焊接工程师课程-IWE-3-3.14-15动载焊接结构的设计市公开课一等奖省赛课微课金奖课件

第29期国际焊接工程师班编稿-上海交通大学陈立功IWE-3/3.314-15动载焊接结构设计1、焊接结构疲劳强度设计普通标准（总则：排除或减小应力集中影响）动载结构设计三步曲（1）考虑实用性功效设计：提出结构承载能力、强度、刚度、腐蚀度、寿命详细要求。不高不低，兼顾安全性和经济性；（2）方案设计：在了解动载情况和寿命要求前提下确定材料、结构、工艺等综合设计方案；（教材中“传递、自动化程度、控制方式”等应转化为动载情况问题）（3）施工图设计：动载焊接结构、焊接接头合理选择及细部主要尺寸正确计算。动载结构设计强调（重视应力集中现实）（1）焊接接头（属刚性连结）因为连结形式、焊接变形、焊接缺点等导至应力集中和存在焊接残余应力必定性。（2）动载对应力集中敏感性；残余应力与动载最大应力叠加可能性。动载结构设计注意点（排除和减小应力集中）（1）承受拉、弯、扭构件，在截面面积变形时平缓过渡，防止附加应力和应力集中；（2）对接、角接、丁字、十字接头等，优先采取对接焊缝，少用角接焊缝；（3）因为单面搭接接头角焊缝焊根、焊趾存在偏心弯矩和应力集中，尽可能防止使用；（4）角焊缝和非溶透对接焊缝焊根、焊趾是危险应力集中位置。经过开坡口加大熔深减小焊根部应力集中；经过对焊趾加工（圆滑打磨、重熔等）减低应力集中；（5）在拉应力场焊根、焊趾端部或应力集中处，开应力缓解槽、孔。1第1页第29期国际焊接工程师班编稿-上海交通大学陈立功IWE-3/3.314-15动载焊接结构设计2、疲劳强度许用应力设计法（传统方法）我国原钢结构设计规范，对基本计算和连结疲劳计算采取疲劳许用应力：（1）许用应力确实定经过试验确定材料和结构疲劳强度或疲劳极限（r=0；特定疲劳N次σd或N足够大时σd）；按存活率（普通结构：97.7％，特主要结构99.99%)和疲劳循环次数（如2×106次）确定疲劳确定σr。疲劳强度许用应力为：[σrp]=σr/n

式中n为安全系数；

存活率：使用周期终了构件安全水平指数，查表或计算取得。（p7/14页)（2）最大疲劳工作应力为：σmax≤[σrp]（3）传统方法存在问题未考虑疲劳载荷积累效应；未考虑过载峰值对疲劳寿命影响；未考虑改变不确定原因，已把这些不确定原因涵盖在安全系数n内。2第2页第29期国际焊接工程师班编稿-上海交通大学陈立功IWE-3/3.314-15动载焊接结构设计3、焊接结构寿命设计3.1疲劳裂纹亚临界扩展静载条件下，按线弹性断裂力学，对初始裂纹a0只有在σmax=σ0>σC，即K>K1C时，才会失稳扩展；在疲劳载荷下，初始裂纹a0在循环载荷σmax=σ0<σC,裂纹就会迟缓扩展；初始裂纹a0

扩展到临界裂纹aC

过程，称疲劳裂纹亚临界扩展阶段。研究疲劳裂纹亚临界扩展规律对疲劳设计、疲劳寿命确定含有主要理论意义和实用价值。3.2疲劳裂纹扩展规律两种设计标准（1）按疲劳裂纹发生寿命设计：以积累损伤不产生疲劳裂纹为程度。（2）按疲劳裂纹扩展寿命设计：以积累损伤，疲劳裂纹不失稳扩展为程度。σcσa0aca0aC失稳扩展亚临界扩展3第3页第29期国际焊接工程师班编稿-上海交通大学陈立功IWE-3/3.314-15动载焊接结构设计疲劳裂纹扩展速率计算公式普通公式：da/dN=f(a,σ，C）

N疲劳次数，a裂纹长度，σ疲劳应力，C材料常数帕瑞斯（Paric)公式：da/dN=C(△K）n

△K应力强度因子幅度（△K=Kmax-Kmin),n=2～7(塑性～脆性）帕瑞斯认为：K是裂纹尖端应力强度因子，故也是裂纹扩展速度主要参量。10－210－110－3da/dN,mm/次10－450015001000△K，/mm3/2对无限大薄板：

K=σ（πa)^(1/2)

△K=△σ(πa)^(1/2)按帕瑞斯公式，亚临界扩展速率不受试验几何形状和加载方式影响，只受应力强度因子幅值影响。其过分强调△

K和△

σ作用，而忽略了Kmax增大，尤其是Kmax趋近K1C时对裂纹扩展加速作用。4第4页第29期国际焊接工程师班编稿-上海交通大学陈立功IWE-3/3.314-15动载焊接结构设计福曼（Forman)修正公式：

da/dN=C(△K)n/((1-r)K1C-

△K)=C(△K)n/((K1C-Kmax)△K/Kmax)=C(△K)n

Kmax/((K1C-Kmax)△K)

因为引入循环特征系数r，能更加好描述不一样r疲劳裂纹扩展规律。裂纹扩展速率是C、r、△K和K1C函数，K1C越大da/dN越小。10－210－110－3da/dN,mm/次10－450015001000△K，/mm3/2R=0.1050.2310.3330.4550.5245r=σmin/σmax=(σmσa)/(σm＋σa);-1≤r≤1第5页第29期国际焊接工程师班编稿-上海交通大学陈立功IWE-3/3.314-15动载焊接结构设计因为许多高韧性材料K1C无法测得，所以华格（Walker）提出疲劳扩展速率计算公式

da/dN=C[Kmax(1-r)m]n=C(Kmax△Km/Kmaxm)n=C(△KmKmax1-m)n

式中m<1：301不绣钢m=0.667,铝合金2024-T3m=0.5，7075－T6m=0.425,n=2～7

当m=1时，华格公式与帕瑞斯公式完全一致。试验结果见左下列图。当△K在较大范围改变时，我国著名学者陈篪（篪chi音“迟”，竹制乐器）提出了广域计算公式：

da/dN=[(△K2-△Kth2)/(K1C2-△K2)]p10－210－110－3da/dN,mm/次10－41000100△K，/mm3/2r=0.1030.2310.3330.4550.524ACBD平断口A转折点Ⅰ全切变或平面断口D切变斜断口C开始形成小脊断口B△Kth转折点Ⅱda/dN,mm/次△K，/mm3/26n：直线斜率第6页第29期国际焊接工程师班编稿-上海交通大学陈立功IWE-3/3.314-15动载焊接结构设计7提出人数学模型成就不足帕瑞斯（Paric)da/dN=C(△K）nn=2～7亚临界扩展速率不受试验几何形状和加载方式影响，只受应力强度因子幅值△K影响。忽略了Kmax增大，尤其是Kmax趋近K1C时对裂纹扩展加速作用。福曼（Forman)da/dN=C(△K)n/((1-r)K1C-

△K)裂纹扩展速率是C、r、△K和K1C函数，K1C越大da/dN越小。许多高韧性材料K1C无法测得。华格（Walker）da/dN=C[Kmax(1-r)m]n=C(Kmax△Km/Kmaxm)n=C(△KmKmax1-m)n式中m<1用m参数替换无法测得K1C。当m=1时，华格公式与帕瑞斯公式完全一致。需测定材料m值。陈篪

da/dN=[(△K2-△Kth2)/(K1C2-△K2)]p满足△K在较大范围改变需判断裂纹扩展状态。第7页第29期国际焊接工程师班编稿-上海交通大学陈立功IWE-3/3.314-15动载焊接结构设计3.3疲劳裂纹扩寿命计算若经N0次疲劳循环，裂纹扩展a0长，在有K1C计算出裂纹失稳扩展临界长度aC，即可依据上述公式，如帕瑞斯公式da/dN=C(△K）n，求定积分，得到剩下寿命。

公式1

公式2因为π、ac、a0、n等都是不变或基本不变数，能够合并到新常数C，故上2个公式能够简化为：国际焊接学会：N＝C/△σm我国钢结构标准：△σ＝

(C/N)1/m8第8页第29期国际焊接工程师班编稿-上海交通大学陈立功IWE-3/3.314-15动载焊接结构设计4、疲劳极限状态设计法（基于计算机技术发展和疲劳试验技术发展）4.1从随机变幅载荷实际情况出发（1）仅适合低应力－中、高周随机疲劳；不适合以下情况：表面温度大于150℃，及相变、蠕变等问题；腐蚀介质环境下腐蚀对疲劳扩展影响；消应力热处理可能造成构件晶粒粗大对疲劳寿命影响。（2）应力强度因子△K=

Kmax-Kmin，与裂纹扩展速度直接相关。本设计法将△σ=σmax-σmin作为主要计算参数，因为△σ比△K更轻易材料和计算。（3）实际结构多在随机变幅疲劳载荷下服役，经过传感器实测并统计疲劳应力谱。再采取统计方法，将不一样应力水平△σi及其发生率ni，绘制成疲劳应力谱直方图f-△σ（f：或然率）。研究分析表明，△σi及其ni所产生疲劳损伤，符合疲劳线性累积损伤定则。9第9页第29期国际焊接工程师班编稿-上海交通大学陈立功IWE-3/3.314-15动载焊接结构设计σfi△σitni△σi设计应力谱实测应力谱10统计不一样动载幅度△σi-概率n曲线（直方图）实测动载-时间曲线疲劳应力谱（直方图）第10页第29期国际焊接工程师班编稿-上海交通大学陈立功IWE-3/3.314-15动载焊接结构设计（4）疲劳线性累积损伤定则

D=n1/N1+n2/N2+…=∑(ni/Ni)≤1

当D≥1时，则损伤累积到疲劳破坏程度。式中，Ni是对应于△σi疲劳循环次数依据此公式，能够将随机变幅应力转化成等效等幅应力表示式。（5）等效等幅应力

△σeq=[∑(△σimni)/N]1/m

式中，N=∑ni,相当于在△σeq作用下，发生疲劳破坏次数；

△σi：变幅载荷所引发各个水平应力幅值；

ni:对应于△σi循环次数。并假定：

1.低于疲劳极限△σi，无影响，不计入；

2.△σi加载次序影响忽略不计。均方根差Seq反应△σi分散度，和对△σeq计算准确度影响11第11页第29期国际焊接工程师班编稿-上海交通大学陈立功IWE-3/3.314-15动载焊接结构设计4.2疲劳强度曲线针对各自不一样实际结构特点△σeq或△σS

(疑△σi)是疲劳载荷在结构上应力效应，△σR是结构抵抗疲劳载荷能力。二者皆随结构不一样时间、环境而改变。是疲劳极限设计法原因：（1）将实际结构细分各种不一样细节类别(共8种：见讲义表1），采取试验与理论分析计算求得它们疲劳强度△σRi’。其平均值和均方差值按下式计算：（2）各细节疲劳强度值:△σR＝△σRi’-2SR。绘制△σR－N疲劳强度曲线；讲义表2提供了不一样疲劳寿命N疲劳强度△σR。且将N=2*10^6疲劳强度作为细节类型。（3）欧洲钢结构疲劳设计规范表示式：γm-抗力改变分项系数；γs-载荷改变分项系数。γm、γs均≥1系数。表明允许载荷效应指标△σeq减小了由

γm、γs决定额度，以确保安全。12第12页第29期国际焊接工程师班编稿-上海交通大学陈立功IWE-3/3.314-15动载焊接结构设计（4）中国钢结构设计标准GB-17-88

疲劳设计计算公式：△σe≤[△σ]，疲劳应力幅值：△σe＝σmax-σmin

对随机变幅疲劳应力按等效等幅应力△σeq计算：△σe＝△σeq＝[∑(σim．ni)/N]1/m；

这属于疲劳载荷在结构上综合效应。对[△σ]＝△σR/(γs×γm)，也可由疲劳强度曲线△σR－N得出：

[△σ]＝(C/N)1/m[△σ]称允许疲劳应力幅度，分8个级别，与表1列出了19种构件及其连结8个类别相对应。各类别C值和N=2*106时[△σ]值见表3

。依据详细构件和连结类别查到m、C

值，再依据计算公式[△σ]＝(C/N)1/m，即可计算出不一样循环次数N时允许疲劳幅值[△σ]N。13第13页第29期国际焊接工程师班编稿-上海交通大学陈立功IWE-3/3.314-15动载焊接结构设计项目简图说明类别14K形十字接头5构件与连结类别疲劳强度曲线斜率疲劳强度计算参数C(*10^12)N=2*10^6允许应力（MPa）（细节类型）14189417624861144333.26118432.08103531.4790630.9678730.6569830.4159按表1按表314第14页第29期国际焊接工程师班编稿-上海交通大学陈立功IWE-3/3.314-15动载焊接结构设计10^52*10^65*10^610^8244906636按表2：查细节类别为90N/mm*mm不一样N疲劳强度数值△σR*查表与计算结果列表N查表2计算10000024427500090101500000066751000000003628**用Origin作图：c=1.47e12,m=315第15页第29期国际焊接工程师班编稿-上海交通大学陈立功IWE-3/3.314-15动载焊接结构设计4.3设计寿命是正常使用，正常运行而无须修理周期考虑各零部件寿命均衡性，预防微弱步骤对对整体寿命影响。4.4确保使用周期终了时存活率结构载荷效应和承载能力，会随时间环境改变而改变；极限设计要考虑这些改变影响，并确保周期终了时，结构实际存活率。存活率能够经过安全水平指数β计算或查表取得：4.5国际焊接学会：循环加载焊接钢结构疲劳设计规范焊接结构疲劳寿命取决于结构内焊接接头疲劳强度，而焊接接头疲劳强度又取决于疲劳载荷应力幅值和接头类别所决定应力集中情况。本规范适合屈服强度小于700MPa碳钢、碳锰钢和细晶粒调质钢，不适合严重腐蚀介质下工作焊接结构。16第16页第29期国际焊接工程师班编稿-上海交通大学陈立功IWE-3/3.314-15动载焊接结构设计（1）疲劳评定程序载荷历程应力谱结构寿命焊接接头细节类别相关S-N曲线等效等幅应力实际需要寿命安全评定（2）S-N疲劳强度曲线依据常幅疲劳试验数据建立；采取双对数疲劳曲线；公式：；C值大小决定各曲线位置，m在3～4之间改变；当应力幅值小时如：m=3,C<=7*10^10或m=3.5,C<=4*10^11，可视为静载无须进行疲劳强度计算；疲劳应力幅值△σ≤△σR5*10^8时，亦无须进行疲劳强度计算；（3）载荷效应应力幅值计算，并未考虑焊缝附近孔洞、拐角应力集中原因，疲劳强度计算时应于以考虑。17第17页第29期国际焊接工程师班编稿-上海交通大学陈立功IWE-3/3.314-15动载焊接结构设计m=3

CN3.1921.461.0253.511.821000003172712442171711521220025221519417213612197500000185159143127100897110000001471261131017971570001171009080

6356455000000867466594641331000000068585347373326000054464237292621500000004034312722191510000000032272422171512m=3.5

CN4.3721.389.163.972.631.2210000029423521218814813210600241193174154122108875000001861491341199483671000000152122110987768550001251009080

6356455000000967769624843351