缺口应力分析方法的发展及其在焊接结构疲劳分析中的应用

作者:刘旭;周春平;张开林;姚远; 刊名:机械强度 上传者:李倩

【摘要】缺口应力分析方法是焊接结构疲劳分析的一种局部方法,因其直接注重于分析疲劳薄弱区域焊趾和焊根的应力应变状态而具有较高的准确性。以近年来的相关文献为基础,回顾了缺口应力法的发展历史和基本原理,总结了该方法的特点以及与名义应力法、结构应力法的异同。重点从虚拟缺口半径的取值、缺口疲劳等级(FAT)和寿命曲线斜度三个方面阐述了缺口应力法的最新研究进展和发展动向,并展示了该方法在多个工业领域内的焊接疲劳应用实例。本文旨在通过缺口应力法的全面介绍,为国内焊接结构疲劳强度设计提供先进的方法借鉴。

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LIUXu1ZHOUChunPing2ZHANGKaiLin1YAOYuan1(1.TractionPowerStateKeyLaboratory,SouthwestJiaotongUniversity,Chengdu610031,China)(2.ChengduIndustrialVocationalTechnicalCollege,Chengdu610218,China)引言焊接结构的疲劳强度研究一直是各工业领域内的重要课题。当前,焊接结构强度设计方法呈现出从传统的整体法(名义应力法,结构应力法)到局部法(缺口应力法)的发展趋势(图1)[1-2]。一方面是由于局部缺口应力是结构裂纹萌生的决定性因素,因而分析准确性更高[3-4];另一方面则是由于缺口理论基础的完善和分析手段的进步[5]9-20。本文回顾了焊接结构缺口应力分析方法的历史进程和基本原理,比较了缺口应力法与传统方法的异同,着力阐述了该方法近年来的发展动向和应用实例,希望能为国内焊接疲劳分析提供有益借鉴。1背景和原理局部法源于德国人NeuberH提出的缺口疲劳概图1焊接接头的表面应力分布Fig.1Thestressdistributionofweldjoint’ssurface念(1930),即决定结构疲劳强度的是缺口根部表层小体积内的平均应力,而非缺口根部的峰值应力,这种现象是由于局部塑形引起的宏观约束效应和局部弹性引起的微观约束效应所导致[5]9-20。之后,一大批的学者致力于从弹塑性的角度出发求解缺口应力场和确定缺口应力应变寿命分析方法[6]。由于焊接结构绝大部分情况属于高周疲劳范畴,局部塑形变形可以忽略不计,因此,焊接结构缺口应力分析假定局部为弹性,只考虑根部材料各向异性引起的微观结构约束效应[7]92-99。根据这一观念,在焊接结构疲劳分析领域发展出了多种局部方法[7]92-99:如临界距离法(1950,Peterson);虚拟缺口半径法(1964,RadajD);高值应力体积法(1961,Kuguel)等等。其中,虚拟缺口半径法以其概念清晰,操作方便而被广泛应用,在不特指的情况下,所谓焊接疲劳缺口应力法即是虚拟缺口半径法。对于一个根部半径为的缺口,考虑到根部材料的微观弹性约束效应,同时为了避免应力平均时的重复积分,Nebuer,Siebel等[5]9-20以虚拟缺口半径f=+s*对实际缺口半径进行替代。为了工程需要,Radaj将焊接接头焊趾和焊根的缺口虚拟半径统一定义为1mm,即真实根部半径=0、微观约束尺寸*=0.4mm、载荷多轴系数s=2.5。这种方法在逐渐完善之中获得了广泛的认可,在2006年被收录于IIW[8-9]和FKM[10]的焊接结构疲劳分析标准中,分析原理如图2所示。图2采用缺口应力法进行疲劳分析的原理Fig.2Principlesoffatigueassessmentusingthenotchstressapproach2方法特点焊接疲劳分析的各种方法均是采用焊接细节部位的应力参量,通过相应的S-N曲线按照一定的累积损伤理论来估算疲劳损伤,不同之处在于所考虑的应力集中因素不同(图1)[9]20-35。以IIW的分析过程为例,S-N曲线以Nk为拐点分为两条双对数坐标下的直线段,上段的曲线方程描述为式(1),根据焊接接头的类型采用不同的疲劳等级值FAT,这些疲劳曲线具有97.7%的存活率和95%的双边置信度。相对于名义应力法所需的多条S-N曲线,缺口应力评估只需一条共用的疲劳等级曲线[8](钢:k=3;FAT225)。N=2106(/FAT)-k,NNk(1)

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