1、动载焊接结构的设计,黑龙江工程学院王佳杰,( IWE-3/3.14-17),2010.03,动载焊接结构的设计,一、焊接结构疲劳强度设计的一般原则 根据焊接结构的特点和大量实际焊接结构设计的实践经验，得出在焊接结构疲劳强度设计时应予以考虑准则：总的原则：采取一切措施，排除或减小应力集中的影响 。1. 承受拉伸、弯曲和扭转的构件应采用长而圆滑的过渡结构以减少刚度的突然变化；2. 优先选用对接焊缝，尽可能少用角焊缝；3. 采用角焊缝时最好用双面角焊缝，避免使用单面焊缝；,IWE-3/3.14-15,动载焊接结构的设计,4. 采用带有搭接盖板的搭接接头，尽可能不用偏心搭接；5. 使焊缝（特别是焊趾、
2、焊缝根部和焊缝端部）位于低应力区（例如弯曲时中性带、承受小弯矩的部分区域、孔边缘上使缺口应力为零的地方、过渡段和转角以外的部位），使各因素引起的缺口效应分散而避免使其叠加；6. 在焊趾缺口、焊缝根部缺口和焊缝端部缺口之前或之后（处于力流之中）设置一些缓冲缺口以消除或降低上述缺口部位的应力；,IWE-3/3.14-15,动载焊接结构的设计,7. 承受横向弯曲的构件应缩短支承间距以减少弯矩； 8. 横向力应作用于剪切中心之上，以减少扭矩； 9. 承受拉伸与弯曲的构件如需加强，则加强件长度应小。以减小加强对于构件变形的拘束； 10. 在薄板范围内合理部位布置焊缝，以减轻弯曲变形；避免能扰乱力流的开口
3、，但与力流垂直的加强筋板角部应切除（加强筋板切角）；11.在特别危险的部位以螺栓接头或铆接接头、锻造连接件代替焊接接头（又可便于装配）等,IWE-3/3.14-15,疲劳设计方法,动载焊接结构的设计,IWE-3/3.14-15,许用应力法,疲劳寿命设计,极限状态设计法,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97.7，特重要结构99.99）和疲劳循环次数（如2 次）确定疲劳强度 ；疲劳强度的许用应力 式中： - 安全系数； 设计原则 最大疲劳工作应力 许用应力 缺点 没有考虑疲劳
4、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。,二、疲劳强度的许用应力设计法,IWE-3/3.14-15,三、 焊接结构的疲劳寿命设计,3.1疲劳裂纹的亚临界扩展,图1 亚临界裂纹与临界裂纹尺寸,一个初始裂纹 的构件，只有载荷应力达到临界值时 （图1），亦即当裂纹尖端的应力强度因子 达到临界值 时，才会失稳破坏。,一个有初始裂纹 的构件承受 的循环应力时，裂纹会发生缓慢扩展。初始裂纹扩展到临界裂纹 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
5、寿命，具有重要的理论意义和实用价值。,IWE-3/3.14-15,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。,3.2疲劳裂纹扩展规律,IWE-3/3.14-15,裂纹扩展速率可写成以下形式：,帕瑞斯（Paris）提出了以下关于裂纹扩展的重要经验公式： ：,对于中心开有长2a缺口（裂纹）的无限宽板，有:,亚临界裂纹扩展速率不受试样几何形状和加载方法的限制，而直接受应力强度因子幅度K的控制,帕瑞斯的指数规律公式（6-9）有两个缺点：首先它未考虑平均应力对da/dN的影响，其次是它
6、未考虑当裂纹尖端的应力强度因子趋近其临界值KIc时，裂纹的加速扩展效应。,福曼（Forman）提出修正公式：,图3 根据“指数规律”公式绘制的7075-T6铝合金的da/dN与K的关系曲线,图4 根据福曼公式绘制的7075-T6铝合金相应曲线,图5华格公式处理后的dadN 图,6.7.2 疲劳裂纹扩展特性da/dN-K曲线的一般关系,图6 金属材料da/dNK在双对数坐标上的一般关系图,这种指数规律不能用来表征高应变循环条件下裂纹的扩展规律。高应变循环疲劳也称为低循环疲劳或塑性疲劳。它一般发生在高应力、低循环、高扩展速率的情况下，此时试验条件不是控制应力、而是控制应变幅值。断裂力学中用裂纹尖端
7、的张开位移来描述此时的裂纹扩展规律，即,以上所讨论的是在应力循环条件下，裂纹在弹性区内的扩展规律。应当说明，这些规律的应用范围是低应力、高循环、低扩展速率。,裂纹张开位移幅度t就是影响裂纹扩展速率的主要参量。,低周疲劳（塑性疲劳或应变疲劳）的裂纹扩展速率,6.7.3 疲劳裂纹扩展寿命的估算,以帕瑞斯公式为例，则 ：,对上式求定积分：,对于无限大板中心穿透裂纹,n=2时，疲劳裂纹扩展寿命为：,于是,若以福曼公式为例，则：,对于无限大板中心穿透裂纹的情况：,用Kf表示对应于临界裂纹尺寸ac时的应力强度因子幅值，有：,对于应变疲劳的情况，由于此时最大应变已经与屈服应变相当，裂纹尖端的塑性区很大，故必
8、需用弹塑性断裂力学来分析疲劳裂纹扩展速率，也就是说利用裂纹尖端张开位移幅度或J积分幅度J作为控制裂纹扩展速率的主要参量，即：,式中的A，n和B，m在一定条件下是材料常数。,3 动载焊接结构的设计,二、焊接钢结构疲劳强度设计计算（一）我国钢结构的标准 我国现行钢结构的标准GB-17-88与原设计规范TL17-74相比，在钢结构疲劳强度计算中作了一些改动，在原设计规范中，基本金属和连接的疲劳计算采用疲劳许用应力法进行。在GB-17-18的疲劳计算中采用容许应力范围方法；应力按弹性状态计算。 容许应力范围按构件和连接类别以及应力循环次数确定。如表1所示(见资料）。,IWE-3/3.14-15,3 动
9、载焊接结构的设计,同时还规定：（1）在应力循环中不出现拉应力的部位可不计算疲劳强度； （2）本计算不适用于特殊条件（如构件表面温度高于150，构件处于海水腐蚀环境，焊后热处理消除焊接残余应力以及低周高应变疲劳条件等）的结构元件及其连接的疲劳计算。,IWE-3/3.14-15,3 动载焊接结构的设计,标准中规定对常幅疲劳（所有应力循环内的应力范围保持常量），应按下式进行计算：式中：-对焊接部位为应力范围 对非焊接部位为折算应力范围 -常幅疲劳的容许应力范围（Mpa）应按下式计算：式中：n - 应力循环次数； c、-常数，根据表1中的类别按表2计算。,IWE-3/3.14-15,4 动载焊接结构的
10、设计,对于重级工作制吊车梁和重级、中级工作制吊车桁架的疲劳，可作为常幅疲劳按下式计算：式中： af 欠载效应的等效系数（按表3采用） -循环次数n为2106次的容许应力范围（按表4采用）,IWE-3/3.14-15,4 动载焊接结构的设计,对变幅疲劳（按应力循环内的应力范围随机变化），若能测出结构在使用寿命期间各种载荷的频率分布、应力范围水平以及频次分布总和所构成设计应力谱，则可将其折算为等效常幅疲劳，并按下式进行计算： 式中：e -变幅疲劳的等效应力范围，,IWE-3/3.14-15,4 动载焊接结构的设计,e 按下式确定：i 第i级应力范围； 以应力循环次数表示的结构预期使用寿命； ni
11、预期寿命内应力范围水平达到i的应力循环次数。,IWE-3/3.14-15,3 动载焊接结构的设计,（二）欧洲钢结构协会（ECCS）的钢结构疲劳设计规范 本规范为承受疲劳载荷钢结构的评估、制造、检查和维修，提供了系统的原理和方法，该文稿受到在相关领域工作的大多数国际组织的审核，并已作为 “第三本欧洲规范”“Eurocode3”钢结构设计一书第九章“疲劳”的基本资料。 结构可以承受应力循环次数取决于：公称应力范围及特定结构构件的细节类型。具体地讲可以解析地以下式表示 ： （用于强度低于700Mpa的材料）,IWE-3/3.14-15,3 动载焊接结构的设计,式中：R -本规范中给出的在给定应力循环
12、次数下，以应力范围定义的疲劳强度（如图18所示）。 rm和 rs 分别为考虑疲劳强度和载荷的安全系数。 对疲劳强度R选取的安全系数rm，应反映由于局部应力集中、细节尺寸、冶金效应、剩余应力、裂纹形状和焊接工序变化等而造成的给定结构细节的疲劳强度不稳定性。 rs与构件设计中所选用的载荷大小、应力循环次数、设计应力谱的等效常幅化有关。该二系数rm 、rs适用于在设计中根据结构特性取值，但不应小于1。,IWE-3/3.14-15,3 动载焊接结构的设计,IWE-3/3.14-15,3 动载焊接结构的设计,该图中在双对数坐标上绘出一平行等距直线表示的不同接头类型的疲劳强度，即把纵坐标刻度分为20级（在
13、1001000Mpa之间），每一级大约有12的疲劳强度区别。 具体可用下式表达：式中的R可由表查出。,IWE-3/3.14-15,3 动载焊接结构的设计,要说明的是： 第一： 表中的细节类型号（如160,140）是寿命为N=2106次应力循环时R的值。它与表4-6的细节类型号相呼应；另外把图中的常幅疲劳极限定义为寿命为5106次应力循环时的疲劳强度，当构件全部应力范围低于该常幅疲劳强度时。无需进行疲劳计算。 第二：截止限定义寿命为10次应力循环时的疲劳强度，所有低于截止限的应力范围。可略去不计。,IWE-3/3.14-15,4 动载焊接结构的设计,第三：图中各疲劳强度的平行线。其m值为。另外，
14、图中疲劳强度曲线是以板厚为mm的式样实验获得的。当板厚超过mm时。可用下式估算强度。 式中: Rc-细节校正后的疲劳强度； R未经校正过的的疲劳强度。 B - 板厚（mm）。,IWE-3/3.14-15,4 动载焊接结构的设计,第四，切应力疲劳强度曲线，通常此种疲劳失效时裂纹扩展是沿角焊缝截面（最大高度。,截面）进行的，此时m取为，截止限仍为108 次应力循环，但没有常幅疲劳限，如图19所示。表11为切应力疲劳强度R的数值,IWE-3/3.14-15,4 动载焊接结构的设计,设计应力范围e,可采用Miner的累加法则计算式中：K 为应力谱中不同应力范围的总数；ni 对应于应力范围的i应力循环次
15、数； N设计寿命期间内所有应力范围下的循环数的总和； i 第i级应力范围值。,IWE-3/3.14-15,4 动载焊接结构的设计,注意本规范只适用于屈服点低于700Mpa的各种等级的结构钢，规范不适用于低周-高应变疲劳；即任一标称应力范围超过屈服点S的1.5倍时，不能采用本疲劳评估程序。 另外本规范没有考虑由于腐蚀而引起的疲劳强度降低，服役温度高于150的结构也不能采用本规范进行疲劳评估。,IWE-3/3.14-15,4 动载焊接结构的设计,（三）国际焊接学会的循环加载焊接钢结构的设计规范(IIW.Doc 639-81) 该疲劳强度设计规范适用于焊态的屈服点低于700Mpa的碳钢、碳锰钢和细晶
16、粒钢调质钢材的焊接接头。它不针对某一具体产品，也不适用在严重腐蚀介质下工作的焊接构件。 该规范的出发点是焊接结构的疲劳寿命依赖于结构内各焊接接头的疲劳强度，而焊接接头的疲劳强度主要决定于施加的应力范围和接头类别所决定的应力集中情况。,IWE-3/3.14-15,4 动载焊接结构的设计,1、疲劳强度评定程序 首先根据载荷的历程编制结构工作状态的各个接头的应力谱，再根据本规范提供的相关曲线，采用适当的损伤累积理论方法计算在此工作应力谱下各个接头的疲劳寿命，则可以考虑采用本接头形式、类别。 应当指出，对于应力范围保持不变的常幅载荷，作为特例其计算程序为把本标准的各有关S-N曲线所给定的寿命与需求的寿
17、命直接进行比较。判断接头接纳与否的程序流程为：,IWE-3/3.14-15,4 动载焊接结构的设计,IWE-3/3.14-15,4 动载焊接结构的设计,1 2、程序中主要内容（ 1）应力计算: 接头中的应力一般就为法向应力，在焊缝附近如有开孔、拐角应力集中因素时，计算中应予考虑。这是因为在本规范的接头内型中未考虑这一因素。（2）S-N曲线: 本疲劳设计规范的数据是建立在焊接试样的常幅疲劳试验基础上的，S-N曲线一双对数坐标表示，其关系式为 N=c/m,IWE-3/3.14-15,4 动载焊接结构的设计,各条S-N曲线具有相同的m值（斜率），因而C值变化，决定了S-N曲线的位置。研究表明m值在3
18、-4之间变化。本标准给出了m=3和m=5两组曲线（见图20）。在210循环处相交。 同时认为N=B/m的条件为静载条件，因而毋需进行疲劳强度计算，如果应力范围单位为Mpa，则 B=71010 对于m=3 B=41011 对于m=3.5 另外，如果应力范围低于疲劳极限时（5108 循环时的疲劳强度），亦不需进行疲劳强度计算。,IWE-3/3.14-15,4 动载焊接结构的设计,表12接头细节分类是按2106次循环次数的应力范围值表示的，它同时也标注在图20的各条S-N曲线上。换句话说各条S-N曲线上均标明不同接头细节的2106次循环次数的应力范围或疲劳强度值（Mpa），供设计人员参考。 另外表12上的箭头指出需要计算应力的部位。各接头细节S-N曲线在N=2106 次循环下和相应的应力范围条件下按公式计算的c值列于表13中。,IWE-3/3.14-15,4 动载焊接结构的设计,13、积累计算 在按有关标准规则，或根据工作载荷或依赖类似结构的数据编制出载荷谱后，一般将其循环次数表示，采用Palmgren-Miner规则进行积累损伤计算，即式中： ni 载荷谱中应力范围为i的循环次数； Ni 根据相关接头细节得到的常幅应力范围i的疲劳寿命。,IWE-3/3.14-15,
