孫工讀書筆記及一些想法，文章比較長。

1. 焊接結構抗疲勞設計過程中的認識誤區

從結構制造特點的角度看，由于焊接結構具有連接性好、重量輕、易于加工、便于采用自動化生產等優點，在長期承受靜態或動態載荷的復雜裝備領域得到廣泛應用，特別是焊接工藝技術的不斷推陳出新，更是顯著地提升了焊接結構在這些產品中的應用地位。但是焊接結構還有不足的一面，即：承受動載荷的焊接接頭，由于其幾何不連續性而導致應力集中，因而焊接結構成了產品結構可靠性的薄弱環節之一。

面對焊接結構疲勞失效的問題，多少年來包括軌道車輛在內的各個制造行業一直在努力治理，并取得了一定進展，確保了焊接結構的服役安全，但目前依然存在一些認識上的誤區，如果我們能夠從這些這些認識誤區中盡快地走出來，效果將可能更加顯著。

誤區一：將金屬材料抗疲勞強度設計的理論與方法不加區分地用于焊接結構

該認識誤區是理論層面的。以原鐵道部1996年頒布的《鐵道車輛強度設計及試驗鑒定規范》(TB/T 1335—1996)標準為例，在這個標準的“車輛主要零部件疲勞強度評估方法”一節中，首先指出：“本方法是鐵道車輛主要承載零部件或構件的疲勞分析指南，適用于各型鐵道車輛主要承載零部件的疲勞評估”，可見該標準的內容并不區分被評估的對象是否為焊接結構。在該書的后面也將提到，焊接結構抗疲勞設計的理論與方法與金屬材料疲勞強度設計的理論與方法的不同，其原因是它們的疲勞破壞機理是有明顯區別的，因此二者不可互相替代。在定義疲勞壽命時，該標準認為疲勞壽命是“構件疲勞裂紋萌生壽命與裂紋擴展壽命之和”，然而在焊接結構的疲勞開裂過程中裂紋萌生對疲勞壽命的貢獻是可以忽略的。

在使用名義應力法時，該標準寫明要以材料的S-N曲線為基礎，然而焊接結構的疲勞試驗數據已經表明：焊接接頭母材的S-N曲線數據不能代替焊接接頭的S-N曲線數據，其原因也是它們具有不同的力學破壞機理。

在評估疲勞壽命時，該標準使用的是考慮應力比R的“修正Goodman圖”，即認為疲勞強度隨不同的R值變化。后來鐵道部又頒布《200km/h及以上速度級鐵道車輛強度設計及試驗鑒定暫行規定》，然而在這個新的規定中依然將用于金屬材料疲勞的理論與方法用于焊接結構。事實上，英國焊接研究所的疲勞試驗數據早已證明，修正的Goodman圖用來處理焊接結構的疲勞問題是不恰當的，理由是由于焊接殘余應力的存在，平均應力對焊接接頭壽命的影響基本看不到，而金屬材料的疲勞則不是這樣。

正是由于理論認識上的誤導，國內軌道車輛制造工廠的有些設計人員或者決策部門在力圖提高焊接結構的抗疲勞能力時，常傾向于選用屈服強度高的母材，他們誤認為提高屈服強度母材的焊接接頭的抗疲勞能力也必然高。對于金屬疲勞問題，這個觀點是成立的，例如文獻《抗疲勞設計——方法與數據》中曾用試驗數據證明了“材料的疲勞強度與材料的抗拉強度之間有著較好的相關性”，甚至給出了一個近似估算公式。然而對于焊接結構來說，該觀點是不成立的。英國標準BS76081993《鋼結構疲勞設計與評估實用標注》已經用數據明確證明，標準中所提供的S-N曲線數據對屈服強度低于700MPa,例如屈服強度為345MPa的Q345鋼與屈服強度為435MPa的Q435鋼，它們的S-N曲線數據是沒有區別的。關于這一點，國際焊接學會在2008年的標準中，甚至將這個屈服強度范圍提高到960MPa。

關于這個問題在后面的章節中將有詳細的討論，這里僅簡單地給出它的基本理由：疲勞載荷相同、幾何形狀也相同的焊接接頭的抗疲勞能力僅有產生的應力集中控制，而應力集中的高或者低不由母材的屈服強度控制。

誤區二：將焊接結構的疲勞失效問題歸結為焊接質量問題

該認識誤區是責任層面上的，即習慣于將焊接結構的疲勞失效主要歸結為焊接質量的問題，習慣于從制造質量角度尋找問題發生的原因。

在過去很長的一段時間里有過這樣的教訓，焊接質量很差，焊接缺陷嚴重導致的一些焊縫在短時間內發生疲勞失效。在吸取質量上的教訓之后，現階段焊接質量已經有了明顯的改善，但是疲勞失效問題還是繼續發生，例如圖1-1所示的某動車組設備艙裙板焊接支架上焊縫的疲勞開裂，就是其中的一個典型案例。經過非常嚴格的檢查未發現該處焊接質量的任何問題，然而服役不久該結構還是出現了疲勞失效問題。這個案例表明：將應力集中產生的原因簡單地歸結為焊接質量的問題是不恰當的，應力集中可以產生于制造階段，也可以產生于設計階段，不同階段應該有不同的責任，雖然邏輯上責任問題不是一個科學問題，但是責任不清導致治理上的錯位也不可掉以輕心。

圖1-1 艙裙板支架焊縫疲勞開裂

誤區三:焊接結構內部的殘余應力對疲勞壽命有重要影響

該認識誤區是關于焊接殘余應力影響的問題，即認為焊接結構內部存在復雜的殘余應力，且這個殘余應力對疲勞壽命是有重要影響的，可以這個影響究竟有多大又難以可靠估計。

關于焊接結構殘余應力本身，國內外許多焊接專家的著作中對殘余應力產生的機制都有過詳細的闡述，一致認為焊接結構內部存在著相當復雜的殘余應力是焊接結構工藝熱過程的必然結果。然而談到殘余應力對疲勞壽命或者疲勞失效到底有什么影響時，英國焊接研究所的T.R.Gurney博士在他的專著《焊接結構的疲勞》中曾有這樣一段精彩的描述：“把焊接結構發生的破壞，歸咎于殘余應力的影響，這種看法并沒有幾年，但是最近的研究已經趨向于要證明這種觀點是一個誤解，即使在某些情況下殘余應力無疑會有危害，但它們并不總是負主要責任。”

焊接結構的殘余應力峰值可以達到材料的屈服強度，由于構件類型、焊接工藝、裝配順序及夾具等影響，殘余應力常表現為復雜的分布形式，在進行疲勞評估時，定量計算殘余應力的影響在工程上是很困難的，替代的方法是確保疲勞性能測試數據包含殘余應力的影響（例如S-N曲線數據），這通常要求試件的具有足夠的尺寸，這在常用的國際規范和標準中，如EN標準、BS標準、IIW標準以及ASME標準，S-N曲線數據中已經包含了殘余應力的影響，這樣無須再次單獨處理殘余應力對疲勞評估結果的影響。

鑒于焊接結構殘余應力與疲勞失效的關系是一個爭議不斷的話題，董平沙教授對此有過深入的研究并給出了結論：“如果有合適的S-N曲線數據，殘余應力對焊接結構疲勞的影響并不需要單獨考慮。”關于這個觀點，本書后面的章節有較詳細的介紹。這里需要強調的是，同樣是應力，但是外載荷控制的應力與位移控制的殘余應力對裂紋擴展的影響不在一個數量級上，后者遠小于前者，如果理解了美國ASME BPVC Ⅷ-2-2015中給出的疲勞壽命估算公式推導過程，殘余應力的貢獻是幾乎看不到的。

誤區四：對于焊接結構的疲勞問題.只重視驗證.不重視設計

該認識是邏輯層面上的，即能用否用辯證的眼光看待疲勞壽命數值仿真與臺架疲勞試驗二者之間的關系。

類似于軌道車輛產品的研發階段是“設計、制造、驗證”，可以把這三個階段比喻為一條河流的“上游、中游、下游”。

由于形成焊接結構的熱物理行為相當復雜，致使一些決策者認為疲勞失效隱患存在與否的檢查手段只能是臺架上的疲勞驗證試驗驗證。事實上，對臺架上的疲勞試驗的重視確實是非常必要的，但是還應當看到它的“下游”屬性，在僅有設計圖樣的上游設計階段，如果設計不當，應力集中之類的疲勞隱患就可能隱藏其中，一旦發生這種“上游污染”，“下游治理”的代價將是很大的，圖1-1給出的焊縫疲勞開裂就是典型的“上游污染”、“下游治理”案例。

當然，焊接結構疲勞壽命的估算結果是概率意義上的統計，由于在數值仿真建模的過程中一些影響因素被簡化或者忽略，這就導致了仿真計算結果與實際情況的相對誤差。但在建模過程中如果能抓住主要矛盾，基于仿真設計結果的“設計方案相對比較重選優”則有明確的意義，如果計算手段更科學一些，優選出來的設計方案將更有工程價值。例如研究人員曾為某軌道客車的焊接構架創建了一個計算模型，然后計算得到了134條焊縫焊趾上的疲勞損傷，并通過比較識別了哪些焊縫焊趾上的疲勞損傷比較大，然后基于識別結果對設計進行了修改。修改以后焊接結構的應力集中得到明顯的緩解，從而實現了這樣的閉環。如果在設計階段堅持這樣做，“上游應力集中污染”的程度將會顯著降低或者歸零，而能做到這點，除了要有科學的方法之外，還需要辯證的眼光看待疲勞壽命數值仿真與臺架疲勞試驗這二者之間的互補關系。

1.2 編寫本書的基本目的

1981年，徐灝教授在他的專著中指出：“疲勞強度設計”是建立在實驗基礎上的一門科學，對于疲勞設計問題來說，這個見解無疑是相當深刻的，對于焊接結構的疲勞強度設計問題可能是這樣的。1979年，T.R.Gurney博士給出的結論是：焊接結構的疲勞強度是不能用理論的方法求解出來的，換言之，他認為焊接結構的疲勞強度設計也只能建立在試驗的基礎上。有這種想法的學者還有，這也從側面反映了尋找焊接結構疲勞強度問題的理論解是及其困難的。

然而數學家認為，實際上的食物是有可能用數學方程來描述的，科學的發展驗證了這一預言。2007年美國ASME標準進行了更新，在更新版本的第5章給出了董平沙教授關于焊接結構疲勞壽命評估的理論與方法，經過近十年的努力，董平沙教授終于在焊接結構疲勞壽命計算領域實現了數學家的預言。

2015年最新出版的ASME BPVC Ⅷ-2-2015沿用了2007年ASME標準中關于焊接結構疲勞壽命評估的內容。ASME標準的內容是公開的，這為我國密切關注焊接結構疲勞壽命計算理論的人們提供了“引進、消化、吸收、再創新”的窗口，通過這個窗口幫助讀者消化其理論，并試圖將其轉化為解決實際問題的能力，這就是本書編寫的第一個目的。

本書在理論介紹方面遵循的是由淺入深的遞進原則，將首先介紹一些相關的基礎知識。在討論焊接結構疲勞失效問題之前，將簡要介紹一些與疲勞相關的基礎知識。在討論S-N曲線內涵的同時，簡要講解Miner疲勞損傷累積原理的內涵。在討論網格不敏感結構應力之前，簡要地說明一些有限元領域的基礎知識。在討論結構應力法的理論內涵之前，簡要地交代一些與斷裂力學相關的基礎知識，然后重點介紹結構應力法的來龍去脈，以及基于結構應力的主S-N曲線公式的理論推演。最后，介紹了董平沙教授的最新研究成果，其中包含處理多軸疲勞問題的MLP方法、處理低周疲勞的結構應變法，以及內涵更深邃的主結構應變法。客觀地說，如果我們掌握了這樣一個完整的理論體系，處理復雜的工程問題時就不會被復雜的表面現象所迷惑。

當前，我國軌道車輛制造行業還引進了一些其他類似的標準，由于這些標準的疲勞數據是基于名義應力的，因此可將這些定義為第一類。美國ASME BPVC Ⅷ-2-2015標準中的結構應力法有別于傳統的名義應力法，因此該標準定義為第二類。本書對第一類標準的工程適用性與局限性進行了梳理歸納，基于這個梳理歸納，如果能讓讀者對第二類標準中的新知識發生過程有個的理解，那么本書的第二個目的也就達到了。

編寫本書的第三個目的是：在理論消化的基礎上，試圖幫助相關的設計人員在焊接結構的設計階段有具體的方法可用。無科學的、系統的、簡潔的方法可用，一直是設計人員難于開展焊接結構抗疲勞設計的一個緊迫問題，如果這第三個目的能夠實現，那么從“發現應力集中”入手，到“緩解應力集中”落腳，從而形成了閉環的設計理念，就不至于像懸于空中的樓閣。為達到這一目的，本書提供了兩類技術，一是服務于接頭設計的技術，二是服務于結構系統層面的平臺技術。關于接頭設計技術，本書將通過歐洲的另一標準EN15085中的應力因數的計算為引導，通過具體案例分別給出實施第一類標準與第二類標準的具體步驟，這也是服務于焊接接頭抗疲勞設計的參考模板。關于結構系統層面的平臺技術，則是基于結構應力的虛擬疲勞試驗理念，本書除了給出虛擬疲勞試驗的關鍵技術之外，還用代表性的工程案例給出了示范。

本書關于模態結構應力、頻域結構應力概念的提出，使結構應力法的工程應用更加的廣泛，給出的案例讓讀者進一步認識到，沿著結構應力法的理論路線繼續前進，焊接結構疲勞失效問題的學術研究依然有較大的空間。

本文摘自兆文忠、李向偉、董平沙《焊接結構抗疲勞設計理論與方法》第一章引論。等效結構應力法在07年被引入ASME Ⅷ-2到現在已經有十多年了，在壓力容器工程設計中用的其實不多，因為ASME Ⅷ-2提供了三種并列的方法，三選其一即可，等效結構應力法屬于比較新的方法，工程師更熟悉傳統的彈性總應力法。等效結構應力法的應用需要采用通用有限元程序聯合專用的疲勞分析程序實現，比如ANSYS+FE SAFE或者ABAQUS+FE SAFE，或者自己編寫相關的后處理程序，國內相關高校（軌道車輛與工程力學方向）也都有自己編寫的疲勞分析程序，不過對壓力容器應力分析設計工程師來說還是有困難的，這對該方法的普及應用是不利的。

不清楚新版壓力容器分析設計標準為什么沒有引入等效結構應力法，畢竟這個方法更加科學。比較有意思的是這個方法被國內的軌道車輛行業專家兆文忠發現之后很快被引入應用起來，對軌道車輛抗疲勞設計技術的進步起了很大的推動作用，應該說應用已經很成熟了。等效結構應力疲勞分析后處理程序國內本身有現成的，壓力容器行業自己開發難度也不大（工程力學碩研難度），比如在NSAS基礎上加入等效結構應力疲勞分析模塊實現一般開孔等效結構應力疲勞分析，ANSYS結合在線付費的疲勞分析模塊實現等效結構應力疲勞分析，不需要額外購買FE SAFE。互聯網+的時代，很多問題都可以很好的解決。或者鍋容委組織人員開發相關程序，在行業內推廣以及培訓。管道行業和壓力容器行業常用美國PRG公司開發的Nozzle Pro是支持管口、鞍座等結構的等效結構應力疲勞分析的，不過這個軟件其實比較符合管道行業的習慣，不太符合壓力容器應力分析設計的習慣。

ASME Ⅷ-2三種疲勞分析方法中的第一種是彈性總應力法，采用光滑桿件疲勞曲線結合焊縫表面疲勞強度減弱系數適用焊縫，是目前壓力容器業內最常用的方法，也是被新版分析設計標準所引用的。盡管等效結構應力法更科學，但是在壓力容器行業的實際使用很少，應該說極少見（工作8年就碰到1次）。

光滑桿件疲勞曲線結合焊縫表面疲勞強度減弱系數用于焊接件疲勞分析的方法在原理上有不足，不過要知道現行JB4732和07版之前ASME Ⅷ-2的中焊接件和母材采用的都是光滑桿件疲勞曲線（沒有焊縫表面疲勞強度減弱系數），60年代到現在，大量的疲勞容器采用這種方法進行設計，所以要對這個方法有信心，對標準有信心。對于重要的設備，可以考慮用包括ASME Ⅷ-2等效結構應力法在內的其他方法再驗算一下，一般情況用彈性總應力法即可，畢竟已經用了那么多年了。

目前常見的內平齊接管疲勞分析按照現行JB4732一般不考慮焊縫表面疲勞強度減弱系數，或者說全都是按1.0考慮，按照現行ASME Ⅷ-2和國標分析設計標準征求意見稿接管筒體焊縫處的彈性總應力要再乘以Kf，一般是1.5~1.7，疲勞壽命會低不少，那么是不是說以前的疲勞分析都不安全呢？我們不能單純從理論判斷，不能只能看到方法的缺點，也要結合實踐去判斷，應該說彈性總應力還是可靠的，不然ASME Ⅷ-2也不會到現在還有這種方法。