疲劳讲义(BS-IIW)

英国标准（BS7608：1993）&国际焊接学会（IIW）标准简介及工程应用实例大连交通大学兆文忠2005年6月大连交通大学主要内容1.引言2.焊接接头S-N曲线细节及其特殊性3.焊接接头类型细节是控制焊接结构疲劳寿命的命脉4.基于英国标准（BS7608：1993）的疲劳寿命预测5.基于国际焊接学会（IIW）的疲劳寿命预测大连交通大学主要内容6.AAR/BS/IIW标准的个性与共性讨论7.几点体会(1)转变设计观念是当务之急(2)关注细节和千方百计降低应力集中是提高疲劳寿命的基本出发点(3)重视与疲劳相关数据库的建设(4)“对”与“错”的启示8.工程应用实例9.参考文献大连交通大学1引言由于焊接结构的疲劳寿命预测不仅要面对非焊接结构必须面对的一般性困难，而且还要面对焊接工艺本身所导致的特有的困难。焊接专家说：“在一些人的眼里，一方面焊接是功臣，因为它促进了生产的发展；另一方面它是罪人，因为它是许多事故的根源”[2]。为了抑制焊接的不利因素，尤其是在疲劳寿命预测方面，先进国家为发展中国家做出了重要贡献。他们投入了大量的资金，甚至历时百年，制定了许多优秀的评估标准。例如：英国标准（BS7608：1993）（Codeofpracticeforfatiguedesignandassessmentofsteelstructures）、国际焊接学会标准（IIW）(Fatiguedesignofweldedjointsandcomponents)、美国AAR货车结构疲劳设计标准等[3][4]5]。大连交通大学1引言这些标准的最大贡献是：一大批用于焊接接头疲劳寿命预测的S-N曲线几乎完全支持复杂的工程问题，尤其是支持设计方案的疲劳寿命对比。（1）美国AAR货车结构疲劳设计标准给出了80种钢结构焊接接头的疲劳寿命预测数据。（2）英国钢结构疲劳设计与评估使用标准（BS7608:1993）中，将焊接母材及接头分成10级，并给出了这10级焊接接头细节的S-N曲线参数。事实上这10级接头包括了50多种具体接头形状，其中还包括了螺栓连接接头。（3）国际焊接学会标准（IIW）给出了80种钢结构焊接接头的数据。IIW还给出了57种铝合金焊接接头的S-N曲线数据。IIW疲劳强度设计规范适用于焊点的屈服点低于700MPa的碳钢、碳锰钢和细晶粒钢调质钢材的焊接接头。大连交通大学2焊接接头S-N曲线细节及其特殊性这些焊接接头的S-N曲线全部由试验室获得,因而包括了以下事实和影响：焊缝形状所引起地局部应力集中；一定范围的焊缝尺寸和形状偏差；应力方向；残余应力；冶金状焊接过程和随后的焊缝改善处理。由于焊缝及其附近存有达到或接近达到屈服点的应力。英国钢结构疲劳设计与评估使用标准及国际焊接学会标准（IIW）评定焊接接头疲劳特性时，用应力范围来表述S-N曲线。美国AAR货车结构疲劳设计标准则用通常的等效应力表述S-N曲线。比较而言,IIW和BS标准更适合焊接结构的疲劳寿命预测。大连交通大学2焊接接头S-N曲线细节及其特殊性关于焊接接头疲劳寿命预测中应力范围概念采用应力范围的理由是：焊接过程中，焊缝及其附近存有达到或接近达到母材屈服点的残余应力；由于残余应力的存在，不管外加动应力的循环特性如何，焊缝附近的实际循环应力是从母材的屈服应力向下摆动。例：有二焊接接头，S-N曲线相同（抵抗疲劳的能力相同），但是承受的动载荷不同。接头一：接头二：决定焊接结构疲劳寿命的是动应力的变化幅值而不是平均值，因此，第二个接头虽然应力绝对值很低，但远比第一个接头危险!minmaxMpa170maxMpa160minMpa10Mpa80maxMpa30minMpa50大连交通大学3焊接接头类型细节是控制焊接结构疲劳寿命的命脉焊接接头是机车车辆焊接结构的寿命薄弱环节。当结构承受较低水平动应力（该应力水平远低于静强度应力水平）时，它们将首先疲劳破坏。在另外考虑材料因素、热影响区的前提下，焊接接头疲劳破坏的主要原因是局部应力集中：结构设计不合理导致应力集中;接头型式导致应力集中;焊接缺陷导致应力集中：裂纹、未焊透、未熔合、咬边、气孔、夹渣;焊接残余应力加剧应力集中.大连交通大学4基于英国标准（BS7608:1993）的疲劳寿命预测4.1算法原理简述（1）计算损伤比损伤比（SrSo）损伤比（Sr≤So）式中，n为被评估点应力幅Sr发生的次数；So为该评估点所在接头的S-N曲线拐点。m为S-N曲线斜率。（2）损伤累计mrSSnNn)(1007)2(07)(10mrSSnNn1iiiNn大连交通大学4基于英国标准（BS7608:1993）的疲劳寿命预测4.2技术路线（1）指定具体待评点的位置；（2）如果有动应力实测数据，通过编谱而获得该点的应力幅值谱，转到第（5）步；（3）如果没有动应力实测数据，有载荷谱，那么创建有限元模型；（4）根据载荷谱及有限元模型获得该点的应力幅值谱；（5）根据该点所在焊接接头类型细节及承载方向，在BS中选择对应的用于建立S-N曲线的疲劳级别（FAT）及相关参数;（6）根据损伤比计算公式，计算损伤比累计；（7）根据载荷谱或动应力谱所对应的里程数，由Minner公式求出寿命（里程）；大连交通大学5基于国际焊接学会（IIW）标准的疲劳寿命预测5.1寿命计算公式：5.2技术路线（1）指定具体待评点的位置；（2）如果有动应力实测数据，通过编谱而获得该点的应力幅值谱，转到第（5）步；（3）如果没有动应力实测数据，有载荷谱，那么创建有限元模型；（4）根据载荷谱及有限元模型获得该点的应力幅值谱；（5）根据该点所在焊接接头类型细节及承载方向，在IIW中选择对应的用于建立S-N曲线的疲劳级别（FAT）及相关参数;（6）根据损伤比计算公式，计算损伤比累计；（7）根据载荷谱或动应力谱所对应的里程数，由Minner公式求出寿命（里程）；mCN大连交通大学6AAR/BS/IIW标准的个性与共性讨论6.1共性归纳（1）Minner损伤累积是AAR/BS/IIW的理论基础，其中BS与IIW的寿命计算公式本质完全相同，可以互换。（2）均提供了大量的极有价值的接头数据库，与我国TB相比，“价值连城”。（3）可操作性强，不仅有理论，亦有技术，不仅有数据，亦有工艺要求，只要被评估对象的接头型式落入它们提供的数据库之中，其寿命评估就是科学的有价值的。（4）AAR/BS/IIW尤其适合焊接结构的疲劳寿命预测与评估。大连交通大学6AAR/BS/IIW标准的个性与共性讨论6.2个性对比（1）AAR﹒AAR适用于新造货车疲劳设计。﹒AAR的焊接接头数据库是建立修正Goodman图的依据。﹒由于基于修正Goodman图计算寿命，因而考虑了动应力的循环特性R的影响。﹒AAR提供的载荷谱非常有工程应用价值。（2）BS(7608:1993)﹒使用于钢结构，其中包括焊接接头及螺栓连接接头。﹒将钢结构接头细节分成10级，每一级别中不仅提供了建立S-N曲线的信息，还提供了工艺条件的细节要求。﹒从工程的角度看，注重工程应用。（3）IIW﹒比BS更注重焊接接头细节，焊接接头分类更详细。﹒考虑了更多的其它因素对寿命的影响，并提供了相当丰富的实验数据。﹒不仅适用于钢结构，也适用于铝合金结构。﹒考虑了裂纹的扩展。大连交通大学6AAR/BS/IIW标准的个性与共性讨论6.3使用AAR/BS/IIW时的几点提醒：（1）考虑到我们的焊接工艺水平的不稳定性及材料质量的分散性，即使是同样的焊接接头，其寿命要比国外的要低一些。（2）由于实际机车车辆结构的复杂性，AAR/BS/IIW不可能提供支持所有产品的焊接接头数据，因此，寿命计算过程中，对关键部位，当很难以在AAR/BS/IIW找到可以借用的接头数据时，要么勉强借用，要么投入时间与资金在实验室里补做，当接头形状极其复杂时，补做也不是一件容易的事情。（3）注意:AAR/BS/IIW的标准接头的板厚为16MM,如果实际接头的板厚不是16MM,必须按以下的公式修正:式中，为标准焊接接头的板厚时的焊接接头疲劳强度；t为当前接头的板厚；S为当前接头的疲劳强度。25.0)(*ttSSBBBSmmtB16大连交通大学6AAR/BS/IIW标准的个性与共性讨论(4)IIW标准对不同板厚的修正IIW标准中指出当板的实际厚度增加时，接头的疲劳强度将降低。在裂纹从焊趾处萌生的情况F，IIW给出了板厚为t时的疲劳强度修正：式中，为板厚为标准值时的疲劳强度，为实际板厚为t时而换算出来的疲劳强度。该修正公式可以具体化为：式中，取值为25mm，n随具体接头类型及焊后处理情况不同而不同.nbasettt)(ntt)25(baset接头类别条件n十字接头，T型接头，具有横向加强筋的平板焊后自然状态0.3十字接头，T型接头，具有横向加强筋的平板焊趾打磨0.2横向对接平焊缝焊后自然状态0.2对接焊缝磨平，母材，纵向焊缝，纵向加强筋板任何情况下0.1IIW板厚修正指数确认大连交通大学6AAR/BS/IIW标准的个性与共性讨论算例：t=28mm，FAT(25)=80Mpa，FAT(28)=80=56.9MpaFAT(28)=80=78.2MpaFAT(28)=80=79.1Mpa结论：当接头类型比较复杂，且不打磨，板厚虽然增加12%，但疲劳强度反而下降29%。3.0)2825(2.0)2825(1.0)2825(大连交通大学6AAR/BS/IIW标准的个性与共性讨论(5)IIW标准对不同温度的修正当焊接接头处于高温工作状态时，其疲劳强度将下降，其下降因子如下图所示：高温下钢结构的疲劳强度降低因子对机车车辆焊接结构而言，工作温度较低，不必修正。大连交通大学6AAR/BS/IIW标准的个性与共性讨论(6)IIW标准中，应力循环特征R0.5时的修正IIW标准中指出，当焊接接头残余应力被释放后，该焊接接头的疲劳强度应当提高且提高程度与应力循环特性相关，其提高因子如下图所示：提高因子f(R)必须指出：对于复杂的二、三维构件；高残余应力构件；厚壁构件，均不要修正。同时还应注意：残余应力的释放很难彻底；实际工程问题中，各种焊接接头装配后也可能导致相当长时间驻留的残余应力，因此，仅在极其特殊的情况下才考虑此项修正。大连交通大学6AAR/BS/IIW标准的个性与共性讨论案例:假设时，，现需推算板厚从6mm变化到26mm时的S值。该曲线表明，随着板厚度增加，疲劳强度反而下降，这恰与静强度规律相反。mmtB16MPaSB53tS/SBS=S(t)*SB61.27788667.7279781.18920763.02798101.12468359.60818121.0745756.95221141.03394654.7991516153180.97098451.46213200.94574250.12431220.92347348.94408240.90360247.89091260.885746.94211.1列表（表中以为基本值）00.20.40.60.811.21.4051015202530t(mm)S/SB变化曲线BS大连交通大学7几点体会（1）转变设计观念是当务之急抗疲劳的寿命设计是对基于安全系数/动荷系数设计原则的挑战：安全系数设计的理念是静强度校核，完全不适用于疲劳设计；一个零件不同部位应该有不同的动荷系数；一个结构不同子结构也应该有不同的动荷系数；用一个动载荷放大系数考虑结构体系每一构件的动载荷影响是不科学的、保守的。结论：基于安全系数/动荷系数的设计未必是安全的。多用材料的设计也未必是安全的。应力集中处静强度局部补强未必能提高疲劳寿命，甚至恰恰相反。大连交通大学7几点体会（2）千方百计降低应力集中是提高疲劳寿命的基本出发点焊接结构疲劳裂纹首先从承力焊缝焊趾或焊根部位的应力集中处开始；结构设计是否导致承力焊缝应力集中？有限元分析可以给出一个基本的全局的宏观的判断；承力焊缝焊接工艺的缺陷导致微观的应力集中不易察觉，“探伤”不能排出所有的