1、2010第29期國際焊接工程師班 編稿-上海交通大學(xué)陳立功,IWE-3/3.3 14-15 動載焊接結(jié)構(gòu)的設(shè)計,1、焊接結(jié)構(gòu)疲勞強度設(shè)計的一般原則（總則：排除或減小應(yīng)力集中的影響） 動載結(jié)構(gòu)設(shè)計三步曲 （1）考慮實用性的功能設(shè)計：提出結(jié)構(gòu)承載能力、強度、剛度、腐蝕度、壽命的具體要求。不高不低，兼顧安全性和經(jīng)濟性； （2）方案設(shè)計：在了解動載狀況和壽命要求的前提下確定材料、構(gòu)造、工藝等綜合設(shè)計方案；（教材中的“傳遞、自動化程度、控制方式”等應(yīng)轉(zhuǎn)化為動載狀況問題） （3）施工圖設(shè)計：動載焊接結(jié)構(gòu)、焊接接頭的合理選擇及細部重要尺寸的正確計算。 動載結(jié)構(gòu)設(shè)計強調(diào)（重視應(yīng)力集中的現(xiàn)實） （1）焊接接頭（

2、屬剛性連結(jié)）由于連結(jié)形式、焊接變形、焊接缺陷等導(dǎo)至應(yīng)力集中和存在焊接殘余應(yīng)力的必然性。 （2）動載對應(yīng)力集中的敏感性；殘余應(yīng)力與動載最大應(yīng)力疊加的可能性。 動載結(jié)構(gòu)設(shè)計注意點（排除和減小應(yīng)力集中） （1）承受拉、彎、扭構(gòu)件，在截面面積變形時的平緩過渡，避免附加應(yīng)力和應(yīng)力集中； （2）對接、角接、丁字、十字接頭等，優(yōu)先采用對接焊縫，少用角接焊縫； （3）由于單面搭接接頭角焊縫的焊根、焊趾存在偏心彎矩和應(yīng)力集中，盡量避免使用； （4）角焊縫和非溶透對接焊縫的焊根、焊趾是危險的應(yīng)力集中位置。通過開坡口加大熔深減小焊根部的應(yīng)力集中；通過對焊趾的加工（圓滑打磨、重熔等）減低應(yīng)力集中； （5）在拉應(yīng)力場的

3、焊根、焊趾端部或應(yīng)力集中處，開應(yīng)力緩和槽、孔。,1,2010第29期國際焊接工程師班 編稿-上海交通大學(xué)陳立功,IWE-3/3.3 14-15 動載焊接結(jié)構(gòu)的設(shè)計,2、疲勞強度的許用應(yīng)力設(shè)計法 （傳統(tǒng)方法） 我國原鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范，對基本計算和連結(jié)的疲勞計算采用疲勞許用應(yīng)力： （1）許用應(yīng)力的確定 通過試驗確定材料和結(jié)構(gòu)的疲勞強度或疲勞極限（r=0；特定疲勞N次的d或N足夠大時d）； 按存活率（一般結(jié)構(gòu)：97.7，特重要結(jié)構(gòu)99.99%)和疲勞循環(huán)次數(shù)（如2106次）確定疲勞確定r。 疲勞強度的許用應(yīng)力為：rp=r/n 式中n為安全系數(shù)； 存活率：使用周期終了構(gòu)件安全水平指數(shù)，查表或計算獲得。（

4、p7/14頁) （2）最大疲勞工作應(yīng)力為： max rp （3）傳統(tǒng)方法存在的問題 未考慮疲勞載荷的積累效應(yīng)； 未考慮過載峰值對疲勞壽命的影響； 未考慮變化的不確定因素，已把這些不確定因素涵蓋在安全系數(shù)n內(nèi)。,2,2010第29期國際焊接工程師班 編稿-上海交通大學(xué)陳立功,IWE-3/3.3 14-15 動載焊接結(jié)構(gòu)的設(shè)計,3、焊接結(jié)構(gòu)的壽命設(shè)計 3.1疲勞裂紋的亞臨界擴展 靜載條件下，按線彈性斷裂力學(xué)，對初始裂紋a0只有在max=0C ，即KK1C時，才會失穩(wěn)擴展； 在疲勞載荷下，初始裂紋a0在循環(huán)載荷max=0 C ,裂紋就會緩慢擴展；初始裂紋a0 擴展到臨界裂紋aC 的過程，稱疲勞裂紋的

5、亞臨界擴展階段 。研究疲勞裂紋亞臨界擴展規(guī)律對疲勞設(shè)計、疲勞壽命確定具有重要理論意義和實用價值。,3.2疲勞裂紋擴展規(guī)律 兩種設(shè)計原則 （1）按疲勞裂紋發(fā)生壽命設(shè)計：以積累損傷不產(chǎn)生疲勞裂紋為限度。 （2）按疲勞裂紋擴展壽命設(shè)計：以積累損傷，疲勞裂紋不失穩(wěn)擴展為限度。,c,a0,ac,a0,aC,失穩(wěn)擴展,亞臨界擴展,3,2010第29期國際焊接工程師班 編稿-上海交通大學(xué)陳立功,IWE-3/3.3 14-15 動載焊接結(jié)構(gòu)的設(shè)計,疲勞裂紋擴展速率計算公式 一般公式：da/dN=f(a,，C） N疲勞次數(shù)，a裂紋長度，疲勞應(yīng)力，C材料常數(shù) 帕瑞斯（Paric)公式：da/dN=C(K）n K應(yīng)

6、力強度因子幅度（ K=Kmax-Kmin),n=27(塑性脆性） 帕瑞斯認為：K是裂紋尖端的應(yīng)力強度因子，故也是裂紋擴展速度的重要參量。,102,101,103,da/dN,mm/次,104,500,1500,2000,1000,K，/mm3/2,對無限大薄板： K=（a)(1/2) K=(a)(1/2) 按帕瑞斯公式，亞臨界擴展速率不受試驗幾何形狀和加載方式的影響，只受應(yīng)力強度因子幅值的影響。其過分強調(diào) K和 作用，而忽視了Kmax的增大，特別是Kmax趨近K1C時對裂紋擴展的加速作用。,4,2010第29期國際焊接工程師班 編稿-上海交通大學(xué)陳立功,IWE-3/3.3 14-15 動載焊接

7、結(jié)構(gòu)的設(shè)計,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) 由于引入循環(huán)特征系數(shù)r，能更好描述不同r的疲勞裂紋擴展規(guī)律。裂紋擴展速率是C、r、K和K1C的函數(shù)， K1C越大da/dN越小。,102,101,103,da/dN,mm/次,104,500,1500,2000,1000,K，/mm3/2,R= 0.105 0.231 0.333 0.455 0.524,5,r=min/max =(ma)/( ma); -1 r 1,2010第29期國際焊接工程師班 編

8、稿-上海交通大學(xué)陳立功,IWE-3/3.3 14-15 動載焊接結(jié)構(gòu)的設(shè)計,由于許多高韌性材料的K1C無法測得，因此華格（Walker）提出疲勞擴展速率計算公式 da/dN=CKmax(1-r)mn =C(Kmax Km/ Kmaxm)n =C(Km Kmax1-m)n 式中 m1：301不繡鋼m=0.667,鋁合金2024-T3 m=0.5，7075T6 m=0.425,n=27 當m=1時，華格公式與帕瑞斯公式完全一致。試驗結(jié)果見左下圖。 當K在較大范圍變化時，我國著名學(xué)者陳篪（篪chi 音“遲”，竹制樂器）提出了廣域計算公式： da/dN=(K2-Kth2)/(K1C2- K2)p,10

9、2,101,103,da/dN,mm/次,104,1000,100,K，/mm3/2,r= 0.103 0.231 0.333 0.455 0.524,A,C,B,D,平斷口A,轉(zhuǎn)折點,全切變或平面斷口D,切變斜斷口C,開始形成小脊斷口B,Kth,轉(zhuǎn)折點,da/dN,mm/次,K，/mm3/2,6,n：直線的斜率,2010第29期國際焊接工程師班 編稿-上海交通大學(xué)陳立功,IWE-3/3.3 14-15 動載焊接結(jié)構(gòu)的設(shè)計,7,2010第29期國際焊接工程師班 編稿-上海交通大學(xué)陳立功,IWE-3/3.3 14-15 動載焊接結(jié)構(gòu)的設(shè)計,3.3疲勞裂紋擴壽命計算 若經(jīng)N0次疲勞循環(huán)，裂紋擴展的

10、a0長，在有K1C計算出裂紋失穩(wěn)擴展的臨界長度aC，即可根據(jù)上述公式，如帕瑞斯公式da/dN=C(K）n ，求定積分，得到剩余壽命。 公式1 公式2,由于、ac、a0、n等都是不變或基本不變的數(shù)，可以合并到新常數(shù)C，故上2個公式可以簡化為： 國際焊接學(xué)會：NC/ m 我國鋼結(jié)構(gòu)標準： (C/N)1/m,8,2010第29期國際焊接工程師班 編稿-上海交通大學(xué)陳立功,IWE-3/3.3 14-15 動載焊接結(jié)構(gòu)的設(shè)計,4、疲勞極限狀態(tài)設(shè)計法 （基于計算機技術(shù)的發(fā)展和疲勞試驗技術(shù)的發(fā)展） 4.1從隨機變幅載荷的實際情況出發(fā) （1）僅適合低應(yīng)力中、高周隨機疲勞；不適合以下狀況： 表面溫度大于150，

11、及相變、蠕變等問題； 腐蝕介質(zhì)環(huán)境下腐蝕對疲勞擴展的影響； 消應(yīng)力熱處理可能造成構(gòu)件的晶粒粗大對疲勞壽命的影響。 （2）應(yīng)力強度因子K= Kmax-Kmin ，與裂紋擴展速度直接相關(guān)。 本設(shè)計法將=max- min作為重要計算參數(shù)，因為 比K更容易材料和計算。 （3）實際結(jié)構(gòu)多在隨機變幅疲勞載荷下服役，通過傳感器實測并記錄疲勞應(yīng)力譜。再采用統(tǒng)計方法，將不同應(yīng)力水平的i及其發(fā)生率ni，繪制成疲勞應(yīng)力譜直方圖f- （f：或然率）。研究分析表明，i及其ni所產(chǎn)生的疲勞損傷，符合疲勞線性累積損傷定則。,9,2010第29期國際焊接工程師班 編稿-上海交通大學(xué)陳立功,IWE-3/3.3 14-15 動載

12、焊接結(jié)構(gòu)的設(shè)計,fi,i,t,ni,i,設(shè)計應(yīng)力譜,實測應(yīng)力譜,10,統(tǒng)計的不同動載幅度i-概率n曲線（直方圖）,實測動載-時間曲線,疲勞應(yīng)力譜 （直方圖）,2010第29期國際焊接工程師班 編稿-上海交通大學(xué)陳立功,IWE-3/3.3 14-15 動載焊接結(jié)構(gòu)的設(shè)計,（4）疲勞線性累積損傷定則 D=n1/N1+n2/N2+=(ni/Ni) 1 當D1時，則損傷累積到疲勞破壞的程度。 式中，Ni是對應(yīng)于i的疲勞循環(huán)次數(shù) 根據(jù)此公式，可以將隨機變幅應(yīng)力轉(zhuǎn)化成等效等幅應(yīng)力的表達式。 （5）等效等幅應(yīng)力 eq=(imni)/N1/m 式中，N=ni,相當于在eq作用下的，發(fā)生疲勞破壞的次數(shù)； i：變

13、幅載荷所引起的各個水平的應(yīng)力幅值； ni:對應(yīng)于i的循環(huán)次數(shù)。并假定： 1.低于疲勞極限的i，無影響，不計入； 2.i加載順序的影響忽略不計。 均方根差Seq反映i的分散度，和對eq計算準確度的影響,11,2010第29期國際焊接工程師班 編稿-上海交通大學(xué)陳立功,IWE-3/3.3 14-15 動載焊接結(jié)構(gòu)的設(shè)計,4.2疲勞強度曲線針對各自不同的實際結(jié)構(gòu)特點 eq 或S (疑i)是疲勞載荷在結(jié)構(gòu)上的應(yīng)力效應(yīng)， R是結(jié)構(gòu)抵抗疲勞載荷的能力。二者皆隨結(jié)構(gòu)的不同時間、環(huán)境的而變化。是疲勞極限設(shè)計法的因素： （1）將實際結(jié)構(gòu)細分各種不同的細節(jié)類別(共8種：見講義表1），采用試驗與理論分析計算求得它們

14、的疲勞強度Ri。其平均值和均方差值按下式計算：,（2）各細節(jié)的疲勞強度值: RRi- 2SR。繪制RN疲勞強度曲線； 講義表2提供了不同疲勞壽命N的疲勞強度R。且將N=2*106的疲勞強度作為細節(jié)類型。 （3）歐洲鋼結(jié)構(gòu)疲勞設(shè)計規(guī)范表達式：,m-抗力變化分項系數(shù)； s-載荷變化分項系數(shù)。m、s均1的系數(shù)。表明允許的載荷效應(yīng)指標eq減小了由 m、s決定的額度，以確保安全。,12,2010第29期國際焊接工程師班 編稿-上海交通大學(xué)陳立功,IWE-3/3.3 14-15 動載焊接結(jié)構(gòu)的設(shè)計,（4）中國鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計標準GB-17-88 疲勞設(shè)計計算公式： e ， 疲勞應(yīng)力幅值： emax-min 對隨

15、機變幅疲勞應(yīng)力按等效等幅應(yīng)力eq 計算： e eq(imni)/N1/m ； 這屬于疲勞載荷在結(jié)構(gòu)上的綜合效應(yīng)。 對R/(sm)，也可由疲勞強度曲線RN得出： (C/N)1/m 稱允許疲勞應(yīng)力幅度，分8個級別，與表1列出了19種構(gòu)件及其連結(jié)的8個類別相對應(yīng)。各類別的C值和N=2*106時的值見表3 。根據(jù)具體構(gòu)件和連結(jié)的類別查到 m、C 的值，再根據(jù)計算公式(C/N)1/m，即可計算出不同循環(huán)次數(shù)N時的允許疲勞幅值N。,13,2010第29期國際焊接工程師班 編稿-上海交通大學(xué)陳立功,IWE-3/3.3 14-15 動載焊接結(jié)構(gòu)的設(shè)計,按表1,按表3,14,2010第29期國際焊接工程師班 編

16、稿-上海交通大學(xué)陳立功,IWE-3/3.3 14-15 動載焊接結(jié)構(gòu)的設(shè)計,按表2：查細節(jié)類別為90N/mm*mm的不同N的疲勞強度數(shù)值R,*查表與計算結(jié)果列表,*用Origin作圖：c=1.47e12,m=3,15,2010第29期國際焊接工程師班 編稿-上海交通大學(xué)陳立功,IWE-3/3.3 14-15 動載焊接結(jié)構(gòu)的設(shè)計,4.3 設(shè)計壽命是正常使用，正常運行而無須修理的周期 考慮各零部件壽命的均衡性，防止薄弱環(huán)節(jié)對對整體壽命的影響。 4.4 保證使用周期終了時的存活率 結(jié)構(gòu)的載荷效應(yīng)和承載能力，會隨時間環(huán)境的變化而變化； 極限設(shè)計要考慮這些變化的影響，并保證周期終了時，結(jié)構(gòu)的實際存活率。

17、 存活率可以通過安全水平指數(shù)的計算或查表獲得：,4.5 國際焊接學(xué)會：循環(huán)加載焊接鋼結(jié)構(gòu)疲勞設(shè)計規(guī)范 焊接結(jié)構(gòu)的疲勞壽命取決于結(jié)構(gòu)內(nèi)焊接接頭的疲勞強度，而焊接接頭的疲勞強度又取決于疲勞載荷的應(yīng)力幅值和接頭類別所決定的應(yīng)力集中狀況。 本規(guī)范適合屈服強度小于700MPa的碳鋼、碳錳鋼和細晶粒調(diào)質(zhì)鋼，不適合嚴重腐蝕介質(zhì)下工作的焊接結(jié)構(gòu)。,16,2010第29期國際焊接工程師班 編稿-上海交通大學(xué)陳立功,IWE-3/3.3 14-15 動載焊接結(jié)構(gòu)的設(shè)計,（1）疲勞評定程序,載荷歷程,應(yīng)力譜,結(jié)構(gòu)壽命,焊接接頭細節(jié)類別,相關(guān)S-N曲線,等效等幅應(yīng)力,實際需要壽命,安全評定,（2）S-N疲勞強度曲線 根

18、據(jù)常幅疲勞試驗的數(shù)據(jù)建立； 采用雙對數(shù)疲勞曲線； 公式：； C值大小決定各曲線的位置，m在34之間變化； 當應(yīng)力幅值小時如：m=3,C=7*1010或m=3.5,C=4*1011，可視為靜載無須進行疲勞強度計算； 疲勞應(yīng)力幅值R5*108時，亦無須進行疲勞強度計算； （3）載荷效應(yīng)應(yīng)力幅值計算，并未考慮焊縫附近的孔洞、拐角的應(yīng)力集中因素，疲勞強度計算時應(yīng)于以考慮。,17,2010第29期國際焊接工程師班 編稿-上海交通大學(xué)陳立功,IWE-3/3.3 14-15 動載焊接結(jié)構(gòu)的設(shè)計,18,細節(jié)類型,常幅疲勞極限,=（C/N）1/m,2010第29期國際焊接工程師班 編稿-上海交通大學(xué)陳立功,IWE-3/3.3 14-15 動載焊接結(jié)構(gòu)的設(shè)計,19,m=3,常幅疲勞極限,細節(jié)類型,N=C/m,2010第29期國際焊接工程師班 編稿-上海交通大學(xué)陳立功,IWE-3/3.3 14-15 動載焊接結(jié)構(gòu)的設(shè)計,20,m=3.5,2010第29期國際焊接工程師班 編稿-上海交通大學(xué)陳立功,IWE-3/3.3 14-15 動載焊接結(jié)構(gòu)的設(shè)計,4.6 歐洲鋼結(jié)構(gòu)協(xié)會的疲勞設(shè)計規(guī)范 公式:,m-抗力變化分項系數(shù)； s-載荷變化分項系數(shù)。m、s均1的系數(shù)。表明允許的載荷效應(yīng)指標eq減小了由 m、s