基于SiPESC平臺焊接結構疲勞強度分析——應力篇

疲勞分析背景

機械構件的連接多采用焊接結構,在實際工作中構件承受復雜的交變載荷,容易發生疲勞破壞。構件的焊接接頭由于存在焊接缺陷、應力集中和殘余拉伸應力等,在承受交變載荷時的疲勞強度一般都低于母材的疲勞強度,疲勞破壞總是集中在焊縫區域,因此,焊縫處是工程設計人員在進行疲勞評估時的重點分析部位。在評估過程時應力選擇和SN曲線(應力壽命曲線)選擇極為重要。

基于SiPESC平臺焊接結構疲勞強度分析——應力篇的圖1

焊接接頭的疲勞破壞模式有兩種,一種發生在焊根B處一種發生在焊趾A處。發生在B處的破壞可以通過適當的焊縫尺寸和焊接工藝避免,本文主要討論破壞模式A。

焊接接頭基本名詞

基于SiPESC平臺焊接結構疲勞強度分析——應力篇的圖2

基本名詞

母材:即將進行焊接的金屬,形成焊接接頭的基本材料。

熔合線:焊接金屬和母材之間的接合線。

熔深:焊接時熔融到母材內部的距離。

焊縫表面

焊腳:從接頭根部到焊縫趾端的距離。

焊縫根部:根部表面與母材相交處。

焊喉(焊深):從根部到焊縫表面的最短距離,焊縫的有效高度。

焊趾:焊縫表面與母材交相的位置。

焊接結構疲勞強度分析方法

名義應力法

對焊接接頭進行分級歸類,嚴格限定加載模式。但是,當遇到焊縫形狀復雜或受力復雜的焊接構件時,則很難選擇恰當的S-N曲線數據。

結構應力法(本文主要分析方法)

基于斷裂力學理論和大量焊接試驗數據。通過對上千個焊接接頭疲勞試驗數據進行統計分析發現:如果以等效結構應力變化范圍與疲勞壽命來繪制S-N曲線,所有疲勞試驗數據將落在一個窄帶中,近似于一條主S-N曲線,從而實現以一條主S-N曲線來評估焊接結構的疲勞壽命。 這種方法可以較為精確地計算出空間任意走向的焊縫疲勞壽命,而且對網格不敏感,因此,該方法在大批專家嚴格論證后在2007年被納入ASME BPVC VIII-2的標準里。限于篇幅本文對其原理不做詳細介紹,結構應力法評估流程參見ASME BPVC VIII-2  5.5.5 FATIGUE ASSESSMENT OF WELDS – ELASTIC ANALYSIS AND STRUCTURAL STRESS

有效缺口應為法

使用焊趾和焊根的缺口應力作為疲勞控制參量,缺口應力試圖包含缺口效應在內的所有應力集中源,從理論上講只需一條S-N曲線,在減少S-N曲線分級上相比前兩種方法更有優勢。但獲得缺口應力通常需要較為精細的建模計算,相比前兩種方法,該法在實際應用經驗及數據累積上還十分有限。

斷裂力學法

基于構件本身存在裂紋這一事實,很好地體現"合于使用"的原則和"斷裂-安全"理念。雖然線彈性斷裂為學方法對復雜結構的剰余壽命評價有較高的準確度,但因其計算復雜,通常用于安全性要求較高的結構評定中。

01 分析算例

基于SiPESC平臺焊接結構疲勞強度分析——應力篇的圖3
基于SiPESC平臺焊接結構疲勞強度分析——應力篇的圖4

02

分析算例

基于SiPESC平臺焊接結構疲勞強度分析——應力篇的圖5
基于SiPESC平臺焊接結構疲勞強度分析——應力篇的圖6

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