传统评估方法的工程应用局限性分析

传统评估方法历史悠久，且获得了许多应用，4.5节给出的工程应用案例是其中之一，然而在工程应用过程中同时也暴露出了以下三方面的问题：

1.因S-N曲线数据有限而导致的难以“对号入座”的问题

众所周知，疲劳试验是一项花费成本很高的研究工作，本章所提及的标准中基于疲劳试验而获得的每一条S-N曲线数据都来之不易，然而为了满足工程中的焊接接头几何形状的多样性以及载荷模式的多样性的排列组合，理论上将需要无穷多的S-N曲线数据。事实上，仅从试验成本的角度看，要求一个标准中要提供近于无穷多的S-N曲线数据是不可能实现的，因此在工程应用中必然会遇到以下两个问题：一是焊接接头几何形状、焊缝位置与试验样件的一致性问题；二是实际承受的疲劳载荷与样件疲劳试验时所施加的疲劳载荷的一致性问题。如果这两个一致性中有任何一个不能被很好地满足，严格说本章中各标准所提供的S-N曲线数据是不可以被使用的。如果从偏于安全的角度“借用”，那么寿命计算必然产生偏差，这样基于寿命计算结果的设计方案对比也将失去工程实际意义。

对于这个问题，董平沙教授有更深刻的解释^[6]：“在基于焊接分级方法的S-N曲线中，理论上会存在无穷多数据的曲线，在不能确定给出这些参数对给定S-N曲线定量关系的影响时，选择出一条对应的S-N曲线就只能依靠经验和主观判断。每个现存的操作规程建议、规范及标准，都会提供图片目录和一些与工程相关的说明来让用户选择，如果目录中不存在，用户就需要对选择哪条S-N曲线做出判断，这样会使S-N曲线的选择过程因人而异，即使是接头类型类似，寿命预测也常常会导致很大的差别。”下面给出几个难于“对号入座”的案例：

（1）钢焊接结构案例 以某转向架焊接构架为例，图4-12所示的两个局部结构中有许多条焊缝的几何位置属于空间三维布置，而且工作时承受的疲劳载荷工况有23种之多，这样不仅焊接接头的定义很模糊，而且假如用BS 7608或IIW评估标准进行疲劳评估，将很难从它们提供的分级形式的接头数据中找到合适的选项。

图4-12 某焊接构架上的两处局部结构

（2）铝焊接结构案例（图4-5） 轻量化设计使铝合金焊接结构在轨道车辆的车体结构中被广泛使用，以某地铁车辆为例，车体的端墙、侧墙、车顶、地板全部是由中空挤压铝合金型材组焊而成。从图4-5中可以看出两个型材连接处的焊接接头的几何形状非常特殊，因此采用IIW之类的标准进行评估疲劳时，也会像BS 7608标准那样遇到疲劳级别（FAT值）难于“对号入座”的问题。

2.应力计算结果难于一致的问题

假设焊接接头的S-N曲线数据可以对号入座，接下来的事情是通过应力来计算疲劳寿命。严格地说，应力必须与被选定的S-N曲线的应力类型有一致性。如果是基于名义应力的S-N曲线，那么需要的应力应该是用材料力学公式能够计算出来的应力，即名义应力，可是工程上焊接结构形式的复杂性以及外载荷的多样性，已经远远超出了材料力学的计算能力，在这种情况下“名义应力”通常需要用有限元法进行数值计算，由于需要计算的应力所在位置的选择、单元类型的选择、网格大小的选择等都将因人而异，因此应力的计算结果也将有一定差别。

为了摆脱计算名义应力的困难，在第2章中热点应力的概念被提了出来。并设计了两种计算模式：一种是基于外推的间接模式；另一种是基于网格细分的直接模式。事实上，当需要直接计算焊趾或焊根位置上的缺口应力时，网格敏感问题将变得更为严重。因为在尖锐缺口上的应力数学表达是病态的，它对网格的大小更为敏感。显然，本质上热点应力并没有摆脱名义应力的局限性，即应力对有限元的网格敏感性和不能处理焊趾处不连续特征形成的局部缺口应力。因为在处理局部缺口应力时，由于缺口的影响会表现出数学上的奇异性。热点应力法需要在热点区域有规则的几何平面和有全局的应力梯度以保证插值需要，而有限元分析时对网格密度和质量要求太高，并且插值方法庞杂，插值结果有不一致性。(www.xing528.com)

3.缺口半径事先假设的不一致问题

考虑到使用名义应力或热点应力所遇到的困难，于是有了基于断裂力学所提供的方法，通过对Paris公式的积分直接计算疲劳寿命。例如BS 7608、IIW评估标准中都提出了这样的建议。但是，如果采纳它们的建议并执行，第一个困难就是在焊趾处必须首先假定一个初始裂纹的尺寸，例如假定初始裂纹尺寸为1mm，显然，这样的假定是没有科学依据的。

图4-13 有限元计算样件示例

图4-14 2mm、4mm、6mm单元长度的有限元计算应力云图

图4-13～图4-15是一个说明采用传统的有限元方法计算过程中网格敏感的实例。实例中划分的单元尺寸分别为2mm、4mm和6mm，从计算结果可以看出，在焊趾处的VonMises应力最大值会随着网格的细分而显著提高，越是靠近焊趾位置的应力对网格尺寸越敏感，应力的不一致性也就越大。由于应力与寿命之间存在高度的非线性关系，因此直接基于有限元计算的应力评估疲劳寿命将存在网格敏感问题。

图4-15 不同网格尺寸焊趾处计算的应力最大值对比

上述事实表明，无论是名义应力法、热点应力法，还是初始裂纹假定法，由于缺少坚实的理论基础，对于焊接结构的疲劳评估都存在一系列问题，这些问题主要集中在理论层面上。