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[结构力学] 焊接结构疲劳设计或评定过程中涉及的各种应力

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发表于 2018-3-14 14:22 | 显示全部楼层 |阅读模式

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  焊接结构疲劳设计或评定过程中,计算或测量应力时,应注意应力类型,不同的应力类型对应有不同的疲劳强度,或对应有不同的S-N曲线表达方式。

  焊接结构疲劳设计或评估时应当注意用什么样的应力类型呢?美国AAR标准及当前国内使用的应力类型主要是名义应力;欧洲焊接界使用的应力类型主要是名义应力,热点应力,或称之为几何应力,前者用于工程,后者用于研究:而美国从2007年起,在ASME(2007)标准中用的是结构应力及等效结构应力。

  名义应力
  或称标称应力,概念上,名义应力必须是能用材料力学公式计算出来的具有平均意义的应力,它可以贴片测得。在AAR、BS、IIW标准中,S-N曲线是用名义应力定义的,但是,工程运用中,当焊接接头的结构复杂、载荷也复杂时,这类用材料力学公式计算的名义应力是不存在的,此时,只能用有限元方法获得焊接接头上平均意义上的名义应力,这时,我们可以称其为广义名义应力。

  由于名义应力是平均意义上的应力,这是为什么从有限元计算结果拾取名义应力时,不要从“焊缝”上拾取的基本原因。

  同时,还要强调指出:对于机车车辆而言,不论是车体,还是转向架,其焊趾附近的平均意义上的名义应力,或属于单向应力状态,或属于双向应力状态,拾取时,如果是双向应力状态,应拾取最大主应力代表名义应力参与计算,具体规定,见BS、IIW标准。

  热点应力
  或称为几何应力,是焊缝接头焊缝焊趾处的非线性应力的一部分,不能用贴片方式直接测得,但是,可以通过一组片外推插值间接获得,少数情况下可以用有限元方法获得,详细内容见IIW标准。

  结构应力
  是由外力引起的焊缝接头焊缝焊趾或焊根处上的应力,它具有明确的物理意义,可以通过一组片外推插值间接获得,亦可以用适当的有限元方法获得,它反映了焊址或焊根处的应力集中,详细内容见ASME(2007)标准。

  等效结构应力寿命
  是基于断裂力学裂纹扩展表达式,积分获得的一个参数,且用于计算疲劳寿命。在这个基于断裂力学表达式的等效结构应力中,不仅考虑了焊接接头板的厚度的影响、载荷模式的影响,也考虑了应力集中的影响,详细内容见ASME(2007)标准。

  多少年来,工程中的S-N曲线一直采用名义应力表示(不可将它与用热点应力表示的S-N曲线混为一谈,比较而言,后者很难获得),其历史原因是,研究总是从简单问题开始,名义应力可以用材料力学的公式计算,或者用贴片的方法测试,对简单的焊接接头而言,名义应力是合适的,虽然人们知道疲劳破坏总是发生在在焊缝上,但是,如何在焊缝上获得那些应力,却是困难的。

  从名义应力到热点应力,人们一直没有停止对焊缝或焊根上的高度非线性应力的追求,但是,直到董平沙教授提出了结构应力的概念之后,以及2007年美国ASME标准中增加了董平沙教授发明的《网格不敏感的结构应力法及主S-N曲线法》,这个问题才得以根本解决。

  本文转载自焊接力学微信公众号(ID:welding_mechanics)

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