焊接接頭疲勞壽命評估中板厚參數的影響分析

王悅東,葛巍,李向偉

(1.大連交通大學 交通運輸工程學院，遼寧 大連 116028； 2．齊齊哈爾軌道交通裝備有限責任公司，黑龍江 齊齊哈爾 161000)*

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焊接接頭疲勞壽命評估中板厚參數的影響分析

王悅東1,葛巍1,李向偉2

(1.大連交通大學 交通運輸工程學院，遼寧 大連 116028； 2．齊齊哈爾軌道交通裝備有限責任公司，黑龍江 齊齊哈爾 161000)*

針對焊接接頭板厚參數對其疲勞壽命的影響問題，分別采用IIW2008、BS7608等疲勞評估標準以及ASME標準進行對比性計算與分析.選用焊接部件中典型的十字型接頭，材料分別選用鋁材和鋼材兩種主流的金屬材料，并采用名義應力法及結構應力法等方法計算不同厚度下的鋁材及鋼材焊接接頭的疲勞損傷.計算結果表明：當焊接結構的載荷方向明確且厚度在20～30 mm之間的情況下，使用IIW 2008標準評估疲勞更為合理；當焊接結構復雜或是焊接板很厚或很薄的情況下，建議使用Verity方法評估疲勞壽命.

焊接接頭；疲勞壽命；Verity方法；板厚

0 引言

疲勞斷裂是金屬結構失效的一種主要形式，它是由于材料在循環應力或應變的反復作用下所發生的性能變化，是一種損傷累積的過程[1].由于疲勞斷裂的不確定性和危害性，已經引起了很多工程技術人員的重視.目前金屬疲的破壞主要有母材金屬疲勞破壞和焊接結構疲勞破壞兩種.其中，焊接結構疲勞破壞是目前工程領域的重點研究對象.對于焊接結構，焊趾是其最重要的研究位置子之一[2]，而板厚對于焊趾處的疲勞壽命的影響更有著舉足輕重的作用.Maddox S J指出[3]，在裂紋深度和峰值應力同等的情況下，雖然厚板的應力梯度沒有薄板的應力梯度大，但是厚板在裂紋深處的應力一般大于薄板，所以裂紋在厚板中更容易擴大[4].由此可以推斷，焊接結構的疲勞強度隨著板厚的增加而降低[4].本文針對焊接接頭疲勞壽命評估的板厚參數問題，分別采用P. Dong教授總結提出的Verity方法、國際焊接協會提出的IIW 2008標準以及英國標準BS7608對不同厚度的焊接接頭進行疲勞壽命的計算與分析.

1 Verity方法

Verity方法存在兩個關鍵技術，分別為網格不敏感結構應力法以及以等效結構應力變成以ΔSS為參數的主ΔSS-N曲線.

網格不敏感結構應力法[5]是根據功等效的原理將單元的節點載荷轉化為單元邊上的線載荷，再應用結構力學的基本公式計算出單元邊上任意一點的膜應力σm和彎曲應力σb以及自平衡缺口應力σnlp，其中膜應力和彎曲應力的和定義為結構應力σS.因此可知，網格不敏感結構應力法解決了另外兩種疲勞評估方法下焊線位置以離散節點的節點力為評估依據的局限性[6].而主ΔSS-N曲線法[7]是在網格不敏感結構應力法的基礎上，采用基于斷裂力學的Paris裂紋擴展公式，通過求解半橢圓表面裂紋應力強度因子，將結構應力的變化量、板厚以及載荷作用模式三個主要影響焊接結構疲勞強度的因素統一為一個參量，將其定義為等效結構應力幅ΔSS，推導了以等效結構應力幅ΔSS作為參量的主ΔSS-N曲線表達式：

2 IIW2008標準

IIW2008標準是國際焊接協會推行的疲勞壽命評定準則，適用于多種類型的鋼材料和鋁材料，該標準在考慮到由于焊縫形狀而引起的局部應力集中、焊縫尺寸及形狀偏差、應力方向、焊接殘余應力及焊后做改善處理的情況下，給出多種類型焊接接頭的疲勞強度.IIW2008標準的評估步驟[8]如下：

(1)選用該標準評估壽命要基于焊接接頭的初始信息，盡可能選擇與評估對象的焊接形式和載荷作用模式相符合的焊接接頭，確定應力類別;

(2)通過所選評估點的疲勞強度級別對應的S-N曲線得到損傷比：

式中:ni表示載荷譜中應力范圍為Δσi的循環總數；Ni表示在該應力范圍內將導致損壞的循環總數；Δσ1和Δσ2為疲勞評估點對應的S-N曲線拐點；c1和c2為對應的常系數.

并且通過厚度修正因數f(t)對應力幅值進行修正：

式中:tref為IIW2008標準里定義的標準厚度，其值為25 mm；teff為焊接接頭處板厚實際厚度，并根據實際焊縫厚度與母材厚度比值是否大于2來選取teff=t或teff=0.5×L；n為厚度修正系數.

(3)按照Miner的線性累積損傷理論，通過總損傷比是否大于1評估焊接接頭壽命是否符合設計要求.

IIW2008標準考慮到了低應力級別下高循環的疲勞損傷累積情況，這恰好符合軌道交通行業疲勞破壞的主要情況[9]，而且它囊括了鋼材和鋁材兩種主要金屬類別，而鋁材也符合目前機車車體、機車轉向架輕量化需求的發展趨勢.

此外，IIW2008標準較BS7608標準提供了更

加豐富的焊接接頭形式和載荷作用模式，因此它的實用度更高，更利于普及.

3 BS7608標準

BS7608標準[10]是以Miner線性累積損傷理論為基礎，適用于評估材料為屈服強度低于700 MPa的碳鋼、調質鋼的焊接接頭的疲勞壽命.BS7608標準[6]考慮了局部應力集中、焊縫尺寸、載荷加載方向、板厚參數等因素對焊接接頭疲勞強度的影響，提供了多種焊接接頭的疲勞強度值.

BS7608標準的評估[11]與IIW2008標準的評估步驟基本一致，主要有兩處不同，其一是因為該標準只適用于鋼材料的評估，故疲勞強度等級分類較少，從而對應的常系數不同；其二是該標準對應力范圍的厚度修正因數不同：

式中:t為焊接接頭處板厚的實際厚度；tB為BS7608標準里定義的標準厚度，其值為16 mm；SB是板厚為標準厚度時的疲勞強度；S是修正后的實際疲勞強度.

4 應用實例

4.1 十字型接頭有限元模型

本文選取的計算對象為單側全焊透焊縫的十字型接頭，為了有很好的應力梯度，本文選用的單元類型為高階殼單元，在下方立板端加全位移約束，載荷類型為脈動載荷，計算模型施加應力水平為20 MPa，作用位置在上立板邊緣，作用方向與立板平行，假定開裂位置為立板焊趾處，并且為全焊透狀態，有限元模型如圖1所示.并通過有限元技術，計算得到的十字型接頭Von Mises應力云圖如圖2所示.

圖1 十字型接頭有限元模型

圖2 十型接頭Von Mises云圖

4.2 統計結果

IIW2008標準定義的標準厚度為25 mm，BS7608的標準厚度為16 mm，所以本文計算的板厚范圍為10～30 mm，材料選取普通鋼材和鋁材，不同厚度模型下計算得到的名義應力值、Verity方法中的結構應力值和對應的等效結構應力值以及三種疲勞評估標準下計算得到的損傷值(僅列出關鍵點)見表1和表2，假定存活率為95%.

表1 不同厚度鋁材的疲勞損傷值

表2 不同厚度鋼材的疲勞損傷值

4.3 鋁材和鋼材損傷值的對比結果

通過計算，基于IIW2008標準以及Verity方法評估的材料為鋁材的十字型接頭的損傷值的對比結果如圖3所示.基于IIW2008標準、BS7608標準以及Verity方法評估的材料為鋼材的十字型接頭的損傷值的對比結果如圖4所示.

圖3 基于IIW 2008標準和Verity方法下鋁材疲勞損傷值的對比結果

圖4 基于IIW 2008標準、BS7608標準和Verity方法下鋼材疲勞損傷值的對比結果

5 結論

(1) 在保證網格質量的前提下，不難看出，在評估低應力循環負載時，由Verity方法評估鋁制十字型接頭的損傷值要高于IIW 2008標準評估的，而評估鋼制十字型接頭時，三者相比，IIW 2008評估的損傷值最高，BS 7608標準評估的損傷值最低;

(2)通過比較損傷值數值可知，評估鋁材料疲勞損傷值時，Verity方法計算的損傷值斜率為0.005 4，而通過IIW 2008標準得到的損傷值的斜率為0.013 0，兩者相比，大約為KIIW2008=2KVerity，換言之，IIW 2008標準在厚度參數對疲勞強度的影響上采用了激進的修正方式，但這樣一來，按照IIW 2008標準設計的帶有厚板的結構偏危險；在評估鋼材料疲勞損傷值時，IIW 2008標準的修正斜率是0.000 8，BS 7608標準的修正斜率是0.000 4，Verity方法的修正斜率是0.000 16，三者相比，大約為5∶2.5∶1，可以看出IIW 2008標準評估的損傷值整體高于另外兩種標準的結果，而且厚度修正速率也更快，說明在評估超過標準厚度的鋼制焊接結構時，損傷值過高，對結構設計要求過高;

(3)在應力方向明確的情況下，當焊接接頭厚度在20～30 mm之間的情況下，建議采用IIW 2008標準；而面對結構復雜，焊接部位很厚或是很薄的情況下，建議使用Verity方法.

[1]張彥華．焊接結構疲勞分析[M] ．北京：化學工業出版社，2013．

[2]薛剛，王濤，宮旭輝,等．交變載荷作用下平面應力狀態焊接接頭焊趾處應力應變理論解的推導[J]．焊接學報，2015，36(4)：97- 100．

[3]MADDOX S J．The Effect of Plate Thickness on the Fatigue Strength of Fillet Welds[M]．Abington,Cambridge:Abington Publishing,1987．

[4]徐永春，何文匯．板厚對焊接接頭疲勞強度的影響[J].工業建筑，1989(1):18- 25．

[5]DONG P．A structural stress definition and numerical implementation for fatigue analysis of welded joints[J]．International Journal of Fatigue，2001，23：865- 876．

[6]李向偉，兆文忠.基于Verity方法的焊縫疲勞評估原理及驗證[J]．焊接學報，2010(7)：9- 12．

[7]KYUBA H，DONG P．Equilibrium-equivalent structural stress approach to fatigue analysis of a rectangular hollow section[J]．International Journal of Fatigue，2005，27：85- 94．

[8]國際焊接協會(IIW)．XⅢ- 1539- 96/XⅤ- 845- 96焊接結構和構件的疲勞設計[S]．[s.l.]:[s.n]，2008．

[9]謝素明，時慧焯.基于IIW標準的提速客車轉向架焊接構架疲勞壽命預測[J]．大連鐵道學院學報，2006(3):17- 21．

[10]BS7608 B S. Code of practice for fatigue design and assessment of steel structures[S]．British Standards Institution，1993．

[11]諶偉，嚴仁軍．基于切口應力強度理論的橫向角接焊接接頭的疲勞強度評估[J]．船舶力學，2015(9):1116- 1125．

Effect Analysis of Plate Thickness Parameter in Evaluation of Welded Joints Fatigue Life

WANG Yuedong1,GE Wei1,LI Xiangwei2

(1.School of Traffic and Transportation Engineering,Dalian Jiaotong University,Dalian 116028,China; 2.CRRC Qiqihaer Zhongche Vehicle Co.,Ltd,Qiqihaer 161002,China)

Aiming at the effect of plate thickness parameter on fatigue life, IIW 2008, BS7608 fatigue evaluation standards and ASME standard are used to make comparative calculation and analysis. The typical cross-joints as the welded component and two kinds mainstream of metal material as aluminum and steel are selectedn, and nominal stress method and structure stress method are used to calculate the fatigue damage of aluminum welded joints and steel welded joints with different plate thickness. The results show that when the loading direction of the welded structure is clear and the plate thickness is between 20 mm and 30 mm, IIW 2008 fatigue evaluation standard is more reasonable. When the welded structure is complex or the welded plate is not between 20 mm and 30 mm, the verity method is recommended to use to evaluate the fatigue life.

welded joints; fatigue life; verity method; plate thickness

1673- 9590(2017)01- 0030- 04

2016- 01- 29

國家自然科學基金資助項目(51208072);遼寧省高等學校優秀人才支持計劃資助項目(LGQ2013052)

王悅東(1977-)，男，副教授，博士，主要從事車輛工程及計算力學方向的研究

E-mail:wydstarwq@djtu.edu.cn.

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