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焊接接头疲劳寿命评估中板厚参数的影响分析

王悦东;葛巍;李向伟

【摘要】针对焊接接头板厚参数对其疲劳寿命的影响问题,分别采用ⅡW2008、

BS7608等疲劳评估标准以及ASME标准进行对比性计算与分析.选用焊接部件中

典型的十字型接头,材料分别选用铝材和钢材两种主流的金属材料,并采用名义应力

法及结构应力法等方法计算不同厚度下的铝材及钢材焊接接头的疲劳损伤.计算结

果表明:当焊接结构的载荷方向明确且厚度在20～30mm之间的情况下,使用

ⅡW2008标准评估疲劳更为合理;当焊接结构复杂或是焊接板很厚或很薄的情况

下,建议使用Verity方法评估疲劳寿命.

【期刊名称】《大连交通大学学报》

【年(卷),期】2017(038)001

【总页数】4页(P30-33)

【关键词】焊接接头;疲劳寿命;Verity方法;板厚

【作者】王悦东;葛巍;李向伟

【作者单位】大连交通大学交通运输工程学院,辽宁大连116028;大连交通大学交

通运输工程学院,辽宁大连116028;齐齐哈尔轨道交通装备有限责任公司,黑龙江齐

齐哈尔161000

【正文语种】中文

疲劳断裂是金属结构失效的一种主要形式，它是由于材料在循环应力或应变的反复

作用下所发生的性能变化，是一种损伤累积的过程[1].由于疲劳断裂的不确定性和

危害性，已经引起了很多工程技术人员的重视.目前金属疲的破坏主要有母材金属

疲劳破坏和焊接结构疲劳破坏两种.其中，焊接结构疲劳破坏是目前工程领域的重

点研究对象.对于焊接结构，焊趾是其最重要的研究位置子之一[2]，而板厚对于焊

趾处的疲劳寿命的影响更有着举足轻重的作用.MaddoxSJ指出[3]，在裂纹深度

和峰值应力同等的情况下，虽然厚板的应力梯度没有薄板的应力梯度大，但是厚板

在裂纹深处的应力一般大于薄板，所以裂纹在厚板中更容易扩大[4].由此可以推断，

焊接结构的疲劳强度随着板厚的增加而降低[4].本文针对焊接接头疲劳寿命评估的

板厚参数问题，分别采用P.Dong教授总结提出的Verity方法、国际焊接协会提

出的IIW2008标准以及英国标准BS7608对不同厚度的焊接接头进行疲劳寿命的

计算与分析.

Verity方法存在两个关键技术，分别为网格不敏感结构应力法以及以等效结构应

力变成以ΔSS为参数的主ΔSS-N曲线.

网格不敏感结构应力法[5]是根据功等效的原理将单元的节点载荷转化为单元边上

的线载荷，再应用结构力学的基本公式计算出单元边上任意一点的膜应力σm和

弯曲应力σb以及自平衡缺口应力σnlp，其中膜应力和弯曲应力的和定义为结构

应力σS.因此可知，网格不敏感结构应力法解决了另外两种疲劳评估方法下焊线位

置以离散节点的节点力为评估依据的局限性[6].而主ΔSS-N曲线法[7]是在网格不

敏感结构应力法的基础上，采用基于断裂力学的Paris裂纹扩展公式，通过求解半

椭圆表面裂纹应力强度因子，将结构应力的变化量、板厚以及载荷作用模式三个主

要影响焊接结构疲劳强度的因素统一为一个参量，将其定义为等效结构应力幅

ΔSS，推导了以等效结构应力幅ΔSS作为参量的主ΔSS-N曲线表达式：

式中:I(r)为载荷模式参数，它是通过进行多项式拟合得出的.

IIW2008标准是国际焊接协会推行的疲劳寿命评定准则，适用于多种类型的钢材

料和铝材料，该标准在考虑到由于焊缝形状而引起的局部应力集中、焊缝尺寸及形

状偏差、应力方向、焊接残余应力及焊后做改善处理的情况下，给出多种类型焊接

接头的疲劳强度.IIW2008标准的评估步骤[8]如下：

(1)选用该标准评估寿命要基于焊接接头的初始信息，尽可能选择与评估对象的焊

接形式和载荷作用模式相符合的焊接接头，确定应力类别;

(2)通过所选评估点的疲劳强度级别对应的S-N曲线得到损伤比：

式中:ni表示载荷谱中应力范围为Δσi的循环总数；Ni表示在该应力范围内将导致

损坏的循环总数；Δσ1和Δσ2为疲劳评估点对应的S-N曲线拐点；c1和c2为对

应的常系数.

并且通过厚度修正因数f(t)对应力幅值进行修正：

式中:tref为IIW2008标准里定义的标准厚度，其值为25mm；teff为焊接接头

处板厚实际厚度，并根据实际焊缝厚度与母材厚度比值是否大于2来选取teff=t

或teff=0.5×L；n为厚度修正系数.

(3)按照Miner的线性累积损伤理论，通过总损伤比是否大于1评估焊接接