大，特别是Kmax趋近K1C时，对裂纹扩展的加速作用。考虑了上述因素的是福曼公式： 图3 不同r对dadN 的影

7、响dN=C×DKn(1-r)K1C-DK=C×DKn 1 - r 图4 福曼公式处理后的dadN (K1C-Kmax)×DKKmax =1-KminKmaxn=DKKmax=C(DK)·Kmax(K1C-Kmax)×DK以福曼公式处理图2的实验结果，绘到图4上，其直线度更好。但许多高韧性材料难以测出K1C，难以使用此公式。合并Kmax、 K1C-Kmax作用的是华格公式：dN=CKmax×(1-r)m=CKmax×DKmKmax(mn)()n=CDKm×K(1-mnmax)图5华格公式处理后的dadN式中m<

8、1：不锈钢（301型）m=0.667； Harbin 动载焊接结构的设计、 -33.14-15 20铝合金2024-T3 m=0.5,7075-T6 m=0.425。数据处理结果见图5。n=27，是图中直线的斜率。DK在较大的范围内变化时，如图6所示，n有不同的数值。能够反映这一广域情况的是陈篪公式：2dadN=DK2-DKth(K21C-DK2)p3 疲劳裂纹扩展寿命的估算若经过N0次疲劳循环，裂纹扩展到a0长，再由K1C计算出裂纹失稳扩展的临界尺寸aC，即可根据上述公式，如帕瑞斯公式dN=C(DK)，求定积分，得出剩nNfaC图6 dadNK 的一般关系图余寿命：N=Nf-N0=ò

9、;dN=òN0da 。 na0CDK对于无限大板中心穿透裂纹的情况：DK=Dsa，代入上式得N=Nf-N0=aC12Cn-2DsaCnéaCêæçêçèa0êëö÷÷øn-12ù-1ú 式中 n¹2。 úúû若n=2，则剩余寿命：N=Nf-N0=11CDslnnaC a0与Ds相比，p、aC、a0、n等都是不变或基本不变的数，将它们合并到常数c中，上面的两个公式可以简化为：或 Ds=N=cDs（用

10、于国际焊接学会设计规范）m(（用于我国钢结构标准）。式中：c=N*Dsm，设定m ,c可使通过实验数据求得。4、疲劳极限状态设计法随着计算机技术的飞速发展，现代极限设计法，日趋科学和完善。疲劳极限状态设计法的基本特点和基本公式如下。1从结构的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150易氧化，更高可能有相变、蠕变等问题； 海水、腐蚀介质环境会加速裂纹的产生和扩展； 消除焊接残余应力的高温热处理可能使构件晶粒粗大，疲劳寿命降低； 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，不属于疲劳极

11、限设计法的应用范围。 Harbin 动载焊接结构的设计、 -33.14-15 21 裂纹尖端K因子的变化幅值DK=Kmax-Kmin与裂纹扩展速率直接相关。疲劳极限状态设计法，将应力变化幅值Ds=smax-smin，作为重要的计算参量。因Ds与DK在特定结构中有对应关系，而Ds比DK容易测量和计算。 实际结构多在随机变幅疲劳载荷下服役。通过传感器可实际测量并记载（或用理论计算），获得随机变幅疲劳载荷应力谱（如图7所示），采用统计方法，将不同应力水平的Dsi及其发生率ni，绘制成疲劳应力谱直方图。整理后的直方图如图8所示。实验研究结果表明，Dsi图7货车主梁的疲劳应力谱及其直方图及其ni所产生的

12、疲劳损伤，符合疲劳线性累积损伤定则。 疲劳线性累积损伤定则：D=n1n2+L=å(niNi)£1 N1N2D³1时，则损伤累积到发生疲劳破坏的程度。 式中：Ni是对应于Dsi发生疲劳破坏的循环次数根据此式，可以推导出，将随机变幅应力转换成等效等幅应力的表达式。 等效等幅应力 Dse=Dseq=å(Dsmi×niN)m式中：N=åni，相当于在等幅应力 Dseq作用下，发生疲劳破坏的次数；Dsi ：变幅载荷引起的各个水平的应力幅值；ni ：对应Dsi的循环次数。假定： 低于疲劳极限的Dsi ，无影响，不计入； Dsi 加载顺序的影响忽略

13、不计。1n均方差Seq=(Dsi-Dseq)2反映Dsi的分散度，影响计算Dseq的准确度。 ån-1i=12疲劳强度曲线针对各自不同的实际结构特点。Dseq或DsS是疲劳载荷在结构上的应力效应；DsR是结构抵抗疲劳载荷的能力。二者都会因为结构的不同和时间、环境的不同而不断变化。疲劳极限设计法将所有这些因素一一给予考虑： 将实际结构细分成各种不同的细节形式，GB-17-88列出的构件和细节类型19'种如表1所示，采用实验与理论分析计算的方法求得它们的疲劳强度DsRi（表中类别为 Harbin 动载焊接结构的设计、 -33.14-15 22'18种疲劳强度级别，见表）。

14、DsRi有一定的分散度，其平均值、均方差按下式计算：1n'平均值Ds=åDsRi ； 均方差SR=ni=1'R1n''DsRi-DsRån-1i=1()2。表1 疲劳计算的构件和连接分类 Harbin 动载焊接结构的设计、 -33.14-15 23 Harbin 动载焊接结构的设计、 -33.14-15 24' 各个细节的疲劳强度值DsR=DsR-2×SR。绘制它们的疲劳强度曲线DsR-N，如图9所示。表2列入了10、2×10、5×10566和10次等，不同疲劳寿命N的疲劳强度值68DsR。欧洲规范，将N

15、 = 2×10次的疲劳强度值作为细节类型。gs×Dseq£DsRgm中，gm抗力变化分项系数；gs载荷变化分项系数。gm、gs均为³1的系数。这表明，将容许的载荷效应指标Dseq减小了由gm、gs决定的额度，以确保安全。 我国钢结构设计标准GB-17-88中，疲劳设计采用的计算公式：Dse£Ds中，疲劳应力幅值Dse=smax-smin，对于随机变幅疲劳应力，按等效等幅应力Dseq计算：Dse=Dseq= Ds=å(Dsmi×niN)； 这属于疲劳载荷在结构上的综合效应。DsR，也可由疲劳强度曲线DsR-N得出： Ds=gs

16、×gm( 。Ds称为容许疲劳应力幅值，分8个级别，与表1中列出的19种构件及其连接的8个类别相对应。将8个类别的m、c值及N=2×106时的Ds值一并列入表3中。根据具体构件和连接形式可由表1查其类别，再由表3查m、c的值，根据计算公式： Ds=(，即可计算出不同循环次数 时的容许疲劳应力幅值DsN；或由Dseq计算寿命 。 Harbin 动载焊接结构的设计、 -33.14-15 25Ds是特定结构或连接的疲劳抗力，与结构本身存在的应力集中情况密切相关。3设计寿命是结构正常使用，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，防止薄弱环节降低结构的整体寿命。4保证使

17、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，并保证使用周期终了时，结构的实际存活率，即保证结构有足够的可靠度。使用周期终了时的存活率可以通过安全水平指数b=(lggs+lggm+2SR)22SR+Seq5 的疲劳强度，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和接头类别所决定的应力集中情况。本规范适用于，焊态的ss<700MPa的碳钢、碳锰钢和细晶粒调则计算等效等幅应力，结合接头细节类型的S-N疲劳强度曲线，推算结构寿命，并作比较：若高于实际需求寿命，则接头形式、细节类型可用。否则，应

18、采取必要的安全措施。 S-N疲劳强度曲线本规范的S-N双对数坐标疲劳强度曲线，如图10所示，是根据焊接试样的常幅疲劳试验的数据建立的。数学分析表达式为：N=Dsm，值的大小决定着各条曲线的位置。 值在34之间变化，是双对数坐标疲劳强度曲线的斜率， 值相同，线就互相平行。图10 a) ；图10 ) 3.5，它们在N=2×10处相交（疲劳强度值相等）。图10中125、112等是各细节类型N2×106时的疲劳强度DsR2×106，表4中列出了各曲线的c值，以便计算不同N值（疲劳寿命）时的疲劳强度DsR。28种接头细6 Harbin 动载焊接结构的设计、 -33.14-1

19、5 26节类型及其说明列于表5中，图10、表4、表5的数据、类型互相对应。本规范认为，当应力幅值较小时，如3，7×1010或3.5，4×1011（相当于载荷应力幅值33MPa）时，可视为静载，无须进行疲劳强度计算。载荷应力幅值Dse£DsR×10（疲劳极限）时，亦不需进行疲劳强度计算。 载荷效应应力幅值计算，并未考虑焊缝附近孔洞、拐角应力集中因素，疲劳强度计算时，应予以考虑。图10 IIWDOC639-81的S-N曲线表4 S-N曲线的C 至及其相应的疲劳强度、疲劳极限表5 焊接接头分类 Harbin 动载焊接结构的设计、 -33.14-15 27 Ha

20、rbin 动载焊接结构的设计、 -33.14-15 28 Harbin 动载焊接结构的设计、 -33.14-15 296 欧洲钢结构协会的钢结构疲劳设计规范（Eurocode3该规范强度计算的解析表达式为：DsRm³gs×DsS思考题9：欧洲钢结构协会式中：DsR结构细节的疲劳强度值； 的钢结构疲劳设计规范的优点有哪些？如何综合利用不同规范的不同优点？ gm³1抗力变化系数；DsS疲劳载荷效应值；gS³1载荷变化系数。各个结构细节的疲劳强度值DsR，以双对数疲劳强度曲线DsR-N的形式，绘制在图9上。把纵坐标刻度（1001000之间）分为20级，以平行等

21、距直线表示，图中绘出14级不同细节类型的疲劳强度曲线，每一级大约有12% 疲劳强度的差别。-m图线的解析表达式为：N=c×DsR 或 DsR=(N) 。 式中：m图线的斜率；平行的图线段有相同的m 值，不同的图线段有不同的常数c，同一图线的DsR与循环数N有一一对应的关系。当构件的全部应力幅值低于N=5×106的疲劳强度值（常幅疲劳极限）时，一般不再进行疲劳强度计算；低于截止限（N=108次时的疲劳强度值）的应力幅值Ds，在进行变幅疲劳强度计算时，可忽略不计。N=105等4种典型疲劳寿命数的疲劳强度值 Harbin 动载焊接结构的设计、 -33.14-15 30列于表2中。以N=2×106时的疲劳强度值160，140等为细节类型，将各个细节类型的构造细节及其说明一一列入表711中。图中的疲劳强度DsR及其