第38卷第2期 2017年2月
焊接学报
TRANSACTIONSOFTHECHINAWELDINGINSTITUTION
Vol.38
No.2
February2017
结合SN曲线和断裂力学的焊接结构疲劳寿命分析
魏国前1,2.3，岳旭东12，党章1.2，何毅斌3
（1.武汉科技大学机械自动化学院，武汉430081；2.武汉科技大学机械传动与制造工程湖北省重点实验室，武汉430081；
3.武汉工程大学化工装备强化与本质安全湖北省重点实验室，武汉430205）
摘要：针对焊接结构的疲劳裂纹演化过程，将焊接结构的疲劳寿命定义为裂纹萌生寿命N和裂纹扩展寿命N.之和，提出一种结合S-N曲线和断裂力学理论的疲劳寿命分析方法采用等效结构应力法和99%下限主S-N曲线计算焊接结构的裂纹萌生寿命，并将这一阶段结束时的裂纹看作为半椭圆表面裂纹。采用Paris裂纹扩展模型和半椭圆表面裂纹应力强度因子△K计算裂纹扩展寿命N参照某起重机走行梁的疲劳试验结果进行对比和验证研究结果表明，等效结构应力可以较好地表征复杂焊接结构的裂纹萌生特性，结合S-N曲线和断裂力学的疲劳寿命计算结果与试验结果具有较好的一致性，
关键词：焊接结构；疲劳寿命；等效结构应力；S-N曲线；断裂力学
中图分类号：TG405 0序言
文献标识码：A
文章编号：0253360X(2017)02002305
始裂纹长度的均值为0.25mm，标准差为0.48mm. 其次Paris模型只适用于长裂纹阶段，仅仅采用该模
焊接是一种经济有效的金属构件连接方式，在机械、交通、建筑、压力容器等领域有广泛的应用疲劳断裂是循环载荷作用下焊接结构的主要失效形式，焊接结构的寿命评定一直是工程界关注的重要问题.
常用的疲劳评定方法有名义应力法、热点应力法、结构应力法等""-4}，这些方法都基于特定焊接接头类型的S-N曲线，没有考虑焊缝细节几何形貌尤其是初始裂纹状态的影响．彭凡等人[3]基于Taylor 临界距离理论，号人焊接接头的疲劳切口系数，揭示了热点应力法进行焊接接头疲劳评定的影响因素，此外，一些学者基于断裂力学理论，将焊接结构的寿命定义为初始裂纹扩展至临界尺寸的循环次数，采用Paris模型进行积分求解.这种方法在描述焊接结构裂纹萌生和短裂纹断裂行为方面还存在许多不完善的地方。首先不同学者对焊缝初始裂纹长度给出了不同的假设（覆盖0.1~0.5mm）[6」，这给疲劳寿命评估带来了极大的不确定性。徐格宁等人7应用蒙特卡罗法估算了起重机焊接箱形梁的疲劳可靠度，通过试验结果反向确定了起重机焊接箱形梁初
收稿日期：2015-02-05
基金项目：国家自然科学基金资助项目（51575408）；湖北省自然科
学基金资助项目（2014CFB803）；武汉工程大学化工装备弱方数辖重安全湖北省重点实验室开放课题 2616KA02
型进行寿命估算不符合焊接结构的扩展机制.Cha-petti等人(*)考虑了短裂纹和长裂纹的不同扩展速率，提出了一种集成短/长裂纹二阶段的断裂力学评定方法.Tang"采用应变能密度因子（SED）作为控制参量，提出了一种统一的跨尺度裂纹模型及其求解算法.
与文献中较常出现的焊接接头不同，工程实践中焊接结构的构造和应力状况更为复杂，裂纹的萌生和扩展模式有很大不同，采用上述方法进行疲劳寿命预估存在很大困难。为此针对焊接结构的典型扩展过程，分别采用S-N曲线法和断裂力学法预估裂纹萌生和扩展2个不同阶段的寿命，提出一种新的疲劳寿命分析方法。
1焊接结构的疲劳裂纹演化过程
通常金属材料的疲劳演化都经历裂纹萌生、稳定扩展和失稳扩展3个阶段，其中失稳扩展阶段很短,因此常将疲劳寿命N，定义为裂纹萌生寿命N 和裂纹扩展寿命N.之和.考虑到焊接结构不可避免地存在焊接缺陷，一般认为裂纹萌生寿命N；很短甚至不存在，常将焊接结构的疲劳寿命N，近似地等于裂纹扩展寿命N..现有研究表明，即使焊接结构中含有焊接缺陷，只要不是裂纹类缺陷，萌生寿命在整个疲劳寿命中仍会占据相当大的比例这种现象