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基于缺口应力法的转向架焊接接头疲劳性能分析

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铁道学报 2017年第3期39卷 42-48页

作者：刘旭周春平张开林姚远西南交通大学牵引动力国家重点实验室四川成都610031 成都工业职业技术学院轨道交通工程系四川成都610218

缺口应力法作为焊接结构疲劳设计的新方法以其较高的准确性而得到越来越广泛的应用。鉴于铁道车辆焊接结构尚未建立可靠的缺口疲劳寿命曲线,根据当前转向架焊接接头疲劳试验所提供的数据进行了缺口疲劳分析。疲劳试验名义应力数据源自... 详细信息

缺口应力法作为焊接结构疲劳设计的新方法以其较高的准确性而得到越来越广泛的应用。鉴于铁道车辆焊接结构尚未建立可靠的缺口疲劳寿命曲线,根据当前转向架焊接接头疲劳试验所提供的数据进行了缺口疲劳分析。疲劳试验名义应力数据源自构架常用材料S355J2所生产的2种焊接接头试样,包括低缺口效应的对接接头和高缺口效应的十字角接头。采用经验公式法和有限元方法对焊接接头的焊趾焊根缺口应力集中系数进行了分析,联合疲劳试验下的名义应力数据建立了转向架焊接接头的缺口疲劳寿命曲线。通过与IIW标准推荐的缺口疲劳曲线FAT225相比较,该曲线具有相当的疲劳等级和更小的曲线斜度;同时从差异系数的角度证明了缺口应力法比名义应力法具有更小的分散性。

关键词：焊接接头缺口应力法 S-N曲线缺口应力集中系数 IIW标准

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薄板焊接接头疲劳性能的缺口应力法研究

天津大学学报（自然科学与工程技术版） 2023年第9期56卷 903-910页

作者：龚宝明刘强赵洋洋宋宗贤邓彩艳天津大学材料科学与工程学院天津300350 天津中德应用技术大学航空航天学院天津300350

薄板不锈钢焊接结构在现代工业结构中应用广泛,在实际运行过程中会不可避免地承受动态载荷,导致结构疲劳失效,因而建立其可靠的疲劳评估方法对结构安全运行具有重要意义.相比于名义应力法和热点应力法,缺口应力法能够有效反映焊缝几何... 详细信息

薄板不锈钢焊接结构在现代工业结构中应用广泛,在实际运行过程中会不可避免地承受动态载荷,导致结构疲劳失效,因而建立其可靠的疲劳评估方法对结构安全运行具有重要意义.相比于名义应力法和热点应力法,缺口应力法能够有效反映焊缝几何形状对局部应力集中的影响,可以同时应用于焊趾失效和焊根失效复杂结构疲劳强度评估,且不受接头形式、载荷类型的影响.该方法通过在缺口处引入虚拟半径来避免缺口处应力奇异和应力偏高的问题.然而,现行设计规范IIW推荐的虚拟半径仅适用于板厚大于5 mm的钢和铝合金结构,不适用于薄板结构.本文针对工业结构中广泛应用的薄板奥氏体不锈钢焊接接头进行疲劳试验,利用有限元软件ABAQUS建立试样的二维缺口应力模型,计算得到不同试样的有效缺口应力集中系数,确定了有效缺口应力S-N曲线,并与研究现状中推荐的具有相同存活率的疲劳寿命曲线进行比较.结果表明,研究现状中推荐的疲劳寿命曲线并不完全适用于薄板奥氏体不锈钢焊接接头疲劳寿命评估.从S-N曲线分散带宽度角度出发,建立不同虚拟缺口半径对应的有限元模型,计算得到相应的有效缺口应力S-N曲线.结果表明,采用rref=0.1 mm虚拟半径时对应的S-N曲线分散带宽度最小,对应缺口应力S-N曲线(m=5,FAT619),为薄板奥氏体不锈钢焊接结构在服役条件下的疲劳评估提供了理论和实践依据.

关键词：疲劳评估缺口应力法虚拟半径

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基于缺口应力法的焊接接头疲劳分析

工程力学 2016年第6期33卷 209-214,249页

作者：刘旭张开林姚远王晓鹏西南交通大学牵引动力国家重点实验室四川成都610031

等效缺口应力法作为焊接疲劳分析的一种局部方法,不仅克服了焊接结构名义应力难以确定和焊根结构应力无法定义的困难,而且能够反映焊接局部后处理对焊接接头疲劳强度的影响,因此近年来备受关注。该文建立了典型焊接接头的三维缺口应力模... 详细信息

等效缺口应力法作为焊接疲劳分析的一种局部方法,不仅克服了焊接结构名义应力难以确定和焊根结构应力无法定义的困难,而且能够反映焊接局部后处理对焊接接头疲劳强度的影响,因此近年来备受关注。该文建立了典型焊接接头的三维缺口应力模型,对焊趾根部的缺口应力集中系数进行了求解;通过对对接接头和纵向角接头在焊后未处理(AS-weld)和超声喷丸处理(UPT)两种状态下的疲劳试验数据进行分析处理,获得了两种焊接接头在缺口应力系统下统一的S-N曲线,并与目前国际焊接学会所推荐的具有相同存活率的疲劳寿命曲线(IIW:m=3,FAT=225)进行比较,结果表明,该曲线具有更高的疲劳等级和更低的斜度。

关键词：焊接接头疲劳等级缺口应力法 S-N曲线超声喷丸处理

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缺口应力法在铸钢节点环形对接焊缝疲劳分析中的应用

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缺口应力法在铸钢节点环形对接焊缝疲劳分析中的应用

作者：金传领东南大学

学位级别：硕士

铸钢节点是一种采用预制铸型整体浇铸而成的节点,相比于传统焊接节点有着设计自由度大,外形美观以及优异的力学性能等诸多优点,因此在建筑、桥梁及海洋工程等大跨度空间结构中应用十分广泛。采用铸钢节点最大的优势是可以改善整体结构... 详细信息

铸钢节点是一种采用预制铸型整体浇铸而成的节点,相比于传统焊接节点有着设计自由度大,外形美观以及优异的力学性能等诸多优点,因此在建筑、桥梁及海洋工程等大跨度空间结构中应用十分广泛。采用铸钢节点最大的优势是可以改善整体结构的抗疲劳性能,在承受疲劳荷载的结构众多的失效形式中,疲劳破坏是其中最主要的一种破坏形式。而铸钢节点的抗疲劳性能则主要受控于铸钢节点环形对接焊缝的抗疲劳性能,由于该焊缝结构的特殊性,目前关于这方面的研究还较少,不够深入。本文以此为出发点,采用缺口应力法研究铸钢节点环形对接焊缝的疲劳性能。(1)分析了国内几种常见形式的铸钢节点环形对接焊缝结构形式及其特殊性,详细比较了名义应力法、热点应力法和缺口应力法在结构疲劳性能评估中各自的优劣,突出缺口应力法所具有的独特优势,明确缺口应力法更适合用于本文特殊焊缝的疲劳性能研究。(2)将子结构法与缺口应力法相结合运用到对接焊缝疲劳性能评估中,减少了有限元模型计算时间提高计算效率,验证了该方法在铸钢节点环形对接焊缝疲劳性能评估中的适用性。此外,在IIW规范的基础上分析了虚拟缺口半径与结构几何尺寸之间的关系,给出了与结构几何尺寸相关联的虚拟缺口半径取值区间范围。其次对铸钢节点环形对接焊缝焊根处的缺口应力与结构几何尺寸之间的关系作了参数分析。(3)考虑到缺口应力法在评估结构疲劳性能时计算步骤的复杂性以及较大的计算量,本文将一种简化的外推缺口应力法应用到铸钢节点环形对接焊缝疲劳问题的研究中。首先介绍了该方法的原理,然后结合C型细节的铸钢节点对接焊缝,分析了与结构相关的重要参数并验证了在有限元计算中单元网格的敏感性,建立若干有限元模型并进行大量数值计算,依次推导出了节点在拉伸时焊趾和焊根处的缺口应力以及弯曲时焊趾处的缺口应力值。对比缺口应力法的计算结果,验证了该方法在本文研究对象中的适用性与所给出的外推公式的准确性。外推缺口应力方法的应用可以为铸钢节点疲劳性能的评估提供便捷与更多的选择。(4)将数值模拟与试验数据相结合,计算了试件焊缝焊根处的缺口应力集中系数,根据缺口应力幅与疲劳寿命数据,在考虑国际焊接协会标准中所给的缺口应力疲劳寿命曲线的基础上,采用数据拟合的方法分别给出了适用于A、C两种焊接细节铸钢节点的缺口应力S-N曲线表达式,以期为今后铸钢节点环形对接焊缝疲劳性能的评估提供参考。

关键词：铸钢节点环形对接焊缝缺口应力法疲劳寿命评估缺口应力S-N曲线

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基于缺口应力法的焊接接头疲劳强度评估

武汉理工大学学报（交通科学与工程版） 2017年第5期41卷 766-769,775页

作者：严仁军何丰谌伟武汉理工大学交通学院武汉430063

在现有的焊接接头疲劳评估方法中,S-N曲线法的运用最为广泛,但是该方法主要考虑的结构的名义应力,很难运用到复杂结构或者复杂载荷下的求解.对于复杂接头形式的应力分析应根据其几何应力作必要的修正,缺口应力为含有缺口的复杂焊接接头... 详细信息

在现有的焊接接头疲劳评估方法中,S-N曲线法的运用最为广泛,但是该方法主要考虑的结构的名义应力,很难运用到复杂结构或者复杂载荷下的求解.对于复杂接头形式的应力分析应根据其几何应力作必要的修正,缺口应力为含有缺口的复杂焊接接头的疲劳强度评估开辟了新的思路.以对接接头、纵向角接头以及T形接头为研究对象,根据IIW的相关规定,采用缺口应力评估焊接接头的疲劳强度.结果表明,采用缺口应力评估焊接接头疲劳强度时,疲劳数据的离散性较小;IIW推荐的缺口应力S-N曲线仅适用于角焊缝接头,但对对接接头的疲劳评估,得到的结果偏危险.

关键词：焊接接头缺口应力法 S-N曲线离散性

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基于缺口应力法的焊接接头多轴疲劳准则研究

基于缺口应力法的焊接接头多轴疲劳准则研究

作者：何丰武汉理工大学

学位级别：硕士

疲劳破坏是船舶与海洋工程结构物的主要破坏形式之一,船舶与海洋结构物中大多数焊接结构均处在多轴受力状态。目前应用于多轴疲劳强度评估的准则有很多,但是对于哪一种准则的适用范围更广、评估精度更高,研究人员仍然没有统一观点。因此... 详细信息

疲劳破坏是船舶与海洋工程结构物的主要破坏形式之一,船舶与海洋结构物中大多数焊接结构均处在多轴受力状态。目前应用于多轴疲劳强度评估的准则有很多,但是对于哪一种准则的适用范围更广、评估精度更高,研究人员仍然没有统一观点。因此,比较分析常用的多轴疲劳评估准则的评估结果,并在此基础上进行修正,提出一种更适用的多轴疲劳准则具有重要意义。为了提出一种能够广泛应用于焊接接头多轴疲劳评估的准则,本文将IIW推荐的缺口应力法运用到焊接接头多轴疲劳评估中。首先,基于缺口应力法重新评估焊接接头单轴疲劳强度,对比缺口应力评估结果与名义应力评估结果的差异,分析IIW推荐的单轴缺口应力S-N曲线用于不同焊接接头单轴疲劳强度评估时的适用情况。结果表明,IIW推荐的单轴缺口应力S-N曲线适用于角焊缝接头的疲劳评估,但并不适用于对接接头的疲劳评估。通过对缺口应力法评估结果的分析,对于对接接头,缺口应力S-N曲线应定义为:疲劳等级FAT为215MPa,曲线斜率m为4。而后,基于缺口应力法评估焊接接头多轴疲劳强度,针对缺口应力方法的特点,提出了缺口应力分量的局部坐标下的简化表达方式,导出了缺口局部坐标系下,各缺口应力分量的计算公式。在此基础上,采用六种基于应力的多轴疲劳准则评估焊接接头多轴疲劳强度,疲劳试验的加载方式包括比例加载与非比例加载两种。研究的六种准则分别为:von Mises准则、IIW准则、EESH准则、C-S准则、Findley准则以及MWCM准则。通过对比分析这六种准则评估结果的安全性与精度发现,Findley准则对多轴疲劳评估的适应性较好。最后,通过对Findley准则中评估参量的分析,借鉴IIW准则以及EESH准则中有关非比例修正的思想,分析临界面上正应力范围与剪应力范围的比值以及多轴载荷间的相位差(非比例度)对焊接接头多轴疲劳强度的影响,提出了修正Findley准则。采用提出的修正Findley准则重新评估焊接接头多轴疲劳强度,分析评估结果的安全性与精度。结果表明,采用修正Findley准则评估焊接接头多轴疲劳强度时,得到的评估结果精度更高。通过对评估结果进行分析,得出相应的缺口应力S-N曲线:疲劳等级FAT为373MPa,曲线斜率m为4.8。

关键词：焊接接头多轴疲劳准则缺口应力法修正Findley准则

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基于缺口应力法的焊接接头疲劳评估模型研究

基于缺口应力法的焊接接头疲劳评估模型研究

作者：胡鑫武汉理工大学

学位级别：硕士

焊接结构广泛应用于船舶与海洋结构物中,在风浪流载荷的联合作用下,疲劳失效是其主要的失效模式之一。在高周疲劳评估领域,以微结构支撑理论为基础的缺口应力法作为一种新兴的疲劳评估方法,能考虑包括焊缝轮廓,焊接错位,尺寸效应等对疲... 详细信息

焊接结构广泛应用于船舶与海洋结构物中,在风浪流载荷的联合作用下,疲劳失效是其主要的失效模式之一。在高周疲劳评估领域,以微结构支撑理论为基础的缺口应力法作为一种新兴的疲劳评估方法,能考虑包括焊缝轮廓,焊接错位,尺寸效应等对疲劳强度的影响,同时仅需一条S-N曲线就可以评估所有种类的接头,因而具有广阔的工程应用前景。然而,目前国内外相关研究尚处于探索阶段。针对此,从两个角度展开工作:一方面,基于国际焊接协会(IIW)相关规范,应用1mm虚拟半径进行疲劳评估,系统地建立了包括焊后无处理接头(as-weld)和经HFMI处理的接头的单轴与多轴疲劳评估模型;另一方面,支撑系数S是决定虚拟半径取值的重要因素,分析了不同几何参数下的S值变化规律,为虚拟半径取值的完善化作出了一定的贡献。主要的研究内容与成果包括:(1)缺口应力集中系数K是应用缺口应力法进行分析的一个重要参量,基于线弹性有限元,研究了具有不同尺寸参数的典型焊接接头在不同载荷下应力集中系数,结果表明:在较小的焊趾切口半径r下,板厚t与焊趾倾角θ对应力集中程度的影响更显著,并推荐使用无量纲参量t/r评估接头的应力集中系数。(2)采用国际焊接协会(IIW)相关规范中所推荐的1mm虚拟半径进行分析,探讨了IIW针对焊后无处理接头所推荐的两条S-N曲线的安全性,结果表明:对于单轴拉伸或纯弯曲疲劳载荷,IIW所推荐的S-N曲线(FAT=225MPa,m=3)评估结果是安全的;对于单轴纯扭转疲劳载荷,IIW所推荐的S-N曲线(FAT=160MPa,m=5)评估结果偏保守,可保持曲线斜度m=5不变,适当提高疲劳等级FAT值至200MPa以下;对于多轴疲劳载荷,使用IIW推荐的参考S-N曲线(FAT=225MPa,m=3)进行评估时,循环次数在10～10范围内时评估结果可能偏危险,而大于10次时,结果将偏于保守。经分析得到了具有更高的疲劳等级和更低的倾斜度的S-N曲线(FAT=430MPa,m=6),同时适用于比例加载与非比例加载;而对于经HFMI处理的接头单轴疲劳强度,SWT模型能综合考虑应力比R与屈服强度f对疲劳强度的影响,基于该模型,分析得到了用于疲劳评估的S-N曲线(FAT=325MPa,m=6.5)。(3)以平面应变条件下的对接焊缝为例,探讨了不同几何参数下支撑系数S值的变化规律,结果表明S值与板厚t相关,即S存在“板厚效应”。(4)对比发现统一化的1mm的虚拟半径取值下单轴疲劳与多轴疲劳试验数据点分布呈现与板厚相关的特性,并结合支撑系数S的“板厚效应”,提出可根据不同板厚引入不同大小的虚拟半径进行分析的新模型,该模型能有效降低试验数据点分散带。

关键词：焊接结构疲劳强度缺口应力法模型 S-N曲线支撑系数

基于缺口应力法与非线性损伤模型的钢桥疲劳可靠度评估

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公路工程 2021年第3期46卷 1-11,25页

作者：徐岳王树东梁鹏贺敏赵玄赵云鹏长安大学公路学院陕西西安710064 桥梁结构安全技术国家工程实验室(长安大学基地) 陕西西安710064

为解决钢桥疲劳评估方法中存在的适用性与准确性问题,从提高应力数据与损伤模型准确性角度,将缺口应力法与非线性损伤模型相结合,提出基于缺口应力法与非线性损伤模型的钢桥疲劳评估可靠度方法。首先,提出建立钢箱梁整体与局部有限元模... 详细信息

为解决钢桥疲劳评估方法中存在的适用性与准确性问题,从提高应力数据与损伤模型准确性角度,将缺口应力法与非线性损伤模型相结合,提出基于缺口应力法与非线性损伤模型的钢桥疲劳评估可靠度方法。首先,提出建立钢箱梁整体与局部有限元模型的子模型方法,借助虚拟缺口半径法,计算符合实际边界条件的疲劳缺口系数。其次,引入非线性损伤模型,并考虑线性损伤模型中的Miner临界累积损伤指数与误差因子的作用,推导修正的非线性损伤极限状态方程。然后,为准确获得极限状态方程中的参数分布,以小时为单位,对疲劳损伤进行拟合。最后,以某悬索桥长期健康监测数据为依托,对非线性损伤可靠度指标进行分析,结果表明:各小时线性损伤服从对数正态分布,桥梁在100 a的线性与非线性损伤的可靠度指标分别为1.5961与1.0893,低于允许值1.6449,需要维修加固;相比于线性损伤模型,非线性损伤模型的结果将更加保守。

关键词：缺口应力法虚拟缺口半径法非线性损伤模型疲劳可靠度评估正交异性钢桥面板 JC法蒙特卡洛法

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基于缺口应力法的薄板焊接接头疲劳性能评估

重庆建筑 2024年第2期23卷 30-32页

作者：郜延辉管德清长沙理工大学土木工程学院湖南长沙410114

为验证缺口应力法在板厚小于5 mm的薄板焊接接头疲劳评估的适用性,开展了Q345qD薄板焊接接头疲劳性能试验,获得了薄板焊接接头疲劳试验数据,结合有限元分析计算的焊接接头缺口应力集中系数,绘制了缺口应力疲劳寿命曲线,确定了薄板焊接... 详细信息

为验证缺口应力法在板厚小于5 mm的薄板焊接接头疲劳评估的适用性,开展了Q345qD薄板焊接接头疲劳性能试验,获得了薄板焊接接头疲劳试验数据,结合有限元分析计算的焊接接头缺口应力集中系数,绘制了缺口应力疲劳寿命曲线,确定了薄板焊接接头疲劳曲线斜度值和疲劳等级值,与已有研究成果进行比较,发现Q345qD薄板焊接接头具有更高的疲劳曲线斜度值和疲劳等级值,研究结果可供实际工程中疲劳性能评估做参考。

关键词：缺口应力法虚拟缺口半径薄板焊接接头疲劳寿命曲线