基于缺口應(yīng)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(yīng)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(xiàn)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(jié)構(gòu)的名義應(yīng)力，很難運用到復雜結(jié)構(gòu)或者復雜載荷下的求解.對于復雜接頭形式的應(yīng)力分析應(yīng)根據(jù)其幾何應(yīng)力作必要的修正，缺口應(yīng)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(jù)IIW的相關(guān)規(guī)定，采用缺口應(yīng)力評估焊接接頭的疲勞強度.結(jié)果表明，采用缺口應(yīng)力評估焊接接頭疲勞強度時，疲勞數(shù)據(jù)的離散性較??；IIW推薦的缺口應(yīng)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(jié)果偏危險.

焊接接頭；缺口應(yīng)力法；S-N曲線；離散性

0 引 言

焊接結(jié)構(gòu)疲勞評估方法可分為整體法和局部法：名義應(yīng)力法即為整體法，而局部法則包括結(jié)構(gòu)或熱點應(yīng)力法、缺口應(yīng)力法、缺口強度法、缺口應(yīng)變法,以及裂紋擴展法[1-2].典型焊接接頭的表面應(yīng)力分布情況見圖1.目前，名義應(yīng)力法仍然是應(yīng)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(xié)會(IIW)根據(jù)多種典型焊接接頭的疲勞試驗數(shù)據(jù)，給出了多種典型接頭的S-N曲線[3].然而，復雜焊接結(jié)構(gòu)的名義應(yīng)力很難確定，采用名義應(yīng)力評估復雜結(jié)構(gòu)的疲勞強度十分困難.結(jié)構(gòu)應(yīng)力法考慮了結(jié)構(gòu)幾何造成的應(yīng)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(xù)，即焊接缺口造成的應(yīng)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(yīng)力法同時考慮了結(jié)構(gòu)幾何以及焊縫與母材的不連續(xù)造成的應(yīng)力的增大，以焊縫與母材交界處的應(yīng)力作為疲勞評估參量，能夠更真實的反映焊接局部應(yīng)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(yīng)力法也越來越廣泛的應(yīng)用于焊接接頭的疲勞評估中.

圖1 典型焊接接頭表面應(yīng)力分布情況

缺口應(yīng)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(yīng)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(yīng)力的奇異性；②由于微觀結(jié)構(gòu)約束效應(yīng)造成的應(yīng)力的降低.綜合考慮上述兩個問題，缺口應(yīng)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(yīng)力法對大量疲勞試驗數(shù)據(jù)進行了重新的評估，并針對焊接鋼結(jié)構(gòu)給出了推薦使用的基于缺口應(yīng)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(yīng)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(yīng)力下的疲勞數(shù)據(jù)與名義應(yīng)力下的疲勞數(shù)據(jù)，并驗證IIW推薦的缺口S-N曲線的適用性.結(jié)果表明，采用缺口應(yīng)力法得到的焊接接頭疲勞數(shù)據(jù)的離散性比名義應(yīng)力法得到的疲勞數(shù)據(jù)的離散性?。籌IW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(yīng)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(yīng)力梯度下，不均勻的材料結(jié)構(gòu)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(yīng)力的最大值表示缺口處微觀約束長度范圍內(nèi)應(yīng)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(shù)；ρ*為替代的微觀結(jié)構(gòu)長度.對于焊接鋼結(jié)構(gòu)及鋁合金結(jié)構(gòu)，約束系數(shù)S=2.5，替代的微觀結(jié)構(gòu)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(jù)IIW的有關(guān)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(jié)果接近，對于板厚t≥5 mm的焊接接頭，其缺口弧度的測量結(jié)果都為1 mm[9].

圖3 虛擬半徑的定義

2 名義應(yīng)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(yīng)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(shù)見表1.

表1 焊接接頭疲勞試驗參數(shù)

圖4為對接接頭、縱向角接頭及T形接頭名義應(yīng)力下的疲勞數(shù)據(jù).圖中粗實線表示的是名義應(yīng)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(jù)試驗數(shù)據(jù)擬合出的存活率為2.3%的曲線，密虛線表示根據(jù)試驗數(shù)據(jù)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(yīng)力下疲勞數(shù)據(jù)

由試驗結(jié)果可知，采用名義應(yīng)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(jù)IIW推薦的S-N曲線進行疲勞評估時，得到的結(jié)果均偏保守.因此，根據(jù)上述試驗數(shù)據(jù)，對IIW推薦的S-N曲線作相應(yīng)調(diào)整，調(diào)整前后的疲勞等級及S-N曲線的斜率見表2.

表2 根據(jù)試驗結(jié)果調(diào)整S-N曲線

3 缺口應(yīng)力S-N曲線評估

缺口應(yīng)力集中系數(shù)Kn等于缺口應(yīng)力與名義應(yīng)力的比值[12]，見式(3).

Kn=σk/σn

(3)

式中：σk為缺口應(yīng)力值；σn為名義應(yīng)力值.

由式(3)可知，在得到焊接接頭焊趾處的缺口應(yīng)力值之前，首先需要確定焊接接頭焊趾處的缺口應(yīng)力集中系數(shù)，焊接接頭焊趾處的缺口應(yīng)力集中系數(shù)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(qū)的有限元模型見圖6，對焊趾附近局部區(qū)域的網(wǎng)格根據(jù)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(jié)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(jié)圖

圖7 焊接接頭缺口應(yīng)力云圖

根據(jù)有限元的計算結(jié)果，得到三種焊接接頭焊趾處的缺口應(yīng)力集中系數(shù)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(xiàn)的焊接變形對缺口應(yīng)力集中系數(shù)的影響，需將計算得到的結(jié)果乘以1.1.

在求得的缺口應(yīng)力集中系數(shù)的基礎(chǔ)上，可以得到缺口應(yīng)力下焊接接頭疲勞數(shù)據(jù)，見圖8.

圖8 缺口應(yīng)力下焊接接頭疲勞數(shù)據(jù)

圖中粗實線為IIW推薦的缺口應(yīng)力S-N曲線.由圖8可知：

1) 受接頭形式的影響，名義應(yīng)力下的疲勞數(shù)據(jù)過于分散，而缺口應(yīng)力下得到的疲勞數(shù)據(jù)則具有較高的重合性.因此，采用缺口應(yīng)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(shù)據(jù)可知：采用缺口應(yīng)力評估焊接接頭疲勞強度時，IIW所推薦的缺口應(yīng)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(shù)據(jù)可得：IIW推薦的缺口應(yīng)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(shù)據(jù)不難看出，對于對接接頭而言，其缺口應(yīng)力下的疲勞數(shù)據(jù)大部分位于IIW推薦的缺口應(yīng)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(jié)果偏危險.針對這一情況，本文根據(jù)對接接頭缺口應(yīng)力下的疲勞數(shù)據(jù)擬合出一條新的缺口應(yīng)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(yīng)力下對接接頭壽命

4 結(jié) 論

1) 缺口應(yīng)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(yīng)力下得到的疲勞數(shù)據(jù)的離散性與名義應(yīng)力下得到的結(jié)果相比較小.此外，利用名義應(yīng)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(yīng)力法評估焊接接頭疲勞強度時僅需一條S-N曲線，應(yīng)用于工程實際中更為方便.

2) IIW推薦的缺口應(yīng)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(jù)對接接頭缺口應(yīng)力下的疲勞數(shù)據(jù)，擬合出一條適用于對接接頭的缺口應(yīng)力S-N曲線，疲勞等級為215 MPa，曲線的斜率為4.

[1] FRICKE W. Fatigue analysis of welded joints: state and development[J]. Marine structure,2003，16:185-200.

[2] RADAJ D, SONSINO C M, FRICKE W. Recent developments in local concepts of fatigue assessment of weld joints[J]. International Journal of Fatigue，2009,31:2-11.

[3] HOBBACHER A. Recommendations for fatigue design of welded joints and components：XIII-2151r4-07/XV-1254r4-07[S]. Cambridge: Woodhead Publishing,2016.

[4] 張彥華.焊接結(jié)構(gòu)疲勞分析[M].北京:化學工業(yè)出版社,2013.

[5] FRICKE W. Guideline for the fatigue assessment by notch stress analysis for welded structures：XIII-2240rl-08/XV-1289rl-08[S]. Cambridge: Woodhead Publishing,2012.

[6] FRICKE W. Guideline for the assessment of weld root fatigue：XIII-2380r3-11/XV-1383r3-11[S]. Cambridge: Woodhead Publishing,2012.

[7] 劉旭，張開林，姚遠，等.基于缺口應(yīng)力法的焊接接頭疲勞分析[J].工程力學，2016(6)：209-214.

[8] RADAJ D, SONSINO C M, FRICKE W. Fatigue strength assessment of welded joints by local approaches[M]. Cambridge: Woodhead Publishing,2006.

[9] HOBBACHER A. IIW Recommendations for fatigue design of welded joints and components[S]. WPC Bulletin 520, New York, The Welding Research Council,2009.

[10] WANG T, WANG D P, HUO L X. Discussion on fatigue design of welded joints enhanced by ultrasonic peening treatment (UPT)[J]. International Journal of Fatigue,2009,31(4):644-650.

[11] STATNIKOV E S, MUKTEPAVEL V O, BLOM-QVIST A. Comparison of ultrasonic impact treatment (UIT) and other fatigue life improvement methods[J]. Weld World,2002,46:28-39.

[12] YILDIRIM H C. Fatigue strength assessment of HFMI-treated butt welds using the effective notch stress method[J]. Weld World,2014,58:279-288.

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(lǐng)域為船舶與海洋工程結(jié)構(gòu)數(shù)值分析與仿真，結(jié)構(gòu)強度理論與試驗