焊接构件应力确定的方法优化

对于焊接结构来说，除外加载荷外，还应考虑可能引起应力变化的结构几何因素。这些因素会产生整体或局部影响，导致结构中存在非常大的局部应力。

焊接构件疲劳寿命分析常采用以下四种基本方法：

1）名义应力法。

2）结构热点应力或应变法。

3）局部缺口应力或应变方法。

4）断裂力学方法。

在设计阶段的应力水平分析，应与确定疲劳强度数据中的应力水平相匹配。在进行疲劳分析时忽略的因素应在确定疲劳强度准则时考虑，例如S-N曲线。

3.4.1.1 疲劳分析中考虑的应力

疲劳分析中的应力来源通常有外加载荷、结构自重以及环境载荷等。同时，还应考虑结构的二次应力，如拘束应力和焊接残余应力等。

焊接结构疲劳分析中所涉及的应力类型主要有：名义应力、结构（热点）应力、缺口应力。

1.名义应力

名义应力可由以下简单公式计算得到：

式中 F——轴向力；

A——断面面积；

M——弯矩；

I——截面惯性矩；

y——距中性线的距离。

以梁类构件为例，式（3.4-1）表征的名义应力如图3.4-1所示。在考虑焊接附件的疲劳时，应在焊接附件处计算名义应力，不考虑焊接附件对应力分布的影响。

图3.4-1 梁类型构件名义应力示例

2.结构应力

结构应力包括名义应力和结构不连续性引起的应力集中。用解析法确定结构应力通常比较困难，以板壳理论为基础的有限元分析法得到的平板和壳中的应力称为结构应力σ_s。结构应力在板的断面沿板厚方向线性分布。结构应力包括两个方面：膜应力和附加弯曲应力。如图3.4-2所示，膜应力σ_m是板厚方向的平均应力，附加弯曲应力是顶面和底面上结构应力差值的一半。

实际上，结构应力不仅仅局限于板壳中的应力。任何由板单元或者类似板单元组成的结构，其结构应力都是膜应力和弯曲应力的总和。虽然在远离几何不连续处结构应力与名义应力相等，但结构应力通常比名义应力值大。

图3.4-2 平板中结构应力，包括膜应力和壳弯曲应力部分

由于结构中不连续性或缺口的存在，疲劳裂纹常在这些部位萌生，这些容易萌生疲劳裂纹的关键点称为“热点”。对焊接结构来说，热点通常位于焊趾部位。热点应力σ_hs是热点处的结构应力。对比图3.4_-2和图3.4-3可知，虽然热点应力位于局部缺口位置，但是热点应力不包括由局部缺口产生的非线性应力峰值。

3.缺口应力

如图3.4-3所示，局部缺口应力σ_ln是指在一个缺口根部的总应力，例如焊趾部位。这个总应力有时也称作峰值应力。

非线性应力峰值σ_nlp是指由于一个局部缺口产生的沿板厚方向分布的应力中非线性部分的最大应力值。

在采用精确的应力分析方法研究产生沿板厚方向的应力分布时，非线性应力峰值可以从结构应力中分离出来。首先，在厚度方向上计算出与膜应力相等的平均应力，然后通过膜应力与中心面相交点O画一条直线得到壳弯曲应力。确定壳弯曲应力σ_b的梯度后，剩下的非线性分布的应力部分是平衡的，非线性分布的应力在表面处的数值即是非线性应力峰值σ_nlp。

图3.4-3 焊趾部位的局部应力（总应力），包括膜应力、弯曲应力和非线性应力峰值

3.4.1.2 应力集中

1.宏观几何和集中载荷的影响

焊接结构通常存在宏观几何形状的变化，这些形状变化对疲劳的影响在设计规范中鲜有涉及。焊接结构几何外形会改变由基本应力分析公式计算得到的应力场，如图3.4-4所示。

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图3.4-4 宏观几何因素示例

a）大开口 b）弯曲梁 c）剪切边 d）边缘卷曲 e）壳中不连续性 f）偏心接头

宏观几何影响通常导致整个断面的膜应力显著变化。类似的影响也会出现在集中载荷和反力作用附近的区域，如图3.4-5所示。由于腹板卷曲和箱形断面变形，也会导致产生显著的板弯曲应力。

尽管确定了名义应力，但是在所有类型的应力中，都需要考虑宏观几何因素产生的应力或者集中载荷和反力作用附近的应力场。大多数情况下，以简单试验试样为基础的疲劳强度中并未考虑上述因素的影响。

图3.4-5 集中载荷附近局部名义应力

a）集中载荷下腹板的横向应力 b）箱形断面由于扭曲的翘曲应力

图3.4-6 结构设计中未考虑的宏观几何不连续

a）平板错边 b）和c）角位移 d）偏心板

通常情况下，进行疲劳设计数据试验所采用的焊接接头都具有一定的错边，如图3.4-6所示，但这一错边很难定量表征，因而通常假定实验数据只适用于无错边的接头或者有非常小的错位的接头。不能认为制造时产生的错边误差已包含于焊接接头疲劳数据中，实际中应对所有预计的和测定的错边进行评估，计算名义应力时要包括相对应的错边所引起的附加弯曲应力。应该注意，腹板和加强筋平行于应力方向时也会改变应力集中。

对于错边，结构应力可以用应力放大系数K_m确定：

式中 e——偏心距；

t——板厚。

图3.4-7 结构不连续及其影响

a）板侧支耳 b）宽度变化 c）板尾盖板 d）端部加强筋 e）板厚变化

2.结构不连续性的影响

图3.4-7所示为几种结构不连续情况。这些结构不连续性可引起在膜应力场中的局部应力集中以及局部壳弯曲应力。这些结构不连续性与宏观几何不连续不同，其特点是：①应力场不连续性是局部的；②这些局部不连续通常包含在疲劳试验的试样中。

名义应力不包括由结构不连续产生的附加膜应力和壳弯曲应力，而由结构不连续产生的附加膜应力和壳弯曲应力属于结构应力的范畴。通常，用解析法很难分析结构不连续性的影响，实际上大多采用有限元分析方法。这需要建立基于有限元方法和应变测试方法的结构几何特征与热点应力的关系。

3.局部缺口影响

图3.4-8给出了焊接构件中经常遇到的典型局部缺口。应注意的是，局部缺口不会改变结构应力，也就是不改变膜应力和壳弯曲应力。

图3.4-8 焊接构件中的典型缺口

a）横向焊缝的余高 b）纵向焊缝粗糙表面或焊缝孔洞 c）火焰切割边的锯齿形边缘

缺口的主要影响是在应力分布中产生非线性应力，通常是沿厚度方向的非线性应力，如图3.4-9所示。一般地，非线性应力峰位于距缺口根部半径为

图3.4-9 沿板厚方向和焊趾附近表面的应力分布

0.3δ～0.4δ的范围内。

由于非线性应力峰的存在，位于缺口的表面缺陷通常比位于低应力区域的埋藏缺陷更危险，如图3.4-10所示。边缘缺口和小孔产生类似的非线性应力峰，但是具有不同的方向。

图3.4-10 横向焊缝余高产生的非线性应力峰σ_nlp导致表面缺陷（深度为 a₁）比埋藏缺陷更危险（深度为2a₂）

缺口应力σ_ln的计算通常是利用热点应力乘以应力集中系数，或者更精确的处理方法是乘以理论缺口系数K_t。在大多数情况下，计算结果会超过材料的屈服强度，因此还需要考虑弹塑性行为，而所计算的应力可看作伪弹性应力。

如没有合适的方法处理K_t时，可采用有限元方法来确定缺口应力。但由于焊缝中小的缺口根部半径和大的应力梯度，计算时应采用比较精细的单元网格，而不能使用与确定结构应力时相同的有限单元。

焊趾部位缺口的几何特征沿同一焊缝变化较大，在不同焊缝之间也有很大差别。虽然一般在实际中规定了对焊缝形状的要求，但是其具体的几何特征是未知的。这样，非线性应力峰是随机变化的。名义应力法中将非线性应力峰值变化的影响包含于测试结果中，通过S-N曲线的离散带来体现，热点应力方法中也是如此。因此在采用这两种方法进行疲劳分析时，不需要计算非线性应力峰值。相反，非线性应力峰值需要从名义应力和热点应力的计算和测试中去除。