基于缺口应力法的焊接接头疲劳强度评估

严仁军 何 丰 谌 伟

(武汉理工大学交通学院 武汉 430063)

基于缺口应力法的焊接接头疲劳强度评估

严仁军 何 丰 谌 伟

(武汉理工大学交通学院 武汉 430063)

在现有的焊接接头疲劳评估方法中，S-N曲线法的运用最为广泛，但是该方法主要考虑的结构的名义应力，很难运用到复杂结构或者复杂载荷下的求解.对于复杂接头形式的应力分析应根据其几何应力作必要的修正，缺口应力为含有缺口的复杂焊接接头的疲劳强度评估开辟了新的思路.以对接接头、纵向角接头以及T形接头为研究对象，根据IIW的相关规定，采用缺口应力评估焊接接头的疲劳强度.结果表明，采用缺口应力评估焊接接头疲劳强度时，疲劳数据的离散性较小；IIW推荐的缺口应力S-N曲线仅适用于角焊缝接头，但对对接接头的疲劳评估，得到的结果偏危险.

焊接接头；缺口应力法；S-N曲线；离散性

0 引 言

焊接结构疲劳评估方法可分为整体法和局部法：名义应力法即为整体法，而局部法则包括结构或热点应力法、缺口应力法、缺口强度法、缺口应变法,以及裂纹扩展法[1-2].典型焊接接头的表面应力分布情况见图1.目前，名义应力法仍然是应用最多的一种疲劳评估方法.然而，该方法没有考虑焊接局部对焊接接头疲劳强度的影响.国际焊接协会(IIW)根据多种典型焊接接头的疲劳试验数据，给出了多种典型接头的S-N曲线[3].然而，复杂焊接结构的名义应力很难确定，采用名义应力评估复杂结构的疲劳强度十分困难.结构应力法考虑了结构几何造成的应力增大对焊接接头疲劳强度的影响，但是仍然没有计及焊缝与母材的不连续，即焊接缺口造成的应力的增大对焊接接头疲劳强度的影响.相比上述两种方法，缺口应力法同时考虑了结构几何以及焊缝与母材的不连续造成的应力的增大，以焊缝与母材交界处的应力作为疲劳评估参量，能够更真实的反映焊接局部应力的最大值，这种方法同时适用于焊趾及焊根处的疲劳评估[4-5],因此，缺口应力法也越来越广泛的应用于焊接接头的疲劳评估中.

图1 典型焊接接头表面应力分布情况

缺口应力法是基于材料的弹性理论提出的一种疲劳评估方法.采用缺口应力评估焊接接头疲劳强度时存在以下两个问题：①由于缺口尖点造成的缺口处的应力的奇异性；②由于微观结构约束效应造成的应力的降低.综合考虑上述两个问题，缺口应力法中提出了虚拟半径的概念，即在焊趾和焊根处采用圆弧过渡，见图2.IIW采用缺口应力法对大量疲劳试验数据进行了重新的评估，并针对焊接钢结构给出了推荐使用的基于缺口应力的S-N曲线，疲劳等级为225 MPa，S-N曲线的斜率m取为3.然而，IIW没有针对不同的接头形式验证这条S-N曲线的适用性[6].

图2 焊趾和焊根处的过渡圆弧的定义

本文以对接接头、纵向角接头和T形接头为研究对象，采用缺口应力法对这三种焊接接头的疲劳强度进行重新评估.对比缺口应力下的疲劳数据与名义应力下的疲劳数据，并验证IIW推荐的缺口S-N曲线的适用性.结果表明，采用缺口应力法得到的焊接接头疲劳数据的离散性比名义应力法得到的疲劳数据的离散性小；IIW推荐的S-N曲线适用于角焊缝的接头的疲劳评估，但是对于对接接头疲劳评估并不适用.

1 虚拟半径法

采用缺口应力法评估焊接接头疲劳强度时，首先需要确定虚拟半径的大小.考虑到应力梯度下，不均匀的材料结构对疲劳性能的影响，提出了多种微观约束假定.刘旭等[7]提出的微观约束假定是在缺口处建立一个虚拟的弧度，并以这段弧线上应力的最大值表示缺口处微观约束长度范围内应力的平均值，见图3.虚拟半径的计算公式为

ρf=ρ+S·ρ*

(1)

式中：ρf为虚拟半径；ρ为焊接缺口处实际的缺口半径；S为约束系数；ρ*为替代的微观结构长度.对于焊接钢结构及铝合金结构，约束系数S=2.5，替代的微观结构长度ρ*=0.4 mm.因此可以得到此时虚拟半径的计算公式为

ρf=ρ+1

(2)

Radaj等[8]假定了最危险的缺口情况，即实际缺口半径ρ=0 mm时，此时得到的虚拟半径ρf=1 mm.根据IIW的有关推荐，在板厚t≥5 mm时，虚拟半径ρf=1 mm，而当板厚t<5 mm时，虚拟半径ρf=0.05 mm.这两种虚拟半径的值与焊接缺口处实际测量结果接近，对于板厚t≥5 mm的焊接接头，其缺口弧度的测量结果都为1 mm[9].

图3 虚拟半径的定义

2 名义应力S-N曲线评估

按照不同的接头形式，分别对对接接头、纵向角接头及T形接头进行名义应力S-N曲线疲劳强度的评估.选择的焊接接头的疲劳裂纹均从焊趾表面萌生并扩展[10-11].各接头的疲劳试验参数见表1.

表1 焊接接头疲劳试验参数

图4为对接接头、纵向角接头及T形接头名义应力下的疲劳数据.图中粗实线表示的是名义应力下，对于不同的接头形式，IIW所推荐的S-N曲线，疏虚线表示根据试验数据拟合出的存活率为2.3%的曲线，密虚线表示根据试验数据拟合出存活率为97.7%的曲线，细实线则表示存活率为50%的拟合曲线.

图4 名义应力下疲劳数据

由试验结果可知，采用名义应力S-N曲线评估焊接接头疲劳强度时，IIW推荐的S-N曲线对于这三种焊接接头的疲劳评估均是安全的.但是，根据IIW推荐的S-N曲线进行疲劳评估时，得到的结果均偏保守.因此，根据上述试验数据，对IIW推荐的S-N曲线作相应调整，调整前后的疲劳等级及S-N曲线的斜率见表2.

表2 根据试验结果调整S-N曲线

3 缺口应力S-N曲线评估

缺口应力集中系数Kn等于缺口应力与名义应力的比值[12]，见式(3).

Kn=σk/σn

(3)

式中：σk为缺口应力值；σn为名义应力值.

由式(3)可知，在得到焊接接头焊趾处的缺口应力值之前，首先需要确定焊接接头焊趾处的缺口应力集中系数，焊接接头焊趾处的缺口应力集中系数通过有限元计算得到.

三种焊接接头整体的有限元模型见图5，焊趾局部圆弧过渡区的有限元模型见图6，对焊趾附近局部区域的网格根据IIW的推荐值进行加密处理.对接接头与纵向角接头有限元计算时均采用1/2模型进行计算，对称面上施加对称约束.三种焊接接头的计算结果见图7.

图5 各接头有限元模型

图6 有限元模型局部细节图

图7 焊接接头缺口应力云图

根据有限元的计算结果，得到三种焊接接头焊趾处的缺口应力集中系数分别为1.65,2.37,2.18.其中，对对接接头而言，考虑到其可能出现的焊接变形对缺口应力集中系数的影响，需将计算得到的结果乘以1.1.

在求得的缺口应力集中系数的基础上，可以得到缺口应力下焊接接头疲劳数据，见图8.

图8 缺口应力下焊接接头疲劳数据

图中粗实线为IIW推荐的缺口应力S-N曲线.由图8可知：

1) 受接头形式的影响，名义应力下的疲劳数据过于分散，而缺口应力下得到的疲劳数据则具有较高的重合性.因此，采用缺口应力S-N曲线进行焊接接头疲劳评估不受接头形式的影响，更便于工程实际的运用.

2) 由纵向角接头与T形接头两种角焊缝接头的疲劳数据可知：采用缺口应力评估焊接接头疲劳强度时，IIW所推荐的缺口应力S-N曲线对于这两种接头的疲劳评估都是安全可行的；由对接接头疲劳数据可得：IIW推荐的缺口应力S-N曲线并不适用于对接接头的疲劳评估.

由图8中的疲劳数据不难看出，对于对接接头而言，其缺口应力下的疲劳数据大部分位于IIW推荐的缺口应力S-N曲线的下方，采用IIW推荐的S-N曲线评估对接接头的疲劳强度，得到的结果偏危险.针对这一情况，本文根据对接接头缺口应力下的疲劳数据拟合出一条新的缺口应力S-N曲线，疲劳等级为215 MPa，曲线的斜率为4，见图9.

图9 缺口应力下对接接头寿命

4 结 论

1) 缺口应力作为焊接接头的疲劳强度评估参量是可行的，并且缺口应力下得到的疲劳数据的离散性与名义应力下得到的结果相比较小.此外，利用名义应力评估焊接接头疲劳强度时，对于不同的材料及接头形式都需要使用不同的S-N曲线，而采用缺口应力法评估焊接接头疲劳强度时仅需一条S-N曲线，应用于工程实际中更为方便.

2) IIW推荐的缺口应力S-N曲线并不适用于所有的焊接接头的疲劳评估.对于纵向角接头及T形接头这两种角焊缝接头而言，IIW推荐的S-N曲线是适用的，但是对于对接接头而言，采用推荐的S-N曲线进行疲劳评估较为危险.本文根据对接接头缺口应力下的疲劳数据，拟合出一条适用于对接接头的缺口应力S-N曲线，疲劳等级为215 MPa，曲线的斜率为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

严仁军(1962—)：男，教授，博士生导师，主要研究领域为船舶与海洋工程结构数值分析与仿真，结构强度理论与试验