ASME标准下焊接结构的疲劳寿命评估

ASME BPVC ⅤⅢ-2-2015（以下简称ASME（2015）标准）的第5章第5节《Fatigue assessment of welds-Elastic analysis and structural stress》^[3]，给出了基于结构应力法预测焊接结构疲劳寿命的概述与步骤，理解与熟悉这些步骤将有益于实现疲劳寿命计算的程序编写。

疲劳寿命评估的控制应力是和假设裂纹面的法线方向上与膜应力和弯曲应力相关的结构应力。本方法推荐对未经过打磨处理的焊接接头进行评估，经过打磨处理的焊接结构可使用ASME（2015）标准的5.5.3或5.5.4中提供的数据进行评估，但是建议在设计阶段不要采用打磨以后的计算结果，因为打磨数据有一定的离散性。

下面给出的是基本的评估步骤。

第1步：确定加载历史，加载历史应包括施加于构件的所有重要的载荷与事件。

第2步：对焊接接头中不同的疲劳评估点，利用循环计数法确定各个位置的应力应变循环次数，这里定义周期应力总循环次数为M。

第3步：确定第2步中已经得到的第k个循环开始和结束点上假设裂纹面法向的弹性膜应力和弯曲应力（开始点为m_t，结束点为n_t）。利用这些数据，计算起始点膜应力和弯曲应力的变化范围，计算最大应力、最小应力、应力变化范围、平均应力变化范围。

弹性膜应力的变化范围：Δσ^e_m，k=mσ^e_m，k-ⁿσ^e_m，k。

弹性弯曲应力的变化范围：Δσ^e_b，k=mσ^e_b，k-ⁿσ^e_b，k。

循环中应力最大变化范围：σ_max，k=max[（^mσ^e_m，k+^mσ^e_b，k），（ⁿσ^e_m，k+ⁿσ^e_b，k）]。

循环中应力最小变化范围：σ_min，k=min[（^mσ^e_m，k+^mσ^e_b，k），（ⁿσ^e_m，k+ⁿσ^e_b，k）]。

循环中应力平均变化范围：。

第4步：计算第k个循环的弹性结构应力变化范围：Δσ^e_k=Δσ^e_m，k+Δσ^e_b，k。

第5步：计算第k个循环的等效结构应力变化范围：

对国际单位制，厚度t、应力变化范围Δσ_k、等效结构应力变化范围ΔS_ess，k的单位分别取为mm、MPa、。对英制单位，厚度t、应力变化范围Δσ_k、等效结构应力变化范围ΔS_ess，k的单位分别取为in、ksi、。

方程中各参数分别如下：

m_ss=3.6；如果t≤16mm（0.625in）则t_ess=16mm（0.625in）；

如果16mm（0.625in）≤t≤150mm（6in）则t_ess=t；

如果150mm（6in）≤t则t_ess=150mm（6in）；

如果(www.xing528.com)

如果

式中 R_k——应力比，。

第6步：根据焊接接头疲劳曲线和第5步中得到的等效结构应力变化范围参数，计算循环次数N_k，主S-N曲线参数Cd及h（参见表6-1）。

N=（ΔS_ess，k/Cd）^-1/h （6-29）

第7步：计算第k个循环的疲劳损伤，第k个循环的循环次数设为n_k。

第8步：对所有应力变化范围重复第6步到第7步。

第9步：计算累计损伤，如果焊接接头评估位置满足下式条件，继续下一步。

第10步：对焊接接头每个需要评估的位置重复第5步到第9步。

第11步：其他因素对评估过程的修正。

如果在焊趾的根部存在一些可以被定性为裂纹的有削弱作用的缺陷，并且这些缺陷超过了所规定的界限，就要计算缺陷引起的疲劳寿命的缩减。式（6-30）的适用条件是a/t≤0.1。

式中 a——焊趾处缺陷的深度；

t——母材的厚度。

上述这11个步骤即为ASME标准提供的结构应力法评估疲劳寿命的基本步骤。

综上所述，可以对结构应力法与名义应力法的本质区别归纳如下：

第一，结构应力法导出的主S-N曲线是断裂力学理论在焊接结构上的具体应用，是考虑了应力集中、板的厚度、载荷模式的综合影响以后将名义应力数据压缩而成的一条窄带。

第二，结构应力法积分上限是焊缝焊趾所在的板厚，积分下限可以根据焊接质量相关的初始裂纹确认，也不必像名义应力法那样进行厚度修正。

第三，需要注意的是式（6-27）给出了对等效结构应力计算的修正，但修正是有前提的，即平均应力高于材料屈服强度的50%时才需要修正，因为通过对数千个小试样和实物试验数据分析发现：只有极少数数据表明高平均载荷对疲劳寿命有影响^[4]，而这样高的平均应力在工程上很少发生。