彭各

（重慶市軌道交通（集團(tuán)）有限公司重慶　401121）

焊接鋼結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度與壽命預(yù)測理論的探討

彭各

（重慶市軌道交通（集團(tuán)）有限公司重慶401121）

本文利用三維有限元理論，提出了基于五面體單元的積分處理方法，將其應(yīng)用到焊接航結(jié)構(gòu)應(yīng)力場的計(jì)算中，以有效應(yīng)力集中系數(shù)預(yù)測模型為基礎(chǔ)，通過試驗(yàn)對計(jì)算方法的有效性進(jìn)行了分析。

焊接鋼結(jié)構(gòu)；疲勞強(qiáng)度；壽命預(yù)測理論

焊接是當(dāng)前鋼結(jié)構(gòu)最主要的一種連接方式，它不會削弱構(gòu)件的截面，可以有效節(jié)省鋼材，其構(gòu)造也非常簡單，加工過程非常容易，可以實(shí)現(xiàn)自動化生產(chǎn)，現(xiàn)在焊接鋼結(jié)構(gòu)已經(jīng)在橋梁、建筑及機(jī)械等多領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用。隨著我國近年來社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，焊接鋼結(jié)構(gòu)已經(jīng)在高層及超高層建筑領(lǐng)域中發(fā)揮了重要作用，然而焊接鋼結(jié)構(gòu)焊縫往往存在未焊透、咬口等一系列幾何缺陷，從結(jié)構(gòu)上來看，在交變荷載作用的影響下，焊接鋼結(jié)構(gòu)可能會在焊縫周圍出現(xiàn)疲勞裂紋，為人們的生命財(cái)產(chǎn)安全造成了嚴(yán)重的威脅。

1　疲勞壽命預(yù)測方法

1.1名義應(yīng)力法

所謂名義應(yīng)力法是指以名義應(yīng)力作為控制參數(shù)，利用疲勞試驗(yàn)的方式獲得名義應(yīng)力疲勞壽命曲線，按照損傷法預(yù)測構(gòu)件的疲勞壽命。該方法的基礎(chǔ)為疲勞試驗(yàn)，疲勞試驗(yàn)的可靠度非常高，當(dāng)前已經(jīng)在各種工程建設(shè)中得到了廣泛應(yīng)用。利用這種方式獲得的疲勞壽命是總周明，按照疲勞壽命的不同，可以分成無限和有限壽命法。

1.2局部應(yīng)力應(yīng)變法

在幾何變化的局部范圍內(nèi)，構(gòu)件存在應(yīng)力集中的現(xiàn)象，應(yīng)力集中的這些部位通常會產(chǎn)生塑性變形，進(jìn)而產(chǎn)生疲勞裂紋，因此構(gòu)件疲勞強(qiáng)度與壽命的主要影響因素為應(yīng)力應(yīng)變集中區(qū)域局部應(yīng)力與應(yīng)變?；谶@種思想，局部應(yīng)力應(yīng)變法儀局部的應(yīng)力與應(yīng)變參數(shù)對疲勞壽命進(jìn)行預(yù)算。

1.3斷裂力學(xué)法

這種方法以線彈性斷裂力學(xué)作為主要基礎(chǔ)，將材料內(nèi)部的缺陷看做裂紋，按照材料在使用荷載下的裂紋擴(kuò)展性質(zhì)對其剩余壽命進(jìn)行預(yù)測。從斷裂力學(xué)法的觀點(diǎn)上來看，構(gòu)件內(nèi)部的裂紋是不能避免的，但是只要采取適當(dāng)?shù)拇胧┻M(jìn)行控制，就可以保證其工作的安全性，也可以說這種裂紋是允許存在的。

1.4損傷力學(xué)法

現(xiàn)在連續(xù)介質(zhì)損傷力學(xué)已經(jīng)成為固體力學(xué)領(lǐng)域中嶄新的研究方法，損傷概念引入進(jìn)來以后，人們試圖利用連續(xù)損傷場來描述金屬材料的位錯(cuò)、空位及裂紋等內(nèi)部缺陷，描述其對材料本構(gòu)關(guān)系的影響，并從不可逆熱力學(xué)原理的角度出發(fā)，建立起基于損傷力學(xué)本構(gòu)及損傷動力學(xué)的關(guān)系。利用損傷力學(xué)理論對疲勞壽命進(jìn)行預(yù)測，充分考慮了損傷發(fā)展的非線性性質(zhì)，從理論上來看更加完善。

2　焊接鋼結(jié)構(gòu)疲勞性能的影響因素

2.1應(yīng)力集中

通常情況下焊接鋼結(jié)構(gòu)的形狀是比較復(fù)雜的，同時(shí)焊接鋼結(jié)構(gòu)集合變化位置產(chǎn)生的應(yīng)力也往往比名義應(yīng)力大很多，這種情況下疲勞裂紋會從結(jié)構(gòu)局部應(yīng)力位置開始集中。通常情況下在焊接結(jié)構(gòu)中，結(jié)構(gòu)幾何變化主要包括結(jié)構(gòu)整體幾何變化和焊縫局部幾何變化兩個(gè)方面。

2.2尺寸效應(yīng)

大量試驗(yàn)證實(shí)，構(gòu)件尺寸不同其疲勞強(qiáng)度也不同，隨著構(gòu)件尺寸的增加疲勞強(qiáng)度在不斷下降，由此可見，構(gòu)件疲勞強(qiáng)度存在尺寸效應(yīng)。其定量描述可以利用尺寸系數(shù)著來表示，其定義為：如果應(yīng)力集中情況相同時(shí)，那么尺寸為d的試樣，其疲勞極限和標(biāo)準(zhǔn)試樣的疲勞極限比值為：

式中：滓-1d是尺寸為d的構(gòu)件，在對稱循環(huán)時(shí)的疲勞極限；滓-1為尺寸為d0的構(gòu)件，在對稱循環(huán)時(shí)的疲勞極限。通過相關(guān)試驗(yàn)研究可以看出：引起尺寸效應(yīng)的主要因素為加工和比例因素。

2.3平均應(yīng)力

對于焊接鋼結(jié)構(gòu)疲勞壽命來說，應(yīng)力幅起到了決定性的作用，同時(shí)，平均應(yīng)力也是非常重要的影響因素。通常情況下，某一給定的應(yīng)力水平，其平均應(yīng)力越大時(shí)應(yīng)力比越大，同時(shí)疲勞壽命呈現(xiàn)出下降的趨勢，平均拉應(yīng)力的存在使得疲勞強(qiáng)度大大降低，同時(shí)疲勞強(qiáng)度得到了相應(yīng)的提高。

2.4殘余應(yīng)力

焊接殘余應(yīng)力是因?yàn)榧訜岵痪鶆蛟斐傻?，在焊接過程中，應(yīng)為焊縫位置的溫度比較高，金屬機(jī)體約束焊縫得不到自由膨脹會出現(xiàn)內(nèi)部壓應(yīng)力，局部會出現(xiàn)塑性變形。而溫度降低以后，周圍約束如果不能自由收縮，內(nèi)部將會出現(xiàn)拉應(yīng)力，局部達(dá)到拉伸屈服極限。在遠(yuǎn)離焊縫的地方會出現(xiàn)殘余壓應(yīng)力，而其形成過程卻正好相反。

3　焊接鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)力場數(shù)值計(jì)算理論研究

要想對焊接鋼結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度進(jìn)行研究，首先必須對結(jié)構(gòu)內(nèi)部應(yīng)力應(yīng)變場進(jìn)行掌握。通常情況下，如果焊接結(jié)構(gòu)需要對焊縫局部幾何形狀進(jìn)行考慮，其幾何形狀必然十分復(fù)雜，一般需要利用彈性力學(xué)的幾何方程、平衡方程及物理方程等得到有關(guān)焊接鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)力場的解析表達(dá)式。但是要想對焊接鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)力應(yīng)變長分布規(guī)律進(jìn)行掌握，應(yīng)該借助數(shù)值計(jì)算方法。

結(jié)構(gòu)應(yīng)力場數(shù)值的計(jì)算方法非常多，通常情況下有邊界元法、有限元法及有限差分法等，其中，有限元法之所以會在眾多優(yōu)越性工程中得到應(yīng)用，主要是因?yàn)槠涫諗啃钥梢缘玫匠浞直ＷC，同時(shí)其程序和剖分也比較規(guī)范。因?yàn)楹附愉摻Y(jié)構(gòu)焊縫附近的幾何形狀非常復(fù)雜，焊縫周圍的應(yīng)力狀態(tài)呈現(xiàn)出三維性質(zhì)，因此，在其應(yīng)力應(yīng)變場計(jì)算過程中，通常會利用三維有限元法。為了保證有限單元可以更好的與焊縫復(fù)檢的幾何邊界相貼合，這種情況下可以利用幾種單元匹配，促進(jìn)有限元計(jì)算結(jié)果精度的提高。

圖1為T型焊接板節(jié)點(diǎn)的局部網(wǎng)格剖分圖，從該圖中可以看出來，利用五面體和六面體三元相結(jié)合的方式，單元不會出現(xiàn)過分歪斜的現(xiàn)象，這種情況下展開計(jì)算，既不會出現(xiàn)閉鎖現(xiàn)象，同時(shí)計(jì)算精度也可以得到提高。將五面體6節(jié)點(diǎn)、15節(jié)點(diǎn)、6～15節(jié)點(diǎn)單元、六面體單元相結(jié)合，可以對焊接鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)力場進(jìn)行準(zhǔn)確計(jì)算。

圖1　T型焊接板節(jié)點(diǎn)網(wǎng)格剖分示意圖

焊接鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件經(jīng)常會存在表面裂紋，要想得到復(fù)雜結(jié)構(gòu)表面裂紋的盈利前度因子，往往需要利用數(shù)值計(jì)算方法，利用有限元法對表面裂紋問題進(jìn)行計(jì)算，需要耗費(fèi)大量的工作量。線彈簧元提出以后，三維表面裂紋問題變得簡單化，轉(zhuǎn)化為含線彈簧的板殼問題，利用其對應(yīng)力強(qiáng)度因子進(jìn)行計(jì)算，可以大大減少計(jì)算工作量，且其解的精度也比較高。

4　焊接鋼結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度與疲勞壽命預(yù)測的研究進(jìn)展

從上文的描述中可以了解到，焊接鋼結(jié)構(gòu)疲勞性能的影響因素非常多，例如結(jié)構(gòu)的幾何形狀、焊縫局部幾何形狀、尺寸效應(yīng)等，與一般金屬構(gòu)件相比，焊接鋼結(jié)構(gòu)疲勞存在其自身的特點(diǎn)，具體表現(xiàn)在以下方面：淤焊縫局部范圍內(nèi)出現(xiàn)幾何形狀變化，會使應(yīng)力分布變得更加復(fù)雜，應(yīng)力集中表現(xiàn)會更加明顯；于焊縫周圍存在咬邊等缺陷，這些地方會出現(xiàn)裂紋并進(jìn)一步擴(kuò)展；盂焊接過程中會出現(xiàn)殘余應(yīng)力，焊接鋼結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度將會與普通構(gòu)件出現(xiàn)較大區(qū)別。

面對以上焊接鋼結(jié)構(gòu)疲勞特點(diǎn)，當(dāng)前國內(nèi)外針對這方面展開了大量研究，提出了最壞切口的概念，還利用試驗(yàn)方法針對錯(cuò)位量對接頭疲勞程度的影響展開了分析，證明了焊縫集合尺寸對應(yīng)力強(qiáng)度存在明顯影響。

焊接過程中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力和接頭形式、焊接熱源等直接相關(guān)，其分布形式非常復(fù)雜，人們針對焊接殘余應(yīng)力對疲勞強(qiáng)度帶來的影響已經(jīng)展開了很多研究，已經(jīng)充分認(rèn)識到了這種影響非常明顯。但是因?yàn)闅堄鄳?yīng)力分布本身存在一定的復(fù)雜性，這種復(fù)雜性對疲勞損傷存在一定影響，當(dāng)前這方面的研究還不清楚。近年來人們從殘余應(yīng)力的產(chǎn)生角度著手，利用數(shù)值方法對焊接過程進(jìn)行模擬，獲得了一些成就。

5　結(jié)語

本文討論的重點(diǎn)在于焊接鋼結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度與壽命預(yù)測的理論上，以期為實(shí)際工程建設(shè)提供有效依據(jù)。焊接鋼結(jié)構(gòu)疲勞性能的影響因素非常多，從理論角度上來看，要想對這些影響因素進(jìn)行描述是非常復(fù)雜的，本文從焊接鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)力場等角度出發(fā)，對疲勞強(qiáng)度與壽命預(yù)測方法展開了分析與研究。焊接鋼結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度與壽命預(yù)測研究的應(yīng)用價(jià)值非常高，雖然當(dāng)前已經(jīng)取得了一些成果，但是因?yàn)楹附愉摻Y(jié)構(gòu)疲勞性能的影響因素非常多，還有很多問題需要展開進(jìn)一步研究。

[1]王曉鋒，郭長青，李子龍.循環(huán)載荷下鋼結(jié)構(gòu)焊接接頭的疲勞失效分析[J].山西建筑，2009（17）：63～64.

[2]周張義，李芾，安琪，黃運(yùn)華，卜繼玲.鋼結(jié)構(gòu)焊縫疲勞強(qiáng)度分析技術(shù)的最新進(jìn)展[J].中國鐵道科學(xué)，2009（4）：69～75.

[3]周張義，李芾，卜繼玲，安琪.不同標(biāo)準(zhǔn)的鋼結(jié)構(gòu)焊接細(xì)節(jié)疲勞設(shè)計(jì)S—N曲線比較[J].內(nèi)燃機(jī)車，2009（10）：1～6+51.

[4]謝素明，時(shí)慧焯，李婭娜，兆文忠.基于IIW標(biāo)準(zhǔn)的提速客車轉(zhuǎn)向架焊接構(gòu)架疲勞壽命預(yù)測[J].大連鐵道學(xué)院學(xué)報(bào)，2006（3）：17～21.

[5]吳海超，方海容，何忠韜.焊接結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度和疲勞壽命研究現(xiàn)狀及展望[J].焊接，2014（7）：26～31+54+73.

TU391

A

1673-0038（2015）49-0156-02

2015-12-11

彭各（1980-），男，工程師，本科，主要從事軌道交通鋼制品、鋼結(jié)構(gòu)項(xiàng)目管理方面的工作。