焊接殘余應(yīng)力對對接接頭疲勞裂紋擴展的影響

顧穎，馮倩，任松波，孔超，古松

(1.西南科技大學(xué) 土木工程與建筑學(xué)院，四川 綿陽 621010；2.工程材料與結(jié)構(gòu)沖擊振動四川省重點實驗室，四川 綿陽 621010)

焊接殘余應(yīng)力是自平衡應(yīng)力，其在焊縫區(qū)表現(xiàn)為達到或超過材料屈服強度σy的拉應(yīng)力[1]，在遠(yuǎn)離焊縫的區(qū)域為較小的壓應(yīng)力。這意味著焊接結(jié)構(gòu)在未受任何外載的情況下，局部就已經(jīng)存在高達材料屈服強度的拉應(yīng)力狀態(tài)。研究表明[2]，由于高值焊接殘余拉應(yīng)力的存在，即使在純壓循環(huán)荷載下，焊接接頭也可能出現(xiàn)裂紋萌生與擴展。對此，F(xiàn)ISHER[3]對大尺寸焊接構(gòu)件進行了大量的疲勞試驗，發(fā)現(xiàn)存在于焊縫區(qū)的高值殘余拉應(yīng)力是導(dǎo)致疲勞強度降低主要因素。相對于疲勞試驗，數(shù)值模擬的方式更為方便。當(dāng)前，采用數(shù)值模擬來研究焊接殘余應(yīng)力對疲勞性能影響的方法主要是基于斷裂力學(xué)，通過有效應(yīng)力比Reff，有效應(yīng)力強度因子范圍ΔKeff來計入焊接殘余應(yīng)力對疲勞裂紋擴展速率da/dN的影響[4?7]。該方法一般先通過有限元法或測試獲得焊接殘余應(yīng)力，再采用權(quán)函數(shù)法[8]、虛擬裂紋閉合法[4]或J積分法[9]計算焊接殘余應(yīng)力引起的應(yīng)力強度因子Kres。求得Kres后，就可以采用考慮應(yīng)力比影響的疲勞裂紋擴展公式求解da/dN。常見的公式有Walker公式、Harter T方法、NASGRO公式等[10]。該方法一般將焊接殘余應(yīng)力作為初始狀態(tài)或直接擬合為位置的函數(shù)，并假定在裂紋擴展過程中保持不變，以此來計入其對da/dN的影響。然而，實際上焊接殘余應(yīng)力在疲勞開裂過程中會發(fā)生重分布[6?7]，它會因裂紋的擴展而釋放，因裂尖的塑性變形而松弛[11]。當(dāng)然若事先知道焊接殘余應(yīng)力隨裂紋長度a的變化，也可以在擬合函數(shù)引入a來計入其對da/dN的影響。瞿偉廉等[6]采用此方法，借助TERADA[7]提出的焊接殘余應(yīng)力重分布模型，成功地預(yù)測了對接接頭試件的疲勞壽命。由于焊接殘余應(yīng)力主要表現(xiàn)為縱向應(yīng)力(平行于焊縫)，因此當(dāng)前的研究大多忽略橫向應(yīng)力(垂直于焊縫)，僅針對縱向殘余應(yīng)力，研究其對疲勞壽命的影響。然而現(xiàn)實中，裂紋面沿焊縫，特別是沿焊趾或焊根萌生或擴展的現(xiàn)象更為普遍。對于這種裂紋面平行于焊縫的情況，縱向的焊接殘余應(yīng)力并未在裂紋面產(chǎn)生牽引力，并不能使裂紋面張開或閉合。此外，若焊接殘余應(yīng)力是通過數(shù)值模擬獲得，在考慮焊接殘余應(yīng)力的疲勞裂紋擴展模擬中還存在如何將計算的殘余應(yīng)力映射到疲勞裂紋擴展模型中去的技術(shù)問題。針對上述問題，本研究以平板對接焊為例，首先采用熱彈塑性有限元法獲得焊接殘余應(yīng)力，然后結(jié)合計算機圖形學(xué)和等參元逆變換提出了焊接殘余應(yīng)力映射技術(shù)，并基于該技術(shù)將計算的焊接殘余應(yīng)力映射到裂紋擴展模型中去。在疲勞裂紋擴展模型中，以疲勞裂紋擴展的模擬來自動計入焊接殘余應(yīng)力的重分布效應(yīng)，以焊接殘余應(yīng)力引起的應(yīng)力強度因子Kres，基于NASGRO方程來計入焊接殘余應(yīng)力對疲勞裂紋擴展速率的影響。

1 焊接殘余應(yīng)力數(shù)值模擬

1.1 焊接數(shù)值模擬模型

采用ANSYS軟件，基于熱彈塑性有限單元法，以平板對接焊為例進行焊接數(shù)值模擬，模型尺寸如圖1所示。圖中，xyz坐標(biāo)系原點位于起弧點；x軸垂直于焊縫；z軸位于焊縫中心線Weld Line上，指向焊接前進方向。模型采用Q345鋼材的熱力學(xué)參數(shù)，按文獻[1]取值。焊接熔敷金屬的填充過程采用“生死單元”模擬。焊接熱源選用雙橢球熱源模型來模擬 ，模型中參數(shù)取值同文獻[1]。

圖1 平板對接焊模型尺寸Fig.1 Dimension of the butt weld for numerical case study

焊接溫度場采用SOLID70單元模擬，節(jié)點自由度為溫度。為減小單元數(shù)目并保證計算精度，單元網(wǎng)格采用六面體劃分，劃分尺寸在焊縫附近為2 mm，該尺寸由小到大逐步過渡到遠(yuǎn)離焊縫的20 mm。焊接溫度場模擬邊界條件主要包括：環(huán)境溫度、工件表面對流換熱及輻射傳熱。本研究環(huán)境溫度取室溫25℃，并假定在焊接過程中不發(fā)生變化。對流與輻射傳熱采用式(1)所示的牛頓冷卻公式計算：

式中：q為熱流密度，W/m2；Ts為工件表面溫度；Ta為環(huán)境溫度，取25℃；h為綜合考慮對流、輻射傳熱的換熱系數(shù)，W/(m2?℃)，按式(2)取值[13]。

焊接溫度場計算完成后，用ETCHG命令將溫度分析SOLID70單元轉(zhuǎn)換為力學(xué)分析SOLID185單元，再讀入溫度場計算結(jié)果進行力學(xué)分析。力學(xué)分析采用的單元網(wǎng)格同溫度場分析，采用的邊界條件如圖1所示，圖中Ux，Uy，Uz分別表示沿x，y，z方向的平動自由度約束。

1.2 焊接殘余應(yīng)力計算結(jié)果

圖2所示為Path 1(見圖1)路徑上的縱、橫向焊接殘余應(yīng)力隨x軸的變化。從圖2可以看出，焊縫附近區(qū)域存在高達材料屈服強度(σy=345 MPa)的縱向殘余拉應(yīng)力σz，而在遠(yuǎn)離焊縫的位置，σz為較小的壓應(yīng)力。焊接橫向殘余應(yīng)力σx在寬度方向呈M型分布，σx在焊縫中心出現(xiàn)壓應(yīng)力峰值(?59.7 MPa)，且隨著遠(yuǎn)離焊縫約30 mm的位置出現(xiàn)拉應(yīng)力峰值(96.9 MPa)。該計算結(jié)果與文獻[5]的16 mm厚平板對接焊的焊接殘余應(yīng)力測試結(jié)果吻合。

圖2 Path 1路徑上焊接殘余應(yīng)力隨x的變化Fig.2 Variation of WRSs in Path 1 with x-axis

2 應(yīng)力映射技術(shù)

設(shè)裂紋擴展分析模型(新模型)中存在一節(jié)點P，現(xiàn)需要根據(jù)P在焊接數(shù)值模擬模型(舊模型)中的相對位置，求出該節(jié)點對應(yīng)的焊接殘余應(yīng)力狀態(tài)Sp。這涉及到2個技術(shù)問題：一是判斷節(jié)點P在舊模型中屬于哪一個單元或位于哪一個單元的內(nèi)部；二是根據(jù)其所屬單元的各節(jié)點應(yīng)力，通過形函數(shù)插值計算出節(jié)點P所對應(yīng)的Sp。對于前者需要用到點與多面體的位置關(guān)系算法[14]，對于后者涉及到等參單元的逆變換算法[15]。本文結(jié)合這2種算法提出焊接殘余應(yīng)力映射技術(shù)，并加以驗證。

2.1 點與單元空間位置關(guān)系的判斷

設(shè)新模型中任意一節(jié)點P，其在舊模型中的坐標(biāo)與新模型保持一致，均為(xp,yp,zp)。在舊模型中，假設(shè)該節(jié)點附近存在某單元E，其任意面A的外法線向量為，如圖3所示。

圖3 點與單元空間位置關(guān)系示意圖Fig.3 Schematic diagram of position relationship between an point and element

假設(shè)面A上有任意點P'，P'也可以是位于面A且屬于單元E的節(jié)點，其到點P的向量為，則與數(shù)量積表示為：

式中：θ為向量角。由于均大于等于0，因此可根據(jù)的符號來判斷點P與面A的位置關(guān)系[14]，如式(4)所示。

若對于單元E上的所有面均滿足時，則可判定點P位于單元E的內(nèi)部。此時便可根據(jù)單元E各節(jié)點的應(yīng)力狀態(tài)，利用形函數(shù)插值得到點P對應(yīng)的焊接殘余應(yīng)力狀態(tài)Sp。

2.2 等參單元逆變換算法

在三維等參有限元分析中，有坐標(biāo)變換[15]：

式中：ξ，η，ζ為單元局部坐標(biāo)系下的坐標(biāo)；xi，yi，zi為節(jié)點i在整體坐標(biāo)系中的坐標(biāo)；Ni為插值函數(shù)。焊接數(shù)值模擬一般采用8節(jié)點六面體線性單元，其插值函數(shù)為：

式中：ξi，ηi，ζi為節(jié)點i在局部坐標(biāo)系下的坐標(biāo)。

式(5)可簡化地寫成：

將上式在點(x0,y0,z0)按泰勒級數(shù)展開[14]，且忽略高階項得：

對式(9)兩端乘以J0的逆矩陣，整理得：

由上式可得到坐標(biāo)(ξp,ηp,ζp)的迭代公式：

式中：n為迭代次數(shù)；ξn為ξp的第n次迭代近似值。按式(11)反復(fù)迭代，直至≤ε時，ε是人為設(shè)定的微小量，可以認(rèn)為點P的局部坐標(biāo)近似地求出，即：

獲得點P的局部坐標(biāo)(ξp,ηp,ζp)后，就可根據(jù)式(13)利用點P所屬單元E的各節(jié)點應(yīng)力狀態(tài)插值得到點P所對應(yīng)的焊接殘余應(yīng)力Sp。

2.3 應(yīng)力映射技術(shù)驗證

為驗證應(yīng)力映射技術(shù)是否有效，同時考慮到焊接縱向殘余應(yīng)力遠(yuǎn)大于橫向殘余應(yīng)力，故提取垂直于焊縫的Path 1路徑上映射前后的σz進行對比，如圖4所示。從圖中可以看出，映射后的σz可以捕捉到原應(yīng)力分布的特征，且在數(shù)值上也較為吻合，映射前后σz隨x的變化曲線基本重合。由此可以說明本文提出的焊接殘余映射技術(shù)是有效的。

圖4 應(yīng)力映射前后焊接縱向殘余應(yīng)力σz對比Fig.4 Comparison of longitudinal WRSs before and afterstress mapping

3 疲勞裂紋擴展模擬

3.1 裂紋擴展速率模型

基于線彈性斷裂力學(xué)，考慮焊接殘余應(yīng)力的疲勞裂紋擴展模擬可根據(jù)疊加原理，通過有效應(yīng)力比Reff來計入焊接殘余應(yīng)力的影響?？紤]焊接殘余應(yīng)力的作用，應(yīng)力強度因子ΔKeff范圍及有效應(yīng)力比Reff定義為：

式中：Kapp,max，Kapp,min分別為外載引起的應(yīng)力強度因子的最大、最小值；Kres是焊接殘余應(yīng)力作用下的應(yīng)力強度因子。

從式(14)～(15)可以看出，由于焊接殘余應(yīng)力的存在，應(yīng)力比會發(fā)生改變，而應(yīng)力強度因子范圍跟無焊接殘余應(yīng)力的情況一致。當(dāng)獲得Rres，ΔKeff以后，便可以通過計入R和ΔK影響的裂紋擴展模型求解da/dN，如NASGRO[10]方程。由于NASGRO方程考慮了裂紋閉合效應(yīng)，也計入了近門檻區(qū)、近斷裂區(qū)疲勞裂紋擴展特性，因此本研究選用NASGRO方程來計算裂紋擴展速率，見式(16)。

式中：Kc為斷裂韌性；ΔKth為疲勞裂紋擴展門檻值；Kmax為裂紋強度因子最大值，考慮焊接殘余應(yīng)力影響時，Kmax=Kapp,max+Kres；C與n為Paris公式常數(shù)；p、q分別是為考慮近門檻區(qū)、近斷裂區(qū)疲勞裂紋擴展特性而定義的常數(shù)；f為裂紋閉合效應(yīng)函數(shù)。NASGRO公式中的參數(shù)根據(jù)文獻[10]取值，見表1。

表1 NASGRO方程參數(shù)Table 1 Parameters in NASGRO equation

3.2 初始裂紋設(shè)置

為探究不同位置的焊接殘余應(yīng)力對疲勞性能的影響，本研究設(shè)置4種初始裂紋：Crack 1，Crack 1′，Crack 2及Crack 2′。這4種初始裂紋均為橢圓形，如圖5所示，其長半軸半長c為4 mm，短半軸半長a為2 mm。圖中“Cor坐標(biāo)軸”為沿裂紋前緣的歸一化坐標(biāo)軸，在裂紋前緣圖示左端點Cor=0，在中點Cor=0.5，右端點Cor=1。如圖5所示，Crack 1與Crack 1′裂紋面垂直于焊縫，分別位于焊接殘余應(yīng)力的拉應(yīng)力與壓應(yīng)力區(qū)；Crack 2與Crack 2′裂紋面平行于焊縫。所定義的4種裂紋均假定沿最大環(huán)向拉應(yīng)力作用面的方向擴展。

圖5 初始裂紋設(shè)置示意圖Fig.5 Schematic diagrams of initial cracks

裂紋擴展有限元模型采用20節(jié)點SOLID186單元建立。由于裂紋前緣的應(yīng)力與應(yīng)變具有奇異性，所以裂紋前緣附近單元采用在1/4處有中間節(jié)點的奇異單元模擬，網(wǎng)格尺寸不大于0.1 mm。在遠(yuǎn)離裂紋前緣的單元網(wǎng)格控制尺寸為10 mm。為了使研究結(jié)果具有一定的代表性，施加于模型遠(yuǎn)端的外載σapp參考國標(biāo)GB50017—201716]規(guī)定的容許應(yīng)力幅取值，即σapp=120 MPa，以R=0.1循環(huán)。對于所定義的4種初始裂紋，外載均沿垂直于裂紋面的方向施加。具體地講，對于Crack 1和Crack 1′，外載σapp,1在模型右端面(z=600 mm)施加，同時在左端面(z=0 mm)約束z向的平動自由度，并在坐標(biāo)原點約束x，y，z3個方向的平動自由度，以限制剛體位移。Crack 2和Crack 2′外載σapp,2的施加與邊界條件按照類似方式定義。

4 結(jié)果與分析

4.1 焊接殘余應(yīng)力對應(yīng)力強度因子的影響

Crack 1與Crack 1′主要用于考察焊接縱向殘余應(yīng)力σz對裂紋擴展的影響。Crack 1位于高值殘余應(yīng)力(拉)的焊縫區(qū)，Crack 1′位于遠(yuǎn)離焊縫150 mm的低值殘余應(yīng)力區(qū)(壓)。應(yīng)力強度因子沿Crack 1與Crack 1′裂紋前緣的變化如圖6所示。

圖6 應(yīng)力強度因子沿Crack 1與Crack 1′裂紋前緣的變化Fig.6 Variation of stress intensity factor along fronts of cracks 1 and 1′

如圖6(a)所示，對于Crack 1，焊接殘余應(yīng)力引起的應(yīng)力強度因子Kres在裂紋前緣上均為正，且在數(shù)值上大于外載產(chǎn)生的應(yīng)力強度因子Kapp，致使疊加后的應(yīng)力強度因子Ktol遠(yuǎn)大于Kapp，前者約是后者的4倍。說明對于Crack 1，焊接殘余應(yīng)力的存在會極大地加速裂紋的萌生與擴展。對于Crack 1′，Kres在裂紋前緣上均為負(fù)值(圖6(b))，其與Kapp疊加后的應(yīng)力強度因子Ktol小于Kapp，前者約是后者的0.8倍。說明對于Crack 1′，焊接殘余應(yīng)力會抑制裂紋的擴展。值得注意的是，由高達材料屈服強度的焊接殘余應(yīng)力引起的K已經(jīng)達到795.1 MPa?mm0.5，見圖6(a)。此時，若假設(shè)有一外載為壓縮荷載，其應(yīng)力強度因子為-500 MPa?mm，并按R=0循 環(huán)，則ΔKeff=(0+795.1)-(-500+795.1)=500 MPa?mm0.5，該值已大于常見結(jié)構(gòu)鋼的疲勞裂紋擴展門檻值。由此說明，由于焊縫區(qū)存在較高的焊接殘余拉應(yīng)力，造成了即使外載為純壓荷載，材料也可能出現(xiàn)疲勞問題，此現(xiàn)象也在疲勞試驗中得到了證實[2?3]。

Crack 2與Crack 2′的裂紋面平行于焊接方向，主要用于考察焊接橫向殘余應(yīng)力σx對疲勞裂紋擴展的影響。Crack 2位于焊縫區(qū)，Crack 2′位于遠(yuǎn)離焊縫中心30 mm的位置。對于Crack 2，焊接殘余應(yīng)力引起的應(yīng)力強度因子Kres在裂紋前緣為負(fù)(見圖7(a))，與Kapp疊加后的應(yīng)力強度因子Ktol小于Kapp，前者是后者的0.56～0.75倍。說明對于Crack 2，焊接殘余應(yīng)力的存在會抑制裂紋的擴展。對于Crack 2′，Kres在裂紋前緣均為正(見圖7(b))，與Kapp疊加后的應(yīng)力強度因子Ktol大于Kapp。前者約是后者的1.2倍。說明對于Crack 2′，焊接殘余應(yīng)力的存在會促進裂紋的擴展。

圖7 應(yīng)力強度因子沿Crack 2與Crack 2′裂紋前緣的變化Fig.7 Variation of stress intensity factor along fronts of cracks 2 and 2′

4.2 焊接殘余應(yīng)力對疲勞壽命的影響

為了能獲得足夠多的數(shù)據(jù)點，以清楚地顯示各裂紋間裂紋長度與循環(huán)次數(shù)的差異，本研究以初始裂紋深度為2 mm，其沿板厚擴展至6.2 mm時的外載循環(huán)次數(shù)N來反映焊接殘余應(yīng)力對疲勞壽命的影響。圖8所示為各裂紋在焊接殘余應(yīng)力影響下的裂紋長度a與循環(huán)次數(shù)N的關(guān)系曲線，即a-N曲線。圖中“Reference curve”為參考曲線，是Crack 1在無焊接殘余應(yīng)力情況下的a-N曲線，其余裂紋無殘余應(yīng)力下的a-N曲線與之相近。從圖8可以看出，焊接殘余應(yīng)力對焊縫區(qū)的Crack 1裂紋的da/dN影響最大，焊接殘余拉應(yīng)力的存在會極大地加速裂紋的擴展。Crack 2與Crack 2′也位于殘余拉應(yīng)力區(qū)，相對于無殘余應(yīng)力情況，其裂紋擴展速率也出現(xiàn)了增大；Crack 1′位于殘余壓應(yīng)力區(qū)，其裂紋擴展速率小于無殘余應(yīng)力的情況。

圖8 裂紋長度與荷載循環(huán)次數(shù)的關(guān)系曲線Fig.8 Relation curves between crack length and load cycles

值得說明的是對于本算例16 mm鋼板，計算結(jié)果顯示焊接殘余應(yīng)力沿板厚基本保持不變，這個結(jié)論與文獻[5]實測結(jié)果一致。因此，為定量分析其對疲勞壽命的影響，以裂紋擴展路徑上的焊接殘余應(yīng)力均值σave來表征各裂紋對應(yīng)的焊接殘余應(yīng)力水平。

表2所列即為各裂紋在有、無焊接殘余應(yīng)力情況下，裂紋在深度方向從2.0 mm擴展至6.2 mm的外載循環(huán)次數(shù)。綜合圖8與表2所列數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，對于所定義的4種裂紋，裂紋前緣中點的焊接殘余應(yīng)力σave由大到小(計入正負(fù)號)依次為Crack 1，Crack 2，Crack 2′，Crack 1′，其裂紋擴展速率也是按該順序由快到慢變化的。通過表2可以看出，Crack 1′裂紋前緣中點的焊接殘余應(yīng)力均值σave僅為-0.07σy，但卻將材料的疲勞壽命提高了76.6%，說明即使是很小的焊接殘余壓應(yīng)力也能顯著地提高材料的疲勞壽命。類似地，Crack_2′的焊接殘余應(yīng)力也很小，僅為0.06σy，但其對疲勞壽命的影響卻達到了-27.9%，說明即使是很小的焊接殘余拉應(yīng)力也可能顯著地降低材料的疲勞壽命。

對比表2中Crack 1與Crack_2′的相關(guān)數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，Crack 1對應(yīng)的焊接殘余應(yīng)力是Crack 2′的19.7倍(前者403.4 MPa，后者20.5 MPa)，但其對疲勞壽命的影響僅是Crack 2′的2.1倍(前者-59.1%，后者-27.9%)，說明焊接殘余拉應(yīng)力對疲勞壽命的降低程度并不與其大小成正比，它會隨著焊接殘余應(yīng)力的增大而增大，但增大的比例會隨著焊接殘余應(yīng)力的增大而顯著減小。這主要是因為焊接殘余應(yīng)力為拉時取值為正，根據(jù)式(12)和式(13)，它只會改變應(yīng)力比R，而不會改變應(yīng)力強度因子范圍ΔK，因而它只能通過Reff間接影響疲勞壽命。

表2 焊接殘余應(yīng)力與對疲勞壽命對照Table 2 Comparison of WRS and fatigue life

對比表2中Crack 1′和Crack_2′的數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，Crack_1′的焊接殘余應(yīng)力(-24.7 MPa)與Crack 2′的應(yīng)力(20.5 MPa)在大小上相近，在符號上相反。但前者對疲勞壽命的影響程度是后者的2.7倍，前者將疲勞壽命提高了76.6%，后者降低了27.9%。據(jù)此可以推測，焊接殘余應(yīng)力對疲勞壽命的影響大小還與其符號有關(guān)，為壓的殘余應(yīng)力對疲勞壽命的提高程度要比相同大小的拉應(yīng)力的降低程度大。如本算例中前者就比后者大了1.7倍。這主要是因為當(dāng)焊接殘余應(yīng)力為負(fù)值時，它可能會直接降低應(yīng)力強度因子范圍ΔK，從而使ΔK更接近于甚至低于疲勞裂紋擴展門檻值ΔKth，此時疲勞裂紋的擴展就會顯著的降低。以例說明，假設(shè)外載產(chǎn)生的應(yīng)力強度因子Kapp=400 MPa?mm0.5，以R=0.1循環(huán)，現(xiàn)有2種情況，一是殘余應(yīng)力為拉應(yīng)力，假設(shè)其產(chǎn)生的應(yīng)力強度因子Kres=80 MPa?mm0.5，由此計算的應(yīng)力強度因子范圍為ΔK1=(400+80)-(400×0.1+80)=360 MPa?mm0.5，有效應(yīng)力比Reff_1=0.250；二是焊接殘余應(yīng)力為壓應(yīng)力，相應(yīng)的Kres=-80 MPa?mm0.5，ΔK2=(400-80)-max(400×0.1-80,0)=320 MPa?mm0.5，小于ΔK1，有效應(yīng)力比Reff_2=-0.125也小于Reff_1。由此可見，相對于焊接殘余應(yīng)力為拉應(yīng)力的情形，焊接殘余應(yīng)力為壓時的有效應(yīng)力比和應(yīng)力強度因子范圍都有可能降低，而這兩者的降低均會導(dǎo)致疲勞裂紋擴展速率的減小，從而大幅地提高疲勞壽命。

5 結(jié)論

1)基于計算機圖形學(xué)和等參單元逆變換提出的應(yīng)力映射技術(shù)能有效地將計算的焊接殘余應(yīng)力映射到疲勞裂紋擴展模型中去。經(jīng)對比，不同模型間映射前后應(yīng)力狀態(tài)吻合較好。

2)即使是很小的焊接殘余拉應(yīng)力也可能對材料疲勞壽命造成顯著的降低，本算例不到10%σy的殘余拉應(yīng)力，將疲勞壽命降低了25%以上。因此，針對典型焊接疲勞細(xì)節(jié)，宜盡可能的完全消除殘余拉應(yīng)力或通過表面處理直接將拉應(yīng)力轉(zhuǎn)換為壓應(yīng)力。

3)即使是很小的焊接殘余壓應(yīng)力也可能顯著地提高材料的疲勞壽命，本算例不到10%σy的殘余壓應(yīng)力，將疲勞壽命提高了75%以上。因此，針對典型疲勞構(gòu)造細(xì)節(jié)，可通過噴丸、超聲沖擊等措施給材料表面預(yù)制一定的壓應(yīng)力以提高疲勞強度，而且無需以生成高值殘余壓應(yīng)力為目的，只需根據(jù)構(gòu)造細(xì)節(jié)與外載特性，預(yù)制出能使ΔK小于或接近于疲勞裂紋門檻值ΔKth的壓應(yīng)力就可有效地改善材料疲勞性能。

4)焊接殘余拉應(yīng)力對疲勞壽命的降低程度會隨著應(yīng)力的增大而增大，但增大的比例會隨著應(yīng)力值的增大而顯著的減小。焊接殘余應(yīng)力對疲勞壽命的影響大小還與其符號有關(guān)，焊接殘余壓應(yīng)力對疲勞壽命的影響要比同值的拉應(yīng)力的影響大。這主要是因為焊接殘余應(yīng)力為拉時取值為正，它只會改變應(yīng)力比R，而不會改變應(yīng)力強度因子范圍ΔK，因而它只能通過應(yīng)力比間接影響疲勞壽命；而焊接殘余應(yīng)力為壓時，在降低應(yīng)力比R的同時還可能直接降低應(yīng)力強度因子范圍ΔK，而這兩者的降低均會導(dǎo)致裂紋擴展速率的減小，從而大幅地提高疲勞壽命。