0 前 言目前 ,作为焊接结构疲劳评定的标准有IIW以及本文将要介绍的BS7910等标准。BS7910“金属结构缺陷验收评定方法导则”是英国标准委员会在PD6 493及其发展版本上建立的。在BS7910这个标准中 ,它提供了平面缺陷断裂力学的评定方法、质量等级的评定方法。前一种评定方法是针对平面缺陷的评定方法 ;在实际评定中如果对缺陷有怀疑或不能确定其种类时 ,就要将其视为平面缺陷 ,使用断裂力学的方法进行评定。对结构的疲劳评定的目的就是要评定在役结构中的缺陷对疲劳强度的影响 ,或依据适合于使用的原则估计结构的最大容许尺寸<1～ 3> 。该标准中给出了各种缺陷疲劳评定的具体方法 ,本文将对其逐一介绍。1 BS7910金属结构缺陷的评定方法1.1 平面缺陷的断裂力学评定方法该评定方法是将实际缺陷理想化为尖锐的裂纹 ,然后用断裂力学中的裂纹扩展速率的定律对其从初始裂纹ai 到临界裂纹af 进行积分 ,得出裂纹的扩展寿命N ,如果裂纹的疲劳寿命N大于所要求的疲劳寿命而裂纹的极限尺寸还没有达到 ,则该缺陷ai 可以接受 ,反之则不接受。在裂纹扩展速率与应力强度因子关系的双对数曲线中 ,有一条直线的线性关系曲线或更精确地有两条或多条直线关系曲线的形式。一条线性关系曲线的形式足以适用于从ΔK0 到疲劳破坏的所有ΔΚ值 ,比如ParisandErdogan等定律。标准中使用的疲劳裂纹扩展速率公式如下 :da/dN =A(ΔK) m (1)式中 :A和m为由材料、加载环境、循环频率决定的常数 ;ΔK为应力强度因子范围 ,其计算公式为 :ΔΚ =Y(Δσ) (πa) (2 )将上式 (2 )代入 (1)式 ,得到下面公式并对其从初始裂纹ai 到终止裂纹af进行积分 ,得到裂纹扩展的疲劳寿命N。 ∫afaidaYm(πa) m/2 =A(Δσ) mN (3)当裂纹在非常接近门槛值处扩展时 ,这种情况下就要对公式 (1)进行调整 ,使用有效的应力因子范围ΔKeff。公式 (1)变为如下形式 :da/dN =A(ΔΚeff) m (4)式中 :ΔKeff为ΔK的有效值 ,当最高温度达到 10 0℃时考虑到ΔK接近到门槛值ΔKth,当ΔK <ΔK0 /R(R为循环应力比 ) :ΔKeff=(ΔK -ΔK0 ) / (1-R) (5 )因此 ,公式 (3)的形式变为如下形式 :∫afai(1-R)Y (πa) - ΔΚ0Δσda =A(Δσ) mN (6 )评定中要考虑的应力是在不含缺陷的结构应力分析中计算得到的应力 ;也可以使用实际应力分布或者使用线性化的方法求出应力。评定单一或静态载荷效应时 ,应区分一次应力 (Pm,Pb)和二次应力 (Qm,Qb) ,因为只有前者才导致塑性破坏 ,而二次应力为自平衡应力。评定时还要区分静态和波动应力 ,并且将波动应力当成一次应力处理。残余应力和热应力通常是二次应力 ,但是波动的热应力却要当成一次应力处理。IIWX111- 15 39- 94 /XV - 84 5 - 94在缺少实验情况下得出的Α、m、和ΔKth,推荐下面的值 :对于钢材Α =3× 10 - 3,m =3,ΔKth=190 - 14 4R ;对于铝材Α =8.1× 10 - 12 ,m =3,ΔKth=6 3- 48R<2 > 。而BS7910标准中推荐了几种裂纹扩展速率 ,根据不同的材料、强度及使用环境可以查出相应的常数m ,A和门槛值分别见表 1和表 2。当循环应力比R≥ 0 .5时 ,平均值加两个标准偏差 (平均曲线 + 2SD)的上限值适用所有的焊接接头 ,它对应着 97.7%的存活率。 标准附录中给出了应力强度因子范围的计算方法及相应数据。疲劳评定应力因子范围的公式见 (7)式 ,(7)式中Y(Δσ)考虑一次应力的具体形式见式 (8)。ΔΚ =Y(Δσ) (πa) (7Y(Δσ) p=Mfw
(8)式中 :Pm 为膜应力 ;M为突边修正系数 ;fw 为有限板宽修正系数 ;ktm,ktb为膜应力和弯曲应力修正系数 ;Mkm,Mkb为缺陷位于应力集中部位 (焊趾、焊根 )时的修正系数 ;Mm,Mb 为应力集中系数 ;km 为错位修正系数 ;σm,σb 为线性化后的膜应力和弯曲应力。此外 ,已出版的应力强度因子的解以及数值分析方法或权函数技术也可以使用 ,但是这种方法的依据和结果应该存档。1.2 质量分类评定方法这种评定方法是将含缺陷焊接构件实际的S -N曲线和要求的S -N曲线相比较。如果实际的质量等级等于或大于要求的等级 ,则缺陷可以接受。要求的质量等级是根据含缺陷构件服役条件确定 ,由组件寿命范围的内疲劳载荷与预期的总的循环次数来决定。另外 ,要求的质量等级也可参照接近的设计细节来选择。质量等级S-N曲线不应高于设计细节S -N曲线。标准中提供了Q1到Q10十个等级的评定曲线 ,这些曲线是参照设计要求或者缺陷的实际疲劳强度得出。曲线满足如下方程 :Δσ3N =C (9)式中 :Δσ为应力范围 ;N为循环次数 ;C为常数。每条曲线由应力范围S表达的 ,S是对应 2× 10 6次循环寿命时的值。要求的质量分类按载荷类型确定。常幅载荷时 ,质量分类S -N曲线位于由要求的应力范围和循环寿命确定的点上面。变幅载荷时假设疲劳载荷包括k个载荷块 ,应力范围Δσ1对应n1次循环 ,应力范围Δσ2 对应n2 次循环 ,依次类推。根据Miner准则 ,2× 10 6 次循环的当量应力范围S由下式计算出来 :S =∑j=kj=1Δσ3jnj2× 10 61/ 3(10 )在BS7910质量分类S -N曲线细节表中给出了一系列应力范围S值 ,表中与上面当量值接近且大于它的那个应力范围S即为要求的质量分类等级 (表 3)。表 3 质量等级S -N曲线详细内容质量分类Δσ3 N =C BS7910中的当量设计级别2× 10 6次循环时的应力范围S/MPa钢铝合金Q11.5 2× 10 12 D 913 0Q2 1.0 4× 10 12E 80 2 7Q3 6.3 3× 10 11F 682 3Q44 .3 1× 10 11F2 60 2 0Q5 2 .5× 10 11G 5 0 17Q61.5 8× 10 11W 43 14Q7 1.0 0× 10 11— 3 7 12Q86.14× 10 10 — 3 2 10Q9 3 .89× 10 10— 2 7 9Q10 2 .3 8× 10 10 — 2 3 81.2 .1 平面缺陷的评定评定平面缺陷时 ,使用标准中给出的图先将实际裂纹尺寸a和 2c转换成对应于直前沿裂纹 (即a/2c=0 )的有效初始裂纹ai。然后 ,再求出裂纹的最大允许裂纹尺寸amax。那么 ,缺陷相应的质量分类等级可以按以下方法求出 :根据amax和厚度B在图中读出Sm 值 ,再根据ai 和厚度B读出Si 的值 ,Sm 值和Si 的值代入公式 (11)则可以求出质量分类等级。S =(S3i-S3m) 1/ 3(11)如果 ,amax>>ai 则S =Si。待评定缺陷的质量等级就是表 3中与之接近且大于它的那个S值。1.2 .2 非平面缺陷的评定如果缺陷被确认为非平面缺陷 ,那么就可以按非平面缺陷步骤进行疲劳评定 ,如果对缺陷类型存在怀疑 ,则应按平面缺陷处理。与设计细节S -N曲线相似 ,这里的疲劳失效是指达到穿透破裂。要想考虑其他的失效准则 (即从部分厚度裂纹断裂 ) ,则应该按平面缺陷评定。对夹渣的处理是这样的 ,如果在同一个截面上含有多个夹渣 ,他们应被视为高 2a的平面缺陷。当两个夹渣距离大于 1.2 5倍的缺陷高时 ,则按单个缺陷处理 ,按照给出的最大夹渣长度评定其等级。要求的质量分类与前面所述一致 ,但是当公式(10 )被使用时 ,如果Δσj 小于表 4给出的数值在计算常幅当量应力范围S时则被忽略。表 4 评定非平面缺陷和形状缺陷的最小Δσj质量分类计算S时的最小Δσj/MPa钢铝合金Q14 2 14Q2 3 7 12Q3 3 2 11Q42 89Q5 2 3 8Q62 0 7Q7 17 6Q815 5Q9 12 4Q10 114实际非平面缺陷的评定等级就可以按标准中给出的极限尺寸得出 ,小于极限尺寸的则可以接受。1.2 .3 形状缺陷的评定错位的存在会引起附加应力 ,从而降低焊接接头的疲劳强度。在只承受弯矩或受力方向与焊缝平行时 ,按适合于使用的观点 ,该形状缺陷对疲劳强度无影响。要求的质量分类与上面确定方法相同。当只有错位形状缺陷时 ,如果施加的应力Δσ与附加弯曲应力Δσs 之和不大于表 4中的值时 ,则认为可以接受。另外一种评定方法是 ,裂纹的接受极限以系数Km来确定 :Km=1+ ΔσsΔσ (12 )式中 :Δσs 为附加弯曲应力 ;Δσ为施加的应力。将计算出的结果与标准中给出的Km 值比较 ,得到缺陷相应的质量等级。咬边的评定与错位的评定方法类似。2 讨 论<2 ,4 >IIWXIII- 15 93- 94和XV - 84 5 - 94给出了 12条不同焊接接头 2 0 0万次循环下的疲劳强度———FAT ;BS7910给出了 10条疲劳等级曲线 ,曲线斜率都为 3。IIW给出的各种结构形式的疲劳数据是在实验基础上得出的 ,考虑了焊缝形状引起的应力集中、焊缝尺寸形状偏差、应力方向及残余应力等影响。在考虑应力循环比R时 ,高值残余应力焊件与R无关 ,但薄构件、小尺寸构件以及应力消除构件的疲劳强度与R有关 ,需要进行修正。考虑的焊接接头残余应力的影响 ,BS7910
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