疲劳讲义(BS-&-IIW--OK)PPT参考幻灯片.ppt
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1、英国标准(英国标准(BS7608BS7608:19931993)&国际焊接学会(国际焊接学会(IIWIIW)标准标准简介及工程应用实例简介及工程应用实例 大连交通大学大连交通大学 兆文忠兆文忠 20052005年年9 9月月 大连交通大学大连交通大学主要内容主要内容1.1.引言引言2.2.焊接接头焊接接头S-NS-N曲线细节及其特殊性曲线细节及其特殊性3.3.焊接接头类型细节是控制焊接结构疲劳寿命的命脉焊接接头类型细节是控制焊接结构疲劳寿命的命脉4.4.基于英国标准(基于英国标准(BS7608BS7608:19931993)的疲劳寿命预测)的疲劳寿命预测5.5.基于国际焊接学会(基于国际焊接学
2、会(IIWIIW)的疲劳寿命预测)的疲劳寿命预测大连交通大学大连交通大学主要内容主要内容6.AAR/BS/IIW6.AAR/BS/IIW标准的个性与共性讨论标准的个性与共性讨论7.7.几点体会几点体会(1)(1)转变设计观念是当务之急转变设计观念是当务之急(2)(2)关注细节和千方百计降低应力集中是提高疲劳寿命的基本出发点关注细节和千方百计降低应力集中是提高疲劳寿命的基本出发点(3)(3)重视与疲劳相关数据库的建设重视与疲劳相关数据库的建设(4)(4)“对对”与与“错错”的启示的启示8.8.工程应用实例工程应用实例9.9.参考文献参考文献大连交通大学大连交通大学1 1 引言引言 由于焊接结构的
3、疲劳寿命预测不仅要面对非焊接结构必由于焊接结构的疲劳寿命预测不仅要面对非焊接结构必须面对的一般性困难,而且还要面对焊接工艺本身所导致须面对的一般性困难,而且还要面对焊接工艺本身所导致的特有的困难。焊接专家说:的特有的困难。焊接专家说:“在一些人的眼里,一方面在一些人的眼里,一方面焊接是功臣,因为它促进了生产的发展;另一方面它是罪焊接是功臣,因为它促进了生产的发展;另一方面它是罪人,因为它是许多事故的根源人,因为它是许多事故的根源”22。为了抑制焊接的不利因素,尤其是在疲劳寿命预测方为了抑制焊接的不利因素,尤其是在疲劳寿命预测方面,先进国家为发展中国家做出了重要贡献。他们投入了面,先进国家为发展
4、中国家做出了重要贡献。他们投入了大量的资金,甚至历时百年,制定了许多优秀的评估标准。大量的资金,甚至历时百年,制定了许多优秀的评估标准。例如:英国标准(例如:英国标准(BS7608BS7608:19931993)()(Code of practice Code of practice for fatigue design and assessment of steel for fatigue design and assessment of steel structuresstructures)、国际焊接学会标准()、国际焊接学会标准(IIWIIW)(Fatigue(Fatigue desig
5、n of welded joints and components)design of welded joints and components)、美国、美国AARAAR货货车结构疲劳设计标准等车结构疲劳设计标准等345345。大连交通大学大连交通大学1 1 引言引言 这些标准的最大贡献是:一大批用于焊接接头疲劳寿命预这些标准的最大贡献是:一大批用于焊接接头疲劳寿命预测的测的S-NS-N曲线几乎完全支持复杂的工程问题,尤其是支持曲线几乎完全支持复杂的工程问题,尤其是支持设计方案的疲劳寿命对比。设计方案的疲劳寿命对比。(1 1)美国)美国AARAAR货车结构疲劳设计标准给出了货车结构疲劳设计标准
6、给出了8080种钢结构焊接种钢结构焊接接头的疲劳寿命预测数据。接头的疲劳寿命预测数据。(2 2)英国钢结构疲劳设计与评估使用标准()英国钢结构疲劳设计与评估使用标准(BS7608:1993BS7608:1993)中,将焊接母材及接头分成中,将焊接母材及接头分成1010级,并给出了这级,并给出了这1010级焊接接级焊接接头细节的头细节的S-NS-N曲线参数。事实上这曲线参数。事实上这1010级接头包括了级接头包括了5050多种多种具体接头形状,其中还包括了螺栓连接接头。具体接头形状,其中还包括了螺栓连接接头。(3 3)国际焊接学会标准(国际焊接学会标准(IIWIIW)给出了)给出了8080种钢结
7、构焊接接头种钢结构焊接接头的数据。的数据。IIWIIW还给出了还给出了5757种铝合金焊接接头的种铝合金焊接接头的S-NS-N曲线数据。曲线数据。IIWIIW疲劳强度设计规范适用于焊点的屈服点低于疲劳强度设计规范适用于焊点的屈服点低于700MPa700MPa的的碳钢、碳锰钢和细晶粒钢调质钢材的焊接接头。碳钢、碳锰钢和细晶粒钢调质钢材的焊接接头。大连交通大学大连交通大学2 2 焊接接头焊接接头S-NS-N曲线细节及其特殊性曲线细节及其特殊性 这些焊接接头的这些焊接接头的S-NS-N曲线全部由试验室获得曲线全部由试验室获得,因而包括因而包括了以下事实和影响:了以下事实和影响:焊焊缝缝形形状状所所引
8、引起起地地局局部部应应力力集集中中;一一定定范范围围的的焊焊缝缝尺尺寸寸和和形形状状偏偏差差;应应力力方方向向;残残余余应应力力;冶冶金金状状焊焊接接过过程程和和随随后后的的焊缝改善处理。焊缝改善处理。由于焊缝及其附近存有达到或接近达到屈服点的应力。英由于焊缝及其附近存有达到或接近达到屈服点的应力。英国钢结构疲劳设计与评估使用标准及国际焊接学会标准国钢结构疲劳设计与评估使用标准及国际焊接学会标准(IIWIIW)评定焊接接头疲劳特性时,用应力范围来表述)评定焊接接头疲劳特性时,用应力范围来表述S-NS-N曲曲线。美国线。美国AARAAR货车结构疲劳设计标准则用通常的等效应力表货车结构疲劳设计标准
9、则用通常的等效应力表述述S-NS-N曲线。比较而言曲线。比较而言,IIW,IIW和和BSBS标准更适合焊接结构的疲劳标准更适合焊接结构的疲劳寿命预测。寿命预测。大连交通大学大连交通大学2 2 焊接接头焊接接头S-NS-N曲线细节及其特殊性曲线细节及其特殊性关于焊接接头疲劳寿命预测中应力范围概念关于焊接接头疲劳寿命预测中应力范围概念采用应力范围的理由是:采用应力范围的理由是:焊接过程中,焊缝及其附近存有达到或接近达到母材屈服点的残余焊接过程中,焊缝及其附近存有达到或接近达到母材屈服点的残余应力;应力;由于残余应力的存在,不管外加动应力的循环特性如何,焊缝附近由于残余应力的存在,不管外加动应力的循
10、环特性如何,焊缝附近的实际循环应力是从母材的屈服应力向下摆动。的实际循环应力是从母材的屈服应力向下摆动。例:有二焊接接头,例:有二焊接接头,S-NS-N曲线相同(抵抗疲劳的能力相同),但是承受曲线相同(抵抗疲劳的能力相同),但是承受的动载荷不同。的动载荷不同。接头一:接头一:接头二:接头二:决定焊接结构疲劳寿命的是动应力的变化幅值而不是平均值,因此,第决定焊接结构疲劳寿命的是动应力的变化幅值而不是平均值,因此,第二个接头虽然应力绝对值很低,但远比第一个接头危险二个接头虽然应力绝对值很低,但远比第一个接头危险!大连交通大学大连交通大学3 3 焊接接头类型细节是控制焊接结构疲劳寿命的命脉焊接接头类
11、型细节是控制焊接结构疲劳寿命的命脉 焊接接头是机车车辆焊接结构的寿命薄弱环节。当结构承受焊接接头是机车车辆焊接结构的寿命薄弱环节。当结构承受较低水平动应力(该应力水平远低于静强度应力水平)时,它们较低水平动应力(该应力水平远低于静强度应力水平)时,它们将首先疲劳破坏。在另外考虑材料因素、热影响区的前提下,焊将首先疲劳破坏。在另外考虑材料因素、热影响区的前提下,焊接接头疲劳破坏的主要原因是局部应力集中:接接头疲劳破坏的主要原因是局部应力集中:结构设计不合理导致应力集中结构设计不合理导致应力集中;接头型式导致应力集中接头型式导致应力集中;焊接缺陷导致应力集中:裂纹、未焊透、未熔合、咬边、气孔焊接缺
12、陷导致应力集中:裂纹、未焊透、未熔合、咬边、气孔 、夹渣、夹渣;焊接残余应力加剧应力集中焊接残余应力加剧应力集中.大连交通大学大连交通大学4 4 基于英国标准(基于英国标准(BS7608:1993BS7608:1993)的疲劳寿命预测)的疲劳寿命预测4.1 4.1 算法原理简述算法原理简述(1 1)计算损伤比)计算损伤比损伤比损伤比 (SrSoSrSo)损伤比损伤比 (SrSoSrSo)式中,式中,n n为被评估点应力幅为被评估点应力幅SrSr发生的次数;发生的次数;SoSo为该评估点所在接头的为该评估点所在接头的S-NS-N曲线拐点。曲线拐点。m m为为S-NS-N曲线斜率。曲线斜率。(2
13、2)损伤累计)损伤累计大连交通大学大连交通大学4 4 基于英国标准(基于英国标准(BS7608:1993BS7608:1993)的疲劳寿命预测)的疲劳寿命预测4.2 4.2 技术路线技术路线(1 1)指定具体待评点的位置;)指定具体待评点的位置;(2 2)如果有动应力实测数据,通过编谱而获得该点的应力幅)如果有动应力实测数据,通过编谱而获得该点的应力幅值谱,转到第(值谱,转到第(5 5)步;)步;(3 3)如果没有动应力实测数据,有载荷谱,那么创建有限元)如果没有动应力实测数据,有载荷谱,那么创建有限元模型;模型;(4 4)根据载荷谱及有限元模型获得该点的应力幅值谱;)根据载荷谱及有限元模型获
14、得该点的应力幅值谱;(5 5)根据该点所在焊接接头类型细节及承载方向,在)根据该点所在焊接接头类型细节及承载方向,在BSBS中选中选择对应的用于建立择对应的用于建立S-NS-N曲线的疲劳级别(曲线的疲劳级别(FATFAT)及相关参数)及相关参数;(6 6)根据损伤比计算公式,计算损伤比累计;)根据损伤比计算公式,计算损伤比累计;(7 7)根据载荷谱或动应力谱所对应的里程数,由)根据载荷谱或动应力谱所对应的里程数,由MinnerMinner公式公式求出寿命(里程);求出寿命(里程);大连交通大学大连交通大学5 5 基于国际焊接学会(基于国际焊接学会(IIWIIW)标准的疲劳寿命预测)标准的疲劳寿
15、命预测5.15.1寿命计算公式:寿命计算公式:5.25.2技术路线技术路线(1 1)指定具体待评点的位置;)指定具体待评点的位置;(2 2)如果有动应力实测数据,通过编谱而获得该点的应力幅)如果有动应力实测数据,通过编谱而获得该点的应力幅值谱,转到第(值谱,转到第(5 5)步;)步;(3 3)如果没有动应力实测数据,有载荷谱,那么创建有限元)如果没有动应力实测数据,有载荷谱,那么创建有限元模型;模型;(4 4)根据载荷谱及有限元模型获得该点的应力幅值谱;)根据载荷谱及有限元模型获得该点的应力幅值谱;(5 5)根据该点所在焊接接头类型细节及承载方向,在)根据该点所在焊接接头类型细节及承载方向,在
16、IIWIIW中选中选择对应的用于建立择对应的用于建立S-NS-N曲线的疲劳级别(曲线的疲劳级别(FATFAT)及相关参数)及相关参数;(6 6)根据损伤比计算公式,计算损伤比累计;)根据损伤比计算公式,计算损伤比累计;(7 7)根据载荷谱或动应力谱所对应的里程数,由)根据载荷谱或动应力谱所对应的里程数,由MinnerMinner公式公式求出寿命(里程);求出寿命(里程);大连交通大学大连交通大学6 AAR/BS/IIW6 AAR/BS/IIW标准的个性与共性讨论标准的个性与共性讨论 6.16.1共性归纳共性归纳 (1 1)MinnerMinner损伤累积是损伤累积是AAR/BS/IIWAAR/
17、BS/IIW的理论基础,其中的理论基础,其中BSBS与与IIWIIW的寿命计算公式本质完全相同,可以互换。的寿命计算公式本质完全相同,可以互换。(2 2)均提供了大量的极有价值的接头数据库,与我国)均提供了大量的极有价值的接头数据库,与我国TBTB相比,相比,“价值连城价值连城”。(3 3)可操作性强,不仅有理论,亦有技术,不仅有数据,亦)可操作性强,不仅有理论,亦有技术,不仅有数据,亦有工艺要求,只要被评估对象的接头型式落入它们提供的数据库有工艺要求,只要被评估对象的接头型式落入它们提供的数据库之中,其寿命评估就是科学的有价值的。之中,其寿命评估就是科学的有价值的。(4 4)AAR/BS/I
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