基于缺口應力法的焊接接頭疲勞強度評估

嚴仁軍 何 豐 諶 偉

(武漢理工大學交通學院 武漢 430063)

基于缺口應力法的焊接接頭疲勞強度評估

嚴仁軍 何 豐 諶 偉

(武漢理工大學交通學院 武漢 430063)

在現有的焊接接頭疲勞評估方法中，S-N曲線法的運用最為廣泛，但是該方法主要考慮的結構的名義應力，很難運用到復雜結構或者復雜載荷下的求解.對于復雜接頭形式的應力分析應根據其幾何應力作必要的修正，缺口應力為含有缺口的復雜焊接接頭的疲勞強度評估開辟了新的思路.以對接接頭、縱向角接頭以及T形接頭為研究對象，根據IIW的相關規定，采用缺口應力評估焊接接頭的疲勞強度.結果表明，采用缺口應力評估焊接接頭疲勞強度時，疲勞數據的離散性較小；IIW推薦的缺口應力S-N曲線僅適用于角焊縫接頭，但對對接接頭的疲勞評估，得到的結果偏危險.

焊接接頭；缺口應力法；S-N曲線；離散性

0 引 言

焊接結構疲勞評估方法可分為整體法和局部法：名義應力法即為整體法，而局部法則包括結構或熱點應力法、缺口應力法、缺口強度法、缺口應變法,以及裂紋擴展法[1-2].典型焊接接頭的表面應力分布情況見圖1.目前，名義應力法仍然是應用最多的一種疲勞評估方法.然而，該方法沒有考慮焊接局部對焊接接頭疲勞強度的影響.國際焊接協會(IIW)根據多種典型焊接接頭的疲勞試驗數據，給出了多種典型接頭的S-N曲線[3].然而，復雜焊接結構的名義應力很難確定，采用名義應力評估復雜結構的疲勞強度十分困難.結構應力法考慮了結構幾何造成的應力增大對焊接接頭疲勞強度的影響，但是仍然沒有計及焊縫與母材的不連續，即焊接缺口造成的應力的增大對焊接接頭疲勞強度的影響.相比上述兩種方法，缺口應力法同時考慮了結構幾何以及焊縫與母材的不連續造成的應力的增大，以焊縫與母材交界處的應力作為疲勞評估參量，能夠更真實的反映焊接局部應力的最大值，這種方法同時適用于焊趾及焊根處的疲勞評估[4-5],因此，缺口應力法也越來越廣泛的應用于焊接接頭的疲勞評估中.

圖1 典型焊接接頭表面應力分布情況

缺口應力法是基于材料的彈性理論提出的一種疲勞評估方法.采用缺口應力評估焊接接頭疲勞強度時存在以下兩個問題：①由于缺口尖點造成的缺口處的應力的奇異性；②由于微觀結構約束效應造成的應力的降低.綜合考慮上述兩個問題，缺口應力法中提出了虛擬半徑的概念，即在焊趾和焊根處采用圓弧過渡，見圖2.IIW采用缺口應力法對大量疲勞試驗數據進行了重新的評估，并針對焊接鋼結構給出了推薦使用的基于缺口應力的S-N曲線，疲勞等級為225 MPa，S-N曲線的斜率m取為3.然而，IIW沒有針對不同的接頭形式驗證這條S-N曲線的適用性[6].

圖2 焊趾和焊根處的過渡圓弧的定義

本文以對接接頭、縱向角接頭和T形接頭為研究對象，采用缺口應力法對這三種焊接接頭的疲勞強度進行重新評估.對比缺口應力下的疲勞數據與名義應力下的疲勞數據，并驗證IIW推薦的缺口S-N曲線的適用性.結果表明，采用缺口應力法得到的焊接接頭疲勞數據的離散性比名義應力法得到的疲勞數據的離散性小；IIW推薦的S-N曲線適用于角焊縫的接頭的疲勞評估，但是對于對接接頭疲勞評估并不適用.

1 虛擬半徑法

采用缺口應力法評估焊接接頭疲勞強度時，首先需要確定虛擬半徑的大小.考慮到應力梯度下，不均勻的材料結構對疲勞性能的影響，提出了多種微觀約束假定.劉旭等[7]提出的微觀約束假定是在缺口處建立一個虛擬的弧度，并以這段弧線上應力的最大值表示缺口處微觀約束長度范圍內應力的平均值，見圖3.虛擬半徑的計算公式為

ρf=ρ+S·ρ*

(1)

式中：ρf為虛擬半徑；ρ為焊接缺口處實際的缺口半徑；S為約束系數；ρ*為替代的微觀結構長度.對于焊接鋼結構及鋁合金結構，約束系數S=2.5，替代的微觀結構長度ρ*=0.4 mm.因此可以得到此時虛擬半徑的計算公式為

ρf=ρ+1

(2)

Radaj等[8]假定了最危險的缺口情況，即實際缺口半徑ρ=0 mm時，此時得到的虛擬半徑ρf=1 mm.根據IIW的有關推薦，在板厚t≥5 mm時，虛擬半徑ρf=1 mm，而當板厚t<5 mm時，虛擬半徑ρf=0.05 mm.這兩種虛擬半徑的值與焊接缺口處實際測量結果接近，對于板厚t≥5 mm的焊接接頭，其缺口弧度的測量結果都為1 mm[9].

圖3 虛擬半徑的定義

2 名義應力S-N曲線評估

按照不同的接頭形式，分別對對接接頭、縱向角接頭及T形接頭進行名義應力S-N曲線疲勞強度的評估.選擇的焊接接頭的疲勞裂紋均從焊趾表面萌生并擴展[10-11].各接頭的疲勞試驗參數見表1.

表1 焊接接頭疲勞試驗參數

圖4為對接接頭、縱向角接頭及T形接頭名義應力下的疲勞數據.圖中粗實線表示的是名義應力下，對于不同的接頭形式，IIW所推薦的S-N曲線，疏虛線表示根據試驗數據擬合出的存活率為2.3%的曲線，密虛線表示根據試驗數據擬合出存活率為97.7%的曲線，細實線則表示存活率為50%的擬合曲線.

圖4 名義應力下疲勞數據

由試驗結果可知，采用名義應力S-N曲線評估焊接接頭疲勞強度時，IIW推薦的S-N曲線對于這三種焊接接頭的疲勞評估均是安全的.但是，根據IIW推薦的S-N曲線進行疲勞評估時，得到的結果均偏保守.因此，根據上述試驗數據，對IIW推薦的S-N曲線作相應調整，調整前后的疲勞等級及S-N曲線的斜率見表2.

表2 根據試驗結果調整S-N曲線

3 缺口應力S-N曲線評估

缺口應力集中系數Kn等于缺口應力與名義應力的比值[12]，見式(3).

Kn=σk/σn

(3)

式中：σk為缺口應力值；σn為名義應力值.

由式(3)可知，在得到焊接接頭焊趾處的缺口應力值之前，首先需要確定焊接接頭焊趾處的缺口應力集中系數，焊接接頭焊趾處的缺口應力集中系數通過有限元計算得到.

三種焊接接頭整體的有限元模型見圖5，焊趾局部圓弧過渡區的有限元模型見圖6，對焊趾附近局部區域的網格根據IIW的推薦值進行加密處理.對接接頭與縱向角接頭有限元計算時均采用1/2模型進行計算，對稱面上施加對稱約束.三種焊接接頭的計算結果見圖7.

圖5 各接頭有限元模型

圖6 有限元模型局部細節圖

圖7 焊接接頭缺口應力云圖

根據有限元的計算結果，得到三種焊接接頭焊趾處的缺口應力集中系數分別為1.65,2.37,2.18.其中，對對接接頭而言，考慮到其可能出現的焊接變形對缺口應力集中系數的影響，需將計算得到的結果乘以1.1.

在求得的缺口應力集中系數的基礎上，可以得到缺口應力下焊接接頭疲勞數據，見圖8.

圖8 缺口應力下焊接接頭疲勞數據

圖中粗實線為IIW推薦的缺口應力S-N曲線.由圖8可知：

1) 受接頭形式的影響，名義應力下的疲勞數據過于分散，而缺口應力下得到的疲勞數據則具有較高的重合性.因此，采用缺口應力S-N曲線進行焊接接頭疲勞評估不受接頭形式的影響，更便于工程實際的運用.

2) 由縱向角接頭與T形接頭兩種角焊縫接頭的疲勞數據可知：采用缺口應力評估焊接接頭疲勞強度時，IIW所推薦的缺口應力S-N曲線對于這兩種接頭的疲勞評估都是安全可行的；由對接接頭疲勞數據可得：IIW推薦的缺口應力S-N曲線并不適用于對接接頭的疲勞評估.

由圖8中的疲勞數據不難看出，對于對接接頭而言，其缺口應力下的疲勞數據大部分位于IIW推薦的缺口應力S-N曲線的下方，采用IIW推薦的S-N曲線評估對接接頭的疲勞強度，得到的結果偏危險.針對這一情況，本文根據對接接頭缺口應力下的疲勞數據擬合出一條新的缺口應力S-N曲線，疲勞等級為215 MPa，曲線的斜率為4，見圖9.

圖9 缺口應力下對接接頭壽命

4 結 論

1) 缺口應力作為焊接接頭的疲勞強度評估參量是可行的，并且缺口應力下得到的疲勞數據的離散性與名義應力下得到的結果相比較小.此外，利用名義應力評估焊接接頭疲勞強度時，對于不同的材料及接頭形式都需要使用不同的S-N曲線，而采用缺口應力法評估焊接接頭疲勞強度時僅需一條S-N曲線，應用于工程實際中更為方便.

2) IIW推薦的缺口應力S-N曲線并不適用于所有的焊接接頭的疲勞評估.對于縱向角接頭及T形接頭這兩種角焊縫接頭而言，IIW推薦的S-N曲線是適用的，但是對于對接接頭而言，采用推薦的S-N曲線進行疲勞評估較為危險.本文根據對接接頭缺口應力下的疲勞數據，擬合出一條適用于對接接頭的缺口應力S-N曲線，疲勞等級為215 MPa，曲線的斜率為4.

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Fatigue Strength Evaluation of Welded Joints Based on the Effective Notch Stress Method

YANRenjunHEFengSHENWei

(SchoolofTransportation,WuhanUniversityofTechnology,Wuhan430063,China)

S-Ncurve is the most widely used among all the modern fatigue design concepts for welded structures. However, this method mainly considers the nominal stress of the structure, and it is difficult to be used for the evaluation of complex structure or complex loads. As for the stress analysis of complex joints, the correction according to the geometric stress is needed to be taken into account, and the notch stress method provides a novel idea for the fatigue strength assessment of complex welded structures. Experimental fatigue data for butt welded joints, longitudinal fillet joints, and T-joints have been collected and studied. According to IIW recommendations, the notch stress method has been used for the evaluation of the joints. The results show that, the dispersion is less when the notch stress is used for the evaluation of welded joints. Meanwhile, theS-Ncurve recommended by the IIW is suitable for the evaluation of fillet welded joints, but the results will be dangerous for butt welded joints.

welded joints; notch stress method;S-Ncurve; dispersion

U661.43

10.3963/j.issn.2095-3844.2017.05.011

2017-08-11

嚴仁軍(1962—)：男，教授，博士生導師，主要研究領域為船舶與海洋工程結構數值分析與仿真，結構強度理論與試驗