基于结构应力方法的焊接结构疲劳评估及实例分析（上篇）
作者 | 裴宪军博士 ，仿真秀专栏作者
一、写在文前
焊接技术作为现代制造业中的支柱技术之一，由于其整体性强、轻量化、经济性好等优点，焊接结构被广泛应用于轨道交通、航空航天，船舶、重型装备等领域，安全承载问题也一直是业界关注的热点。
然而焊接接头组织性能不均匀，应力集中大，存在残余应力、变形甚至焊接缺陷，这导致焊接接头往往是整体结构中最容易发生疲劳破坏的位置。据 资 料 统 计，在 焊 接 结 构 的 失 效 中，有70%-90%是由于焊接接头的疲劳断裂造成的[1]。因此，对焊接结构疲劳分析、抗疲劳优化设计，是保证金属工程结构长期可靠运行的关键。
本文分为上下两篇，上篇重点对国内外焊接结构疲劳分析方法进行总结，并且对其中美国机械工程学会（ASME）标准中采纳的结构应力方法进行重点阐述。下篇则通过正交异性钢桥焊接接头疲劳分析的工程实例，具体介绍了利用结构应力分析接头疲劳顺序的具体方法和步骤。
本文主要介绍上篇内容，为了帮助大家对焊接结构疲劳分析的理解，12月23日20时（周四）我将在仿真秀平台做一个学术报告《基于结构应力/应变方法的焊接结构疲劳分析》，详细见后文。下篇我将在直播结束后分享在仿真秀平台笔者个人专栏-WeldMech（焊接结构力学探索者），如有不当，欢迎各位同行和专家批评指正，共同进步。
二、国内外研究现状评述
自上世纪中期，国内外学者对焊接结构的疲劳进行了广泛深入的研究，对焊接接头疲劳行为的特殊性也有了系统的认识。本节将对此进行简要概述。
1、焊接接头疲劳问题的特殊性
焊接过程的集中热效应及材料局部熔化凝固过程会对接头的力学和材料性能造成特殊影响。这些影响包括接头形状的不连续性，存在较大的残余应力与变形，焊接缺陷的引入，以及接头附近材料组织不均匀及力学性能下降等方面。这使得焊接接头的疲劳行为与传统的材料疲劳行为有很大不同。下面对焊接接头疲劳最显著的两个特殊性进行重点阐述：
（1）焊接接头位置的应力奇异性
焊接接头由于几何形状不连续，导致了接头处应力场奇异，对此Lazzarin and Tovo[2], Wei et al.[3], 和 Lou et al.[4]均有明确阐述，如图 1所示。
图 1(a)中，由于几何突变，接头焊趾附近物质点的应力
与该点到焊趾根部的距离r的关系为。其中是焊趾角度 的函数，且, 所以从理论上讲，当时，焊趾根部的应力趋于无穷。这与传统的狗骨拉伸试样很不相同。如图 1(b)所示，在一般用于材料疲劳试验的狗骨试样中，材料所承受的应力即为名义应力，可以明确确定。焊接接头处应力的奇异性直接导致了在传统有限元计算中，焊趾处的应力网格敏感。亦即，接头附近有限元网格尺寸越小，计算得到的应力越大，并且应力不会随着网格尺寸变小而收敛（见图 1(c)）。
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基于结构应力方法的焊接结构疲劳评估及实例分析（上篇）
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