王悅東,葛巍,李向偉

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

?

焊接接頭疲勞壽命評(píng)估中板厚參數(shù)的影響分析

王悅東1,葛巍1,李向偉2

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

針對(duì)焊接接頭板厚參數(shù)對(duì)其疲勞壽命的影響問(wèn)題，分別采用IIW2008、BS7608等疲勞評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)以及ASME標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對(duì)比性計(jì)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(yīng)力法及結(jié)構(gòu)應(yīng)力法等方法計(jì)算不同厚度下的鋁材及鋼材焊接接頭的疲勞損傷.計(jì)算結(jié)果表明：當(dāng)焊接結(jié)構(gòu)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(biāo)準(zhǔn)評(píng)估疲勞更為合理；當(dāng)焊接結(jié)構(gòu)復(fù)雜或是焊接板很厚或很薄的情況下，建議使用Verity方法評(píng)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(jié)構(gòu)失效的一種主要形式，它是由于材料在循環(huán)應(yīng)力或應(yīng)變的反復(fù)作用下所發(fā)生的性能變化，是一種損傷累積的過(guò)程[1].由于疲勞斷裂的不確定性和危害性，已經(jīng)引起了很多工程技術(shù)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(jié)構(gòu)疲勞破壞兩種.其中，焊接結(jié)構(gòu)疲勞破壞是目前工程領(lǐng)域的重點(diǎn)研究對(duì)象.對(duì)于焊接結(jié)構(gòu)，焊趾是其最重要的研究位置子之一[2]，而板厚對(duì)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(yīng)力同等的情況下，雖然厚板的應(yīng)力梯度沒(méi)有薄板的應(yīng)力梯度大，但是厚板在裂紋深處的應(yīng)力一般大于薄板，所以裂紋在厚板中更容易擴(kuò)大[4].由此可以推斷，焊接結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度隨著板厚的增加而降低[4].本文針對(duì)焊接接頭疲勞壽命評(píng)估的板厚參數(shù)問(wèn)題，分別采用P. Dong教授總結(jié)提出的Verity方法、國(guó)際焊接協(xié)會(huì)提出的IIW 2008標(biāo)準(zhǔn)以及英國(guó)標(biāo)準(zhǔn)BS7608對(duì)不同厚度的焊接接頭進(jìn)行疲勞壽命的計(jì)算與分析.

1 Verity方法

Verity方法存在兩個(gè)關(guān)鍵技術(shù)，分別為網(wǎng)格不敏感結(jié)構(gòu)應(yīng)力法以及以等效結(jié)構(gòu)應(yīng)力變成以ΔSS為參數(shù)的主ΔSS-N曲線.

網(wǎng)格不敏感結(jié)構(gòu)應(yīng)力法[5]是根據(jù)功等效的原理將單元的節(jié)點(diǎn)載荷轉(zhuǎn)化為單元邊上的線載荷，再應(yīng)用結(jié)構(gòu)力學(xué)的基本公式計(jì)算出單元邊上任意一點(diǎn)的膜應(yīng)力σm和彎曲應(yīng)力σb以及自平衡缺口應(yīng)力σnlp，其中膜應(yīng)力和彎曲應(yīng)力的和定義為結(jié)構(gòu)應(yīng)力σS.因此可知，網(wǎng)格不敏感結(jié)構(gòu)應(yīng)力法解決了另外兩種疲勞評(píng)估方法下焊線位置以離散節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)力為評(píng)估依據(jù)的局限性[6].而主ΔSS-N曲線法[7]是在網(wǎng)格不敏感結(jié)構(gòu)應(yīng)力法的基礎(chǔ)上，采用基于斷裂力學(xué)的Paris裂紋擴(kuò)展公式，通過(guò)求解半橢圓表面裂紋應(yīng)力強(qiáng)度因子，將結(jié)構(gòu)應(yīng)力的變化量、板厚以及載荷作用模式三個(gè)主要影響焊接結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度的因素統(tǒng)一為一個(gè)參量，將其定義為等效結(jié)構(gòu)應(yīng)力幅ΔSS，推導(dǎo)了以等效結(jié)構(gòu)應(yīng)力幅ΔSS作為參量的主ΔSS-N曲線表達(dá)式：

2 IIW2008標(biāo)準(zhǔn)

IIW2008標(biāo)準(zhǔn)是國(guó)際焊接協(xié)會(huì)推行的疲勞壽命評(píng)定準(zhǔn)則，適用于多種類型的鋼材料和鋁材料，該標(biāo)準(zhǔn)在考慮到由于焊縫形狀而引起的局部應(yīng)力集中、焊縫尺寸及形狀偏差、應(yīng)力方向、焊接殘余應(yīng)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(qiáng)度.IIW2008標(biāo)準(zhǔn)的評(píng)估步驟[8]如下：

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

(2)通過(guò)所選評(píng)估點(diǎn)的疲勞強(qiáng)度級(jí)別對(duì)應(yīng)的S-N曲線得到損傷比：

式中:ni表示載荷譜中應(yīng)力范圍為Δσi的循環(huán)總數(shù)；Ni表示在該應(yīng)力范圍內(nèi)將導(dǎo)致?lián)p壞的循環(huán)總數(shù)；Δσ1和Δσ2為疲勞評(píng)估點(diǎn)對(duì)應(yīng)的S-N曲線拐點(diǎn)；c1和c2為對(duì)應(yīng)的常系數(shù).

并且通過(guò)厚度修正因數(shù)f(t)對(duì)應(yīng)力幅值進(jìn)行修正：

式中:tref為IIW2008標(biāo)準(zhǔn)里定義的標(biāo)準(zhǔn)厚度，其值為25 mm；teff為焊接接頭處板厚實(shí)際厚度，并根據(jù)實(shí)際焊縫厚度與母材厚度比值是否大于2來(lái)選取teff=t或teff=0.5×L；n為厚度修正系數(shù).

(3)按照Miner的線性累積損傷理論，通過(guò)總損傷比是否大于1評(píng)估焊接接頭壽命是否符合設(shè)計(jì)要求.

IIW2008標(biāo)準(zhǔn)考慮到了低應(yīng)力級(jí)別下高循環(huán)的疲勞損傷累積情況，這恰好符合軌道交通行業(yè)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(jī)車車體、機(jī)車轉(zhuǎn)向架輕量化需求的發(fā)展趨勢(shì).

此外，IIW2008標(biāo)準(zhǔn)較BS7608標(biāo)準(zhǔn)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(shí)用度更高，更利于普及.

3 BS7608標(biāo)準(zhǔn)

BS7608標(biāo)準(zhǔn)[10]是以Miner線性累積損傷理論為基礎(chǔ)，適用于評(píng)估材料為屈服強(qiáng)度低于700 MPa的碳鋼、調(diào)質(zhì)鋼的焊接接頭的疲勞壽命.BS7608標(biāo)準(zhǔn)[6]考慮了局部應(yīng)力集中、焊縫尺寸、載荷加載方向、板厚參數(shù)等因素對(duì)焊接接頭疲勞強(qiáng)度的影響，提供了多種焊接接頭的疲勞強(qiáng)度值.

BS7608標(biāo)準(zhǔn)的評(píng)估[11]與IIW2008標(biāo)準(zhǔn)的評(píng)估步驟基本一致，主要有兩處不同，其一是因?yàn)樵摌?biāo)準(zhǔn)只適用于鋼材料的評(píng)估，故疲勞強(qiáng)度等級(jí)分類較少，從而對(duì)應(yīng)的常系數(shù)不同；其二是該標(biāo)準(zhǔn)對(duì)應(yīng)力范圍的厚度修正因數(shù)不同：

式中:t為焊接接頭處板厚的實(shí)際厚度；tB為BS7608標(biāo)準(zhǔn)里定義的標(biāo)準(zhǔn)厚度，其值為16 mm；SB是板厚為標(biāo)準(zhǔn)厚度時(shí)的疲勞強(qiáng)度；S是修正后的實(shí)際疲勞強(qiáng)度.

4 應(yīng)用實(shí)例

4.1 十字型接頭有限元模型

本文選取的計(jì)算對(duì)象為單側(cè)全焊透焊縫的十字型接頭，為了有很好的應(yīng)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(dòng)載荷，計(jì)算模型施加應(yīng)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(tài)，有限元模型如圖1所示.并通過(guò)有限元技術(shù)，計(jì)算得到的十字型接頭Von Mises應(yīng)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(tǒng)計(jì)結(jié)果

IIW2008標(biāo)準(zhǔn)定義的標(biāo)準(zhǔn)厚度為25 mm，BS7608的標(biāo)準(zhǔn)厚度為16 mm，所以本文計(jì)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(jì)算得到的名義應(yīng)力值、Verity方法中的結(jié)構(gòu)應(yīng)力值和對(duì)應(yīng)的等效結(jié)構(gòu)應(yīng)力值以及三種疲勞評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)下計(jì)算得到的損傷值(僅列出關(guān)鍵點(diǎn))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(duì)比結(jié)果

通過(guò)計(jì)算，基于IIW2008標(biāo)準(zhǔn)以及Verity方法評(píng)估的材料為鋁材的十字型接頭的損傷值的對(duì)比結(jié)果如圖3所示.基于IIW2008標(biāo)準(zhǔn)、BS7608標(biāo)準(zhǔn)以及Verity方法評(píng)估的材料為鋼材的十字型接頭的損傷值的對(duì)比結(jié)果如圖4所示.

圖3 基于IIW 2008標(biāo)準(zhǔn)和Verity方法下鋁材疲勞損傷值的對(duì)比結(jié)果

圖4 基于IIW 2008標(biāo)準(zhǔn)、BS7608標(biāo)準(zhǔn)和Verity方法下鋼材疲勞損傷值的對(duì)比結(jié)果

5 結(jié)論

(1) 在保證網(wǎng)格質(zhì)量的前提下，不難看出，在評(píng)估低應(yīng)力循環(huán)負(fù)載時(shí)，由Verity方法評(píng)估鋁制十字型接頭的損傷值要高于IIW 2008標(biāo)準(zhǔn)評(píng)估的，而評(píng)估鋼制十字型接頭時(shí)，三者相比，IIW 2008評(píng)估的損傷值最高，BS 7608標(biāo)準(zhǔn)評(píng)估的損傷值最低;

(2)通過(guò)比較損傷值數(shù)值可知，評(píng)估鋁材料疲勞損傷值時(shí)，Verity方法計(jì)算的損傷值斜率為0.005 4，而通過(guò)IIW 2008標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)在厚度參數(shù)對(duì)疲勞強(qiáng)度的影響上采用了激進(jìn)的修正方式，但這樣一來(lái)，按照IIW 2008標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的帶有厚板的結(jié)構(gòu)偏危險(xiǎn)；在評(píng)估鋼材料疲勞損傷值時(shí)，IIW 2008標(biāo)準(zhǔn)的修正斜率是0.000 8，BS 7608標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)評(píng)估的損傷值整體高于另外兩種標(biāo)準(zhǔn)的結(jié)果，而且厚度修正速率也更快，說(shuō)明在評(píng)估超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)厚度的鋼制焊接結(jié)構(gòu)時(shí)，損傷值過(guò)高，對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求過(guò)高;

(3)在應(yīng)力方向明確的情況下，當(dāng)焊接接頭厚度在20～30 mm之間的情況下，建議采用IIW 2008標(biāo)準(zhǔn)；而面對(duì)結(jié)構(gòu)復(fù)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(jié)構(gòu)疲勞分析[M] ．北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2013．

[2]薛剛，王濤，宮旭輝,等．交變載荷作用下平面應(yīng)力狀態(tài)焊接接頭焊趾處應(yīng)力應(yīng)變理論解的推導(dǎo)[J]．焊接學(xué)報(bào)，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(duì)焊接接頭疲勞強(qiáng)度的影響[J].工業(yè)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(píng)估原理及驗(yàn)證[J]．焊接學(xué)報(bào)，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(guó)際焊接協(xié)會(huì)(IIW)．XⅢ- 1539- 96/XⅤ- 845- 96焊接結(jié)構(gòu)和構(gòu)件的疲勞設(shè)計(jì)[S]．[s.l.]:[s.n]，2008．

[9]謝素明，時(shí)慧焯.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(cè)[J]．大連鐵道學(xué)院學(xué)報(bào)，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(yán)仁軍．基于切口應(yīng)力強(qiáng)度理論的橫向角接焊接接頭的疲勞強(qiáng)度評(píng)估[J]．船舶力學(xué)，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(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51208072);遼寧省高等學(xué)校優(yōu)秀人才支持計(jì)劃資助項(xiàng)目(LGQ2013052)

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

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

A