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1、国际焊接学会焊接接头与部件的疲劳设计IIVV联合工作组XIII-XV推荐标准XIIM539-96/XV-845-96AHobbacher阿彬顿出版社Woodhead出版有限公司联合焊接学会英国剑桥目录1概述1.1前言1.2范围与局限性1.3定义1.4符号1.5基本原则1.6疲劳评估的必要性1.7该文件的应用2疲劳作用力（载荷）2.1基本原理2.1.1疲劳作用力的确定2.1.2应力范围2.1.3应力提升和缺口效应的类型2.2应力和应力强度因子的确定2.2.1应力分量的定义2.2.2名义应力2.2.2.1概述2.2.2.2名义应力的计算2.2.2.3名义应力I的测量2.2.3几何应力（热点应力）2
2、.2.3.1概述2.2.3.2几何应力的计算2.2.3.3用参数方程计算几何应力2.2.3.4几何应力的测量2.2.4有效缺口应力2.2.4.1概述2.2.4.2有效缺口应力的计算2.2.4.3有效缺口应力的测量2.2.5应力强度因子2.2.5.1概述2.2.5.2用参数方程计算应力强度因子2.2.5.3用有限元法计算应力强度因子2. 3应力历程2. 3.1概述3. 3.2循环计算方法4. 3.3累积频率图（应力谱）3疲劳强度5. 1基本原理3. 2已分类结构的疲劳强度3. 2.1钢3. 2.2铝3. 3与几何应力（热点应力）对应的疲劳强度3. 3.1利用参考S-N曲线的疲劳强度3. 3.1.
3、1钢3. 3.1.2铝3. 3.2利用参考细节的疲劳强度3. 4抵抗有效缺口应力的疲劳强度3.4.1钢3.4.2铝3.5疲劳强度的修正3.5.1应力比3.5.1.1钢3.5.1.2铝3.5.2板的厚度3.5.2.1钢3.5.2.2铝3.5.3改善技术3.5.4温度升高的影响3.5.4.1钢3.5.4.2铝3.5.5腐蚀的影响3.6与裂纹扩展对应的疲劳强度3.6.1钢3.6.2铝3.7试3佥测定疲劳强度3.8存在焊缝缺陷的接头的疲劳强度3.8.1概述3.8.1.1缺陷类型3.8.1.2缺陷效应与评估3.8.2错位3.8.3咬边3.8.3.1钢3.8.3.2铝3.8.4气孔和夹杂3.8.4.1钢3
4、.8.4.2铝3. 8.5裂纹状缺陷3.8.5.1一般步骤3.8.5.2简化步骤4疲劳评估4.1一般原理4. 2正应力与剪切应力的合成4. 3使用S-N曲线的疲劳评估4. 3.1使用PaImgren-Miner累积的线性损伤计算4. 3.2非线性损伤计算4. 4根据裂纹扩展计算结果的疲劳评估4. 5根据服役测试的疲劳评估4. 5.1概述4. 5.2安全寿命校验4. 5.3失效校验4. 5.4损伤容限校验5安全性考虑5. 1基本原则5. 2疲劳设计策略5. 2.1无限寿命设计5. 2.2安全寿命设计5. 2.3失效寿命设计5. 2.4损伤容限设计5. 3局部安全系数5. 4质量保证6附录6. 1
5、载荷循环记数6.1.1转换矩阵6.1.2雨流或水库存贮记数法6.2断裂力学6.2.1应力强度因子的快速计算6.2.2裂纹尺寸6.2.3裂纹相互作用6.2.4应力强度因子计算公式6.3中心线错位时的公式6.4安全的统计考虑6.4.1疲劳测试数据的统计评价6.4.2部件测试的统计评价6.4.3局部安全系数的统计因素7参考文献13定义特征值结构细节分类集中载荷效应等幅载荷 裂纹扩展速率 裂纹扩展门槛值 疲劳极限 设计值 有效缺口应力 等效应力范围疲劳疲劳作用力 疲劳损伤比疲劳寿命 疲劳极限抗疲劳能力疲劳强度 断裂力学 几何应力 热点热点应力 局部名义应力1概述国际焊接学会及本文件准备和发行中所涉及的
6、所有人员在此郑重声明，对由于使用本文件造成的损失或损害，或违犯与本文件可能冲突的强制性规定，或侵害任何专利拒绝承担责任和义务。使用者对适当使用本推荐标准自己负贲。1.1 前言所有推荐标准的目的是为设计和分析承受波动载荷的焊接构件提供依据，避免由于疲劳失效。另外，这些标准有助于其它部门建立疲劳设计准则。当然本标准的使用者应对疲劳和断裂力学有基本的应用知识。防备由于疲劳损伤造成的极限状态设计结构的目的是，在适当存活概率下，在设计寿命期间结构的性能满足要求。利用适当的局部安全系数获得所要求的存活概率。1.2 范围与局限性本标准给出了焊接构件疲劳损伤评估的一般方法，疲劳损伤会影响结构的极限状态，如最终
7、极限状态和极限状态时的使用性能。本标准提供了f高达700MPa的铁素体/珠光体或贝氏体结构钢锻造或挤压产品制成的焊接结构和常用于制造焊接结构的馅合金的抗疲劳能力数据。_本标准不适用于低周循环疲劳，如在Ao1.5f的场合，以及在腐蚀环境或在蠕变范围内（8温运mony行。统计意义上变化的载荷，力或应力，这里用指定的百分数表示，可信度水平为95%均值为75%。结构件包含一道焊缝或多道焊缝结构不连续，可适用于标称应力法，并且在本标准的表中给出，也被作为标准的结构细节。在集中载荷或反作用力附近的局部应力场,或未用隔板充分加固的横截面由于载荷造成变形所产生的表层和壳体弯曲应力。一种载荷类型，产生规则的应力
8、波动，应力的最大值和最小值大小恒定。在一次应力循环中，裂纹尖端扩展量。应力强度系数范围的极限值，低于该值裂纹不会扩展。变幅载荷下的疲劳强度，低于该值可认为应力循环无损伤。特征值乘以局部安全系数。对具有特定有效缺口半径的计算得到的缺口应力。是一常幅应力范围，在相同循环次数时，它的疲劳损伤量等于所研究的变幅载荷的损伤量。由于形成初始裂纹并扩展或裂纹扩展引起一个构件的破坏。造成疲劳的载荷效应。已经产生的疲劳损伤与导致破坏的疲劳损伤之比,由所施加的应力循环数与对应的常幅载荷作用下疲劳寿命之比来定义。引起构件疲劳失效所需要的应力循环次数。在常幅载荷下与无限疲劳寿命相应的疲劳强度,或者是根据设计规则可认为
9、无限的足够大的循环次数下的疲劳强度。根据S-N曲线或裂纹扩展特性确定的结构细节抵抗疲劳效应的能力。导致特定疲劳寿命的应力范围的度量。力学的一个分支，用于研究带有裂纹的构件的属性和强度。参见“热点应力3构件上的某点，由于结构应力变化和焊缝几何形状或一个类似缺口相互综合效应在该点可能形成初始裂纹。在热点表面的结构应力值（也称之为几何应力）包括宏观几何形状效应、集中载荷效应、错位效应在内的应力，它不计焊接接头本身导致的应力增长效应。也称之为修正名义应力。宏观几何效应膜应力迈纳尔和错位修正名义应力名义应力非线性应力峰值缺口应力缺口应力集中系数帕里斯法则壳体弯曲应力S-N曲线应力循环应力历程应力强度因子
10、应力范围应力范围块 应力范围超出应力范围事件力比应力强度因子比 结构不连续性结构应力结构应力集中因子变幅载荷局部缺口缺口，如焊趾处的局部，包括焊趾半径以及焊缝余高和底板表面之间的角度。局部缺口不改变结构应力，但产生非线性应力峰值。宏观几何不连续性整体不连续性，其效应在收集标准结构件细节时一般不考虑在内，如大的开口，梁的挛曲部分，未用隔板或加强件加固的翼板折弯处，承压壳体的不连续性，搭榭g头的偏（见图（2.2）-3）由于焊接接头附近的宏观几何形状导致的应力提升效应，不是由于焊接接头本身。平板或壳体厚度的平均法向应力在根据Pa1.mgren-Miner法则确定的疲劳极限以上的每个应力循环或应力范围
11、区造成的各个疲劳损伤比的总合。由于构件细节设计或不良装配或焊缝变形造成的轴线或角度错位。见局部名义应力构件中的应力，用一般理论求解，如梁理论。参见局部名义应力。在局部缺口超过线性分布的结构应力的应力成分。在缺口根部，考虑局部缺口造成的应力集中在内的全部应力，包括结构应力和非线性应力峰值。缺口应力与结构应力的比率。由试验确定的裂纹增长速率与应力强度因子范围之间的关系。PaImgren-Miner法则当Miner和达到1时，可能发生疲劳失效。雨流计数法计算应力范围的标准过程。范围计数根据应力历程确定不同应力循环和它们的范围的过程,优先采用雨流计数法。壳体或板状部分的弯曲应力，与壳体理论假设的一样，
12、沿厚度线性分布。关于疲劳强度S（R或和疲劳寿命N的图示，Woh1.erffi线。包含一个最大应力和一个最小应力在内的应力历程的一部分,一般由范围计数法确定。或者对全部寿命而言，或者对某一样本而言,出现波动应力的时间，由一系列应力峰值和谷值确定。断裂力学的主要参数，在裂纹尖端区域裂纹大小和应力的合成效应。在一个应力循环中,最大应力值和最小值的差,决定疲劳寿命的最主要的参数。应力范围谱的一部份，在一定数量块内是离散的。应力范围超出数的累积频率的列表或图示,即在应力历程中超过指定值的应力范围数。这里，频率是发生的次数。（亦称之为“应力谱”或“累积频率图，应力范围的列表或图示，一般在应力范围块离散。参
13、阅“应力范围超出嚷应在特定应力循环中最小应力与最大应力代数值的比。在特定的载荷循环中，最小应力强度因子与最大应力强度因子代数值的比。由于焊接接头类型导致的几何不连续性，一般在已归类结构细节的表中可查至IJo结构不连续性的效应是（i）膜应力的集中（ii）形成二次壳体弯曲应力（见图（2.2）-6）某一构件中的应力,求解时考虑结构不连续性效应,由膜和壳体弯曲应力组成。亦称之为几何应力。结构（热点）应力与修正的（局部）名义应力的比。造成不规则应力波动的一种载荷类型，该应力波动中具有变化的应力范围。1.4符号K应力强度因子Ku由。w引起的应力强度因子K由O引起的应力强度因子minminMh由非线性应力峰
14、值造成的K的放大函数Mk与膜应力有关的K的放大函数M，与壳体銮曲应力有关的K的放大函数R应力比YK的修正函数，考虑裂纹形状，长宽比，相对尺寸等YK的修正函数，考虑膜应力YK的修正函数，考虑壳体弯曲应力ab表面裂纹的深度或穿透裂纹的半长ao表面裂纹的初始深度a失效时的裂纹尺寸e偏心，错位量f材料的屈服强度k错位造成的应力放大因子J结构不连续性造成的应力放大因子k：局部缺口造成的应力放大因子mS-N曲线或PariS将定律的指数t板厚，厚度参数（裂纹中心与最近表面点间距）K应力强度因子的范围 K,疲劳载荷引起的应力强度因子的设计值 Kh应力强度范围的门槛值 应力范围疲劳效应引起的应力范围的设计值 F
15、疲劳极限特征值 翼切应力范围以应力表示的抗疲劳能力的局部安全系数:以循环次数表示的抗疲劳能力的局部安全系数名义应力bc壳体弯曲应力有效缺口应力In（局部）缺口应力max应力历程中的最大应力mem膜应力下标说明：min应力历程中的最小应力S疲劳作用力nip非线性应力峰值R抗疲劳能力nom名义应力d设计值ECO几何应力，结构应力k特征值T剪切应力1.5基本原则根据国际标准组织（ISO）用于核实结构的格式1,应将疲劳作用力与抗疲劳能力明显区别开来，抗疲劳能力是根据试验性数据给出。因为不同的损伤计算方法可能需对S-N曲线进行特殊的修正，而这些修正通常基于常幅应力试验，因此从试验性数据表达的抗疲劳能力已
16、经从用于损伤计算的评估曲线中分离出来了,于是，适时灵活地对本标准进行更新是应该坚持下去的。本文件对疲劳载荷没给出推荐，也没对疲劳作用力青局部安全因子给出任何推荐。对焊接接头和部件疲劳评估的不同方法分别是：标称应力法、几何应力法、有效缺口应力法，断裂力学法和部件测试。 .6疲劳评估的必要性承受波动载荷的部件一般需要进行疲劳评估。在下列条件下，不需要过细的疲劳评估：a）最高标称设计应力范围满足：钢：36MPa/铝：f4MPa/：Y成根据话询的设计准则得出上述内容不适用于管接头。b）（疲劳寿命超过5百万次循环）钢材FAT36或铝FAT1.4的FAT疲劳级别迈纳尔和（4.3.1）应取之为D=O.5。C
17、）对一个细节，常幅疲劳极限AR已给定，并且所有设计应力范围均低于设计的抗疲劳能力极限：d)对一个裂纹，所看设计应力强度茵子均低于裂纹扩展门槛值K%Ki4HR.NI3娓科1”刑关取才给41!红柩1到书坛施苗的能力.4TK7力，热占由力11.JS-N此线舱中的iff*TrT451耐力防?T痛翦的能力有效缺口应由1“适用AZa烤绐出套WrMC由力的抗病苦帝力裂纹尖端应力强度以裂纹扩张定律的材料蓊数给出的抵抗扇扩展出抗疲劳的能力疲劳评估方式取决于现有的抗疲劳能力数据，必须采用适当的安全系数执行所选的评估方式。表U1-2:评估步骤琬有的饴猛誉rta坍评估方式S-N曲线拢林思和幅侨(在侍放修应下t+箕韭优
18、体招伤)型约忙张定律的材科费加梁约扩展汨管无有效的数据疲劳测试表H1-3:本标准使用向导_nnsmt2M*a*Eff1.n南劳槛力(1)接头是否客额袤表示的结构细书？是T前还获孤应力(2.2.2)然后T在9(3.2)汨查找抗疲劳能力类别(FAT)转到(6)丕I(2)W可应用几何应力评估？是-确定几豺应力(99*u然后T查找几何应力SN曲线C4)转到(6)H1.(3)是否可应用有效缺口应力评何？是确定有效缺K7(224)然后T查找有效缺口应力S-N曲纬C4)转到(6)丕I(4)嵬M出现裂纹或裂纹样缺M9是T确定应力强度因子。251然后T查找抗裂纹扩展能力(3.6和3X)转到丕I(5)测S整个构(
19、4.5)转到(8)测试结施细节(3.7)转到(1)修正和评估步骤(6)修正没有包含任何效应的S-N曲线迈纳尔准则是台话合？是T利用yj8)计算设计能力S-N蹴然后T给定循环寿命下损伤求和(4.3.1),评估是否海意。否T利用8),根据S-N曲线(4.3.2)计算无量纲的裂纹扩展参数然后I(7)利用、，8)计算设计裂纹扩展能力数据然后一给定循环寿命计算裂纹扩展(4.4)安全注f1.t项(8)I根据安全注意事项(第五登)定义Y2疲劳作用力（载荷）所有作用于构件上的波动载荷和在潜在疲劳点的各类响应应力都应考虑到。然后根据采用的疲劳评估步骤确定应力或应力强度因子。疲劳作用力源于动载荷，自重，雪，风，波
20、浪，压力，加速，动态响应等等。瞬间温度变化的影响也应考虑在内。对疲劳作用力没有充分掌握是疲劳损伤的主要原因之一。由于焊接工艺造成的拉伸残余应力降低抗疲劳能力，然而，焊接残余应力的影响已经包括在第三章给出的抗疲劳能力数据中了。2.1基本原理b）疲劳作用力的确定服役过程中的作用力必须根据特性载荷确定,必须按照指定的标准中关于评估疲劳作用力设计值的要求来使用力的局部安全系数Y。本标准中，没有给出确定任用力（载荷）的设计值和局部安全系数互面的指导。C）应力范围疲劳评估通常基于应力范围或应力强度因子范围，因此，作用力必须以下面式子给出：=-.呻mink=kma；kmin最大和最小应力的值要根据叠加所有非
21、常驻载荷（即波动载荷）来计算：a）载荷幅度的波动b）结构上载荷的移动C）载荷方向的改变d）载荷和动态响应引起的结构振动e）温度瞬变疲劳分析基于结构在预期服务寿命中发生的所有应力范围的累积效应。d）应力提升和缺口效应的类型不同类型的应力提升和缺口效应导致不同应力类型的计算。应力的选择基于所采用的评估方式。表12”:应力提升和缺口效府应力诧升由力代确定评估后洋A可褥假理;仑an滋理;仑诳打一舲齿力令桁A+构件设M（偏心载荷与错位）造成的云观几何加应标称应力范困（修正的或局砒的标称应Tn标称应力法CA+B+由于焊接接头细节造成的结构不连续性结构几何应力范围（观点应力、几何应力（热点应力）法DA+B+
22、C+由于焊道（如在焊趾或喇艮处）造成的缺应力集中a）实际缺口应力弹性缺口应力范困（总应力）b）断裂力学法C）有效缺口应力法2.2应力和应力强度因子的确定b）应力分的定义板厚方向上，缺口附近处的应力分布是非线性的。图（2.2）-I分解成应力分量的非线性应力分布缺口附近应力。M的应力分量分别是：膜应力bcn壳弯曲应力n1.p非线性峰值应力如果能精确地对应力进行分析，能够给出非线性应力分布，可用下列方法分别计算应力分量:膜应力。等于沿板厚度计算出来的平均应力，它对于固定的板厚是一个常量。、mem壳弯曲应力。bcn沿板厚是线性分布的。其分布是一条通过点O的直线，膜应力与板的中性面在O点相交。壳弯曲应力
23、的斜率的选择要保证残余的非线性分布分量保持平衡。非线性应力峰值。I是应力的残余分量。nip对一个给定的应力分布o（X）,可以解析给出各个应力分量，X=O是板上面，X=t是板下面：XfQi=70办*x=0I1n=47Oa吗也Jx-0。曲（X）=咐如I1.1. 名义应力一1.2. C.1概述名义应力是忽略焊接接头的局部应力熠长效应，而在所研究的截面中计算出来的应力。但是要考虑在接头构件附近宏观几何形状对应力增长的影响，比如大的切口，以上分析都是假设在弹性变形范围内。名义应力可能在截面内发生变化，比如在类似梁的部件，修正的名义应力（局部应力）和变化值可以通过简单的梁理论计算出来，这里，焊接附件对应力
24、的影响忽略不计。图（2。2）-2类似梁构件中的名义应力构件宏观几何特征的效应和集中载荷附近的应力场必须包括在名义应力中，因而，宏观几何效应会引起截面上膜应力显著地重分布。在集中载荷和反作用力的作用点附近也会发生类似的效应。明显的壳弯曲应力也可能会发生，比如在翼缘弯曲或者箱型梁扭曲时。如果错位超过结构细节抗疲劳能力s-N曲线适用范围，就需要考虑由轴线或者角度错位所引起的二次弯曲应力。这个问题通过引入一个附加应力影响系数km椅来解决（见3.8.2）。有意的错位（比如在设计阶段所规定的许可错位）在评估疲劳作用力（应力）的胸1过乘上该系数来考虑。如果错位不是故意设计的，那么就认为这是一个影响疲劳强度的
25、焊接缺陷，必须通过抗疲劳能力除以该系数来考虑。(a)(b)WRBSX4UffiB1.tHJtHWL1.3. C.2名义应力的计算对于简单的结构，名义应力可以通过结构力学的基本理论在线弹性范围内来计算。对于其他复杂结构，可用有限元法建模来计算。有限元法建模主要应用于：a）复杂的超静定结构b）结构中有宏观不连续，无法使用解析方法使用有限元法，网格可以划分的简单和粗糙一些。在计算修正（局部）名义应力的时候，一定要确保排除掉焊接结构接头细节的应力增长效应。1.4. c.3名义应力的测已分类构件细节的抗疲劳S-N曲线是基于名义应力创建的，而不考虑焊接接头应力集中的影响。所以测量名义应力的时候要排除由于结
26、构不连续性造成的应力或应变集中，这样，应变片必须贴在由焊接接头产生的应力集中区域之外。在实际测量中，首先要估计焊接接头所引起的应力集中区的范围和应力梯度（见2.234）。下一步测量时，在该区域之外简单一些的应变片即可满足要求。d）几何应力（热点应力）2.2.d.1.概述结构几何应力包括所有由结构引起的应力增加，但是不包括所有的由焊缝形状本身引起的应力集中。所以，由局部缺口（如焊趾）引起的非线性峰值应力。I不属于几何应力。几何应力取决于整体尺寸和接nip头附近的载荷参数（见2.1.3表（2）-1类型C）。几何应力在被评估点的表面确定。结构几何应力。通常发生在板、壳体和管结构结构几何应力通常可以分
27、解成两个应力分量,膜应力。和壳弯曲应为。o由于包含结构不连续产生的应力增长，。通常要比名义应力大。memben$eo为了进行疲劳评估，几何应力必须在焊接接头（热点）的危险点沿危险方向进行确定，疲劳初始裂纹一般在该点发生。通常使用的是最大主应力。图（2.2）-6表示了结构不连续和结构细节以及结构几何应力为疲劳作用力和抗疲劳能力测定同样的应力是十分重要的（见3.3）,计算和测量步骤必须尽可能地保持协调一致。在使用测量得到的几何应力时，不必对错位进行修正。但是，计算时必须考虑实际接头中各种可能的错位O这种计算方法适用于焊趾的评估。2.2.d.2几何应力的计算通常情况下，为求出几何应力解析分析结构的不
28、连续性和细节是不可能的，几乎没有公式可以套用。所以有限元法是应用最广的方法，应计算出最大主应力。通常，几何应力是基于理想的没有错位的焊接接头来计算的，所以抗疲劳能力数据中应考虑任何可能的错位。在有限元网格划分的时候，靠近临界点（热点）的网格必须足够精细，从而使得到的应力和应力梯度与通过应变片测量的外推点具有可比性（见2.234）。对于有限元分析，需要有足够的经验。具体的指导见参考文献2,下面仅仅给出一些大致的建议：a）单元和积分点的数量需要保证应力沿板厚线性分布。在大应力梯度处建议采用4节点薄壳单元或者4节点实体单元，也推荐使用8节点薄壳单元或20节点实体单元。b）当使用薄壳单元时，在板或者管
29、的中面进行建模，需要考虑焊接交叉点的刚度，例如：用倾斜单元划分焊接接头2。当交叉点距离很近或者有纵向的角形焊缝时，单元刚度矩阵会产生奇异。c）与焊趾相邻的第一个单元必须与焊缝正交，这样才能获得外推点处的有效结果（见223.4）。与平面或管交线正交的单元，其从中心点或单元第一个积分点到焊趾的距离不能超过板厚的04倍（距离a）。d）有限元模型应能表示沿焊趾的应力变化。对于管接头，单元尺寸b应该小于相交线长度的1/24。e）单元的最大和最小尺寸之比不应该超过3。f）单元尺寸的变化要逐渐过渡。对于管状结构，远离焊趾的单元的最大尺寸应是管半径的一半。g）计算的应力是平面或壳体的表面应力h）如果在图纸中没
30、有给出焊缝尺寸，可根据适用于所考虑结构类型的焊缝准则来确定尺寸。2.2. d.3用参数方程计算几何应力对于多数圆形截面管接头，已经建立了在危险点处（热点）几何应力的应力集中系数K的参数公式。因此几何应力。变成：*kgeosnom2.2. d.4几何应力的测几何应力可以用两个或三个应变片贴在距焊趾特定位置测得。最近的应变片的粘贴位置必须保证避免焊缝本身产生的缺口的影响（这会导致非线性应力峰值卜在焊趾的结构几何应力由外推法获得。必须在危险点（热点）测量，这些危险点由以下方法确定：a）测量几个不同点b）先用脆性漆检测c）分析已有的有限元的结果d）现有已破坏构件的经验e）光弹性检测Q热弹性检测应变片的
31、位置应能够合理外推至临界点。第一个应变片的中心点应贴在距焊趾04的位置，应变片的长度不应超过02。如果由于板厚度太小，应变片前缘应该贴在距焊趾03t的位置。推荐采用以下外推法和应变片的数量：a）在主要是膜应力情况下，用两个片和线性外推。b）在例如由大直径管或平板中偏心附件引起的壳弯曲应力情况下，应用三个片和二次方程外推。图（2.2-10）给出薄壁结构上应变片的位置，左图适用于由低刚度引起的低弯曲应力，右上图和下图是由高刚度引起的高弯曲应力。对于管接头，已有推荐方法：贴两个应变片并使用线性外推法求解。（见图2.2-11）通常测量简单的单轴应力是足够准确的，具体细节参见参考图(2。2)-11应变片
32、在管结构中的位置e) 有效缺口应力22e1.概述有效缺口应力是缺口根部的总应力，是在假设材料性质为线弹性的条件下获得的。考虑焊缝形状参数的统计特征和分散性，以及缺口根部材料的非线性性质，需要将焊缝轮廓有效替代。对于结构钢，以缺口根部有效半径为Imm替代后，得到可靠的结果。对于疲劳评定，有效缺口应力与通常的疲劳能力曲线相比较。本方法适用于预期会从焊趾或焊缝根部失效的焊接接头。其它的疲劳失效原因，如表面粗糙、内部缺陷没有包括在内。另外，它也不适用大的应力分量平行于焊缝或平行于己有根部间隙的情况。本方法比较适用于焊缝几何形状的比较，除非有特别规定，建议对接平焊缝侧面角为30,角焊缝为45%如果可以确
33、定平均几何缺口的半径，如：经过某种焊后改进工艺，在有效缺口应力分析时将平均几何半径加1mm。本方法适用于板厚t=5mm的情况。对于壁厚较薄的情况，本方法尚未验证。22e2有效缺口应力的计算有效缺口应力或应力集中系数，可以通过参数方程计算，查表或有限元和边界元模型。建议有效缺口半径的尖端与实际缺口的根部接触，比如未焊接根部间隙端部。图(2.2)-12有效切应力集中系数2.2.e3有效缺口应力的测计算中也要考虑可能的错位。因为有效缺口半径是理想化的，有效缺口应力不能在焊缝构件中直接测量。比较而言，简单定义的有效缺口可以在油脂模型中用光弹法应力测量。f) 应力强度因子2.2.f.1.概述断裂力学假设
34、存在一个初始的裂缝a,它可以用来预测裂缝增长到最终尺寸a,的过程。由于结构金属中存在焊缝,裂缝生成的经历仅仅占结的寿命的一小部分，这个方法适合用于估计范劳寿命，检查间隔，裂缝样焊缝缺陷和变幅载荷的影响。表示在裂纹尖端导致裂纹扩展的疲劳载荷作用力的参数是应力强度因子范围：Ko断裂力学的计算通常不得不基于缺口根部的总应力值,例如在焊趾处。对于不同的焊接构件细节，己建立了构件局部缺口效应和非线性应力峰值的修正函数。应用这些修正函数,就能够基于几何应力甚至是名义应力进行断裂力学分析。修正函数公式可以基于不同类型的应力。修正函数和应力类型必须相互一致。2.2 X2用参数方程计算应力强度因子假设某处尚没有
35、裂纹，在此处要首先确定它的局部名义应力或结构几何应力。应力应该被分解为膜应力和壳弯曲应力。应力强度因子（S1.F）K的计算结果是两种应力效果的叠加C由于结构不连续或缺口（非线性峰值应力）引起的残余应力增长一定要通过引入因子Mh来表示。T（YY M ）kme M Kjnem ben ben K ,bcn m xrK此处：KmenbenYmenYbenMk.niemMk.bn 修正函数Ymen应力强度因子膜应力壳弯曲应力膜应力强度因子修正函数壳銮曲应力强度因子修正函数非线性膜峰值应力）修正函数非线性壳弯曲峰值应力修正函数M和Y叱可以在参考文献中找到，求解方法在参考文献14-中有详细的介绍。对于大多
36、数情况，附录6.5提供的应力强度因子的公式就足够了，Mk因子在参考19和20中可以找到。2.3 X3用有限元法计算应力强度因子应力强度因子通常基于有限元分析来确定。可以直接利用文献中的方法来计算或者间接运用加权函数法。更多细节参考附录6.2。2.4 应力历程2.4.1 概述在第3章中提到的疲劳设计数据是在常幅载荷条件下试验得出的。可是，作用在实际结构上的载荷和疲劳作用力（也就是应力）通常是不规则波动的,并产生变幅载荷。应力振幅在循环中大小和持续周期在循环中发生变化。因为在疲劳中隐含的物理现象是随机的但有一定规律,波动可以用数学公式和有限的参数来表示。成的相连续的最大和最小应力值描述。它包括所有
37、的载荷贡献以及对应的动态响应。在大多数情况，应力-时间历程是稳定的且各态历经的，这允许确定一个平均范围和均方差，统计柱状图和分布图，能量谱和有限范围内的统计分布最大值。因此，进行疲劳分析需要的数据能在规定时间内根据测量得到。应力历程可用下列方式给出：a）在类似结构中，用类似载荷和服役寿命或典型载荷事件顺序下，测得的连续最大最小应力的记录。b）从a）中导出的应力历程的两维转换矩阵c）用规定计数方法得到的一维或二维应力范围直方图（发生的应力范围）d）设计规则规定的一维应力范围直方图（应力范围超过数，应力范围谱）a）和b）表示法可以用于构件件测试，C）和d）用于疲劳分析计算最有用处。2.4.2 循环
38、计算方法循环计数是一个把变幅值应力序列转化成等效的（疲劳破坏方面）常幅应力循环。有不同计数方法，例如，零点交叉计数法，峰值计数法，范围对计数法或雨流计数法。对于焊接件，推荐用存贮法或雨流计数法计算应力范围26和27。2.4.3 累积频率图（应力谱）累积频率图与应力范围累积概率相一致，用应力范围水平超过数与循环数的关系曲线表示，因此这个曲线是连续的O给一,离赢块表格就可将应力谱进行离散。如果想得到超过108循环次数，为计算损伤，推荐使用20个应力水平。低于这个循环次数，8个或10个应力水平就够了。在这个区域所有循环应该假定与同一区域的应力范围平均值相等。除了用概率表示，也可以用给定循环数例如，1
39、000000的事件次数或超过数来表示。下面给出一个高斯正态分布例子：表2.3-1应力范围出现率表（应力图或频率）3疲劳强度1.1 基本原理疲劳强度通常由常量和变量幅值测试得到，这里给出的抗疲劳性数据基于常幅试验。在第3.7节和4.5节介绍如何直接使用测试数据。疲劳强度数据必须根据与产生这些数据过程中核对或确定的相同的应力来表示。在常规的抗疲劳性测试中，有几种不同的失效定义。总的来说，小样品要试验到完全断裂，而大试样则以出现壁裂透作为失效标准。抗疲劳性数据是基于达到失效的循环次数，用S-N曲线表达。CCN_或N_mm在断裂力学裂纹扩展测试时，通过裂纹扩展监测得到裂纹扩展速率数据。除另有说明外，作
40、为特征值的所有抗疲劳性数据已经假定至少有95%的存活率，由两侧置信度为75%Kff均算出（见3.7）1.2 已分类结构的疲劳强度已分类构件细节和焊接接头的疲劳评估基于名义应力范围，（名义）应力范围应该在材料的弹性范围内。应力范围设计值名义正应力1.5f里对于名义剪应力不超过15fS在大多数情况下，评估是基于认存在潜在疲劳裂纹的截面中的嬴主应力。然而，这里也给出受剪应力载荷的构件根据最大剪应力进行评估的方法。对于主应力或剪应力范围分别给出不同S-N曲线，分别如图（3.2）-1和图（3.2）-2所示。必须注意确保用于疲劳评价的应力与给定的已分类构件表中的应力相同。接头本身不包括宏观几何应力集中，例
41、如，在接头附近的大的切口,必须虑用详细应力分析法进行计算，例如，有限元分析，或引入恰当应力集中系数（见2.2.2）疲劳曲线基于有代表性的试验研究，它包括了以下影响：所能看到的细节而造成的结构应力集中焊接几何形状造成的局部应力集中与常规制造标准一致的焊缝缺陷应力方向焊接残余应力冶金条件焊接分法（除非另有说明，这里指的是熔焊）检验方法（NDT）,（如果有规定）焊后处理（如果有规定）此外，在静强度考虑范围内，焊缝疲劳曲线与材料拉伸强度无关。每一疲劳强度曲线用零件在二百万次循环时的特征疲劳强度值来区分，该值即为疲劳级别（FAT）o根据名义应力（图（3.2）-1）评估的零件疲劳强度曲线的斜度为m=3.（
42、X）常幅为51S次循环。根据剪应力（图（3.2）-2）评估的零件疲劳强度曲线的斜度为m=5.00,但在这种情况下疲劳范围为IO次。对构件细节的描述仅包括关于焊缝尺寸，形状和质量的部分信息。这些数据参考了在规范和标准焊接工艺中给出的标准质量。对于较高或比较低的质量，需要象3.5和3.8中给出的进行修改。除非另有说明，所有对接平焊缝都要完全焊透，没有未熔合。细节的所有S-N曲线受材料的S-N曲线限制，材料的S-N曲线因材料强度不同可能发生变化。排除主要的焊接缺陷，疲劳裂纹从焊趾初始，然后通过用材扩展，或者从焊根开始，通过焊根扩展。对于潜在的焊趾裂纹，必须计算在母材中的名义应力并且与表中给定的疲劳强
43、度比较。对于从根部开始的裂纹，必须计算在焊喉中的名义应力。如果两种失效模式都可能，例如，带角焊缝十字接头，这两种失效模式都必须评估。b） 钢下面给出的疲劳强度数据适用于所注明焊接条件的焊接接头，除非另有说明。焊接残余应力和轴线错位达到et=0.1（见3.8.2）的影响也包括在内。非破坏性检验指的是必须采用适当的方法检验焊缝，确保焊缝不含任何重要的缺陷。箭头表示载荷方向。表3.2-1.:基于名义应力评估钢结构细节的疲劳强度值编号盆构iff1.匍（秸构钢）描述FAm韭捏故称化IH飞53二二:轧制和挤压产品板材和扁平件轧制型材无缝中空型材m=5（S-N曲线指数）对于高强度就如果经测试脸证.可以应用较高的疲劳等级。在任何循环次数下接头抗疲劳性不会提高160121r机械气剧翘切料.但无座波短，尖角打磨掉C经检查无裂纹，无可见缺陷。m=40122/赢机械热切割边缘.尖角打磨掉.经检查无裂纹。IH=125编号217结构细部（结构钢）_7腕腋神卜描述焊缝喉部截面积迸行应力分析，不考虑焊缝余高O不建议该结构用作疲
