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

(1.大连交通大学 交通运输工程学院，辽宁 大连 116028； 2．齐齐哈尔轨道交通装备有限责任公司，黑龙江 齐齐哈尔 161000)*



焊接接头疲劳寿命评估中板厚参数的影响分析

王悦东1,葛巍1,李向伟2

(1.大连交通大学 交通运输工程学院，辽宁 大连 116028； 2．齐齐哈尔轨道交通装备有限责任公司，黑龙江 齐齐哈尔 161000)*

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20～30 mm之间的情况下，使用IIW 2008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.

焊接接头；疲劳寿命；Verity方法；板厚

0 引言

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.Maddox S J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IIW 2008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.

1 Verity方法

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：

2 IIW2008标准

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25 mm；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评估焊接接头寿命是否符合设计要求.

IIW2008标准考虑到了低应力级别下高循环的疲劳损伤累积情况，这恰好符合轨道交通行业疲劳破坏的主要情况[9]，而且它囊括了钢材和铝材两种主要金属类别，而铝材也符合目前机车车体、机车转向架轻量化需求的发展趋势.

此外，IIW2008标准较BS7608标准提供了更

加丰富的焊接接头形式和载荷作用模式，因此它的实用度更高，更利于普及.

3 BS7608标准

BS7608标准[10]是以Miner线性累积损伤理论为基础，适用于评估材料为屈服强度低于700 MPa的碳钢、调质钢的焊接接头的疲劳寿命.BS7608标准[6]考虑了局部应力集中、焊缝尺寸、载荷加载方向、板厚参数等因素对焊接接头疲劳强度的影响，提供了多种焊接接头的疲劳强度值.

BS7608标准的评估[11]与IIW2008标准的评估步骤基本一致，主要有两处不同，其一是因为该标准只适用于钢材料的评估，故疲劳强度等级分类较少，从而对应的常系数不同；其二是该标准对应力范围的厚度修正因数不同：

式中:t为焊接接头处板厚的实际厚度；tB为BS7608标准里定义的标准厚度，其值为16 mm；SB是板厚为标准厚度时的疲劳强度；S是修正后的实际疲劳强度.

4 应用实例

4.1 十字型接头有限元模型

本文选取的计算对象为单侧全焊透焊缝的十字型接头，为了有很好的应力梯度，本文选用的单元类型为高阶壳单元，在下方立板端加全位移约束，载荷类型为脉动载荷，计算模型施加应力水平为20 MPa，作用位置在上立板边缘，作用方向与立板平行，假定开裂位置为立板焊趾处，并且为全焊透状态，有限元模型如图1所示.并通过有限元技术，计算得到的十字型接头Von Mises应力云图如图2所示.

图1 十字型接头有限元模型

图2 十型接头Von Mises云图

4.2 统计结果

IIW2008标准定义的标准厚度为25 mm，BS7608的标准厚度为16 mm，所以本文计算的板厚范围为10～30 mm，材料选取普通钢材和铝材，不同厚度模型下计算得到的名义应力值、Verity方法中的结构应力值和对应的等效结构应力值以及三种疲劳评估标准下计算得到的损伤值(仅列出关键点)见表1和表2，假定存活率为95%.

表1 不同厚度铝材的疲劳损伤值

表2 不同厚度钢材的疲劳损伤值

4.3 铝材和钢材损伤值的对比结果

通过计算，基于IIW2008标准以及Verity方法评估的材料为铝材的十字型接头的损伤值的对比结果如图3所示.基于IIW2008标准、BS7608标准以及Verity方法评估的材料为钢材的十字型接头的损伤值的对比结果如图4所示.

图3 基于IIW 2008标准和Verity方法下铝材疲劳损伤值的对比结果

图4 基于IIW 2008标准、BS7608标准和Verity方法下钢材疲劳损伤值的对比结果

5 结论

(1) 在保证网格质量的前提下，不难看出，在评估低应力循环负载时，由Verity方法评估铝制十字型接头的损伤值要高于IIW 2008标准评估的，而评估钢制十字型接头时，三者相比，IIW 2008评估的损伤值最高，BS 7608标准评估的损伤值最低;

(2)通过比较损伤值数值可知，评估铝材料疲劳损伤值时，Verity方法计算的损伤值斜率为0.005 4，而通过IIW 2008标准得到的损伤值的斜率为0.013 0，两者相比，大约为KIIW2008=2KVerity，换言之，IIW 2008标准在厚度参数对疲劳强度的影响上采用了激进的修正方式，但这样一来，按照IIW 2008标准设计的带有厚板的结构偏危险；在评估钢材料疲劳损伤值时，IIW 2008标准的修正斜率是0.000 8，BS 7608标准的修正斜率是0.000 4，Verity方法的修正斜率是0.000 16，三者相比，大约为5∶2.5∶1，可以看出IIW 2008标准评估的损伤值整体高于另外两种标准的结果，而且厚度修正速率也更快，说明在评估超过标准厚度的钢制焊接结构时，损伤值过高，对结构设计要求过高;

(3)在应力方向明确的情况下，当焊接接头厚度在20～30 mm之间的情况下，建议采用IIW 2008标准；而面对结构复杂，焊接部位很厚或是很薄的情况下，建议使用Verity方法.

[1]张彦华．焊接结构疲劳分析[M] ．北京：化学工业出版社，2013．

[2]薛刚，王涛，宫旭辉,等．交变载荷作用下平面应力状态焊接接头焊趾处应力应变理论解的推导[J]．焊接学报，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，何文汇．板厚对焊接接头疲劳强度的影响[J].工业建筑，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]李向伟，兆文忠.基于Verity方法的焊缝疲劳评估原理及验证[J]．焊接学报，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]国际焊接协会(IIW)．XⅢ- 1539- 96/XⅤ- 845- 96焊接结构和构件的疲劳设计[S]．[s.l.]:[s.n]，2008．

[9]谢素明，时慧焯.基于IIW标准的提速客车转向架焊接构架疲劳寿命预测[J]．大连铁道学院学报，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]谌伟，严仁军．基于切口应力强度理论的横向角接焊接接头的疲劳强度评估[J]．船舶力学，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

国家自然科学基金资助项目(51208072);辽宁省高等学校优秀人才支持计划资助项目(LGQ2013052)

王悦东(1977-)，男，副教授，博士，主要从事车辆工程及计算力学方向的研究

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

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