焊接結(jié)構(gòu)疲勞設(shè)計或評定過程中,計算或測量應(yīng)力時,應(yīng)注意應(yīng)力類型,不同的應(yīng)力類型對應(yīng)有不同的疲勞強度,或?qū)?yīng)有不同的S-N曲線表達方式。

焊接結(jié)構(gòu)疲勞設(shè)計或評估時應(yīng)當(dāng)注意用什么樣的應(yīng)力類型呢?美國AAR標(biāo)準(zhǔn)及當(dāng)前國內(nèi)使用的應(yīng)力類型主要是名義應(yīng)力;歐洲焊接界使用的應(yīng)力類型主要是名義應(yīng)力,熱點應(yīng)力,或稱之為幾何應(yīng)力,前者用于工程,后者用于研究:而美國從2007年起,在ASME(2007)標(biāo)準(zhǔn)中用的是結(jié)構(gòu)應(yīng)力及等效結(jié)構(gòu)應(yīng)力。

名義應(yīng)力

或稱標(biāo)稱應(yīng)力,概念上,名義應(yīng)力必須是能用材料力學(xué)公式計算出來的具有平均意義的應(yīng)力,它可以貼片測得。在AAR、BS、IIW標(biāo)準(zhǔn)中,S-N曲線是用名義應(yīng)力定義的,但是,工程運用中,當(dāng)焊接接頭的結(jié)構(gòu)復(fù)雜、載荷也復(fù)雜時,這類用材料力學(xué)公式計算的名義應(yīng)力是不存在的,此時,只能用有限元方法獲得焊接接頭上平均意義上的名義應(yīng)力,這時,我們可以稱其為廣義名義應(yīng)力。

由于名義應(yīng)力是平均意義上的應(yīng)力,這是為什么從有限元計算結(jié)果拾取名義應(yīng)力時,不要從“焊縫”上拾取的基本原因。

同時,還要強調(diào)指出:對于機車車輛而言,不論是車體,還是轉(zhuǎn)向架,其焊趾附近的平均意義上的名義應(yīng)力,或?qū)儆趩蜗驊?yīng)力狀態(tài),或?qū)儆陔p向應(yīng)力狀態(tài),拾取時,如果是雙向應(yīng)力狀態(tài),應(yīng)拾取最大主應(yīng)力代表名義應(yīng)力參與計算,具體規(guī)定,見BS、IIW標(biāo)準(zhǔn)。

熱點應(yīng)力

或稱為幾何應(yīng)力,是焊縫接頭焊縫焊趾處的非線性應(yīng)力的一部分,不能用貼片方式直接測得,但是,可以通過一組片外推插值間接獲得,少數(shù)情況下可以用有限元方法獲得,詳細(xì)內(nèi)容見IIW標(biāo)準(zhǔn)。

結(jié)構(gòu)應(yīng)力

是由外力引起的焊縫接頭焊縫焊趾或焊根處上的應(yīng)力,它具有明確的物理意義,可以通過一組片外推插值間接獲得,亦可以用適當(dāng)?shù)挠邢拊椒ǐ@得,它反映了焊址或焊根處的應(yīng)力集中,詳細(xì)內(nèi)容見ASME(2007)標(biāo)準(zhǔn)。

等效結(jié)構(gòu)應(yīng)力壽命

是基于斷裂力學(xué)裂紋擴展表達式,積分獲得的一個參數(shù),且用于計算疲勞壽命。在這個基于斷裂力學(xué)表達式的等效結(jié)構(gòu)應(yīng)力中,不僅考慮了焊接接頭板的厚度的影響、載荷模式的影響,也考慮了應(yīng)力集中的影響,詳細(xì)內(nèi)容見ASME(2007)標(biāo)準(zhǔn)。

多少年來,工程中的S-N曲線一直采用名義應(yīng)力表示(不可將它與用熱點應(yīng)力表示的S-N曲線混為一談,比較而言,后者很難獲得),其歷史原因是,研究總是從簡單問題開始,名義應(yīng)力可以用材料力學(xué)的公式計算,或者用貼片的方法測試,對簡單的焊接接頭而言,名義應(yīng)力是合適的,雖然人們知道疲勞破壞總是發(fā)生在在焊縫上,但是,如何在焊縫上獲得那些應(yīng)力,卻是困難的。

從名義應(yīng)力到熱點應(yīng)力,人們一直沒有停止對焊縫或焊根上的高度非線性應(yīng)力的追求,但是,直到董平沙教授提出了結(jié)構(gòu)應(yīng)力的概念之后,以及2007年美國ASME標(biāo)準(zhǔn)中增加了董平沙教授發(fā)明的《網(wǎng)格不敏感的結(jié)構(gòu)應(yīng)力法及主S-N曲線法》,這個問題才得以根本解決。