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對于平板焊接鋼結(jié)構(gòu)的疲勞設(shè)計，按照傳統(tǒng)的焊接細(xì)節(jié)分類法需要嚴(yán)格確定特定接頭幾何形狀和載荷模式下的名義應(yīng)力及相應(yīng)疲勞抗力數(shù)據(jù)，故很大程度上影響了焊接細(xì)節(jié)分類法在工程中的應(yīng)用。為了完善或替代焊接細(xì)節(jié)分類法，針對廣泛存在的結(jié)構(gòu)焊趾疲勞，新發(fā)展的2種適合于有限元分析技術(shù)的表面外推熱點應(yīng)力法和等效結(jié)構(gòu)應(yīng)力法，通過將焊趾結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中考慮在應(yīng)力分析之中，一方面可適應(yīng)有限元強大的應(yīng)力分析技術(shù)，另一方面避免了對疲勞設(shè)計S-N曲線的選擇。表面外推熱點應(yīng)力法在國內(nèi)相關(guān)行業(yè)的應(yīng)用研究已得到普遍關(guān)注。而等效結(jié)構(gòu)應(yīng)力法雖然在2007版ASME鍋爐及壓力容器標(biāo)準(zhǔn)、以及API/ASME合于使用性評定標(biāo)準(zhǔn)中均推薦將其應(yīng)用于焊縫疲勞分析，但至今國內(nèi)尚未有技術(shù)文獻(xiàn)詳細(xì)介紹。有鑒于此，本文在闡述、分析等效結(jié)構(gòu)應(yīng)力法的基礎(chǔ)上將它與表面外推熱點應(yīng)力法進(jìn)行對比，研究分析2種方法各自存在的優(yōu)勢和局限性，以及在實際工程的結(jié)構(gòu)疲勞設(shè)計中的合理應(yīng)用方式。
等效結(jié)構(gòu)應(yīng)力法是1種新型焊接結(jié)構(gòu)疲勞壽命預(yù)測技術(shù)，可廣泛應(yīng)用于不同工業(yè)領(lǐng)域的各類形式焊接承載部件的焊趾疲勞分析，如壓力容器、管道、海上平臺、船舶、地面車輛等結(jié)構(gòu)的管件及平板焊接接頭。該方法主要基于以下2項關(guān)鍵技術(shù)：①考慮焊趾部位的結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中效應(yīng)，應(yīng)用改進(jìn)線性化法或節(jié)點力法分析其結(jié)構(gòu)應(yīng)力(即熱點應(yīng)力)，確保計算結(jié)果對有限單元類型、網(wǎng)格形狀及尺寸均不敏感，從而有效區(qū)分不同接頭類型的焊趾結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中情形；②以結(jié)構(gòu)應(yīng)力為控制參數(shù)計算應(yīng)力強度因子，在主要考慮焊趾缺口、結(jié)構(gòu)板厚、載荷模式等因素影響的基礎(chǔ)上，基于斷裂力學(xué)分析確定與疲勞壽命直接相關(guān)的應(yīng)力參數(shù)，導(dǎo)出等效結(jié)構(gòu)應(yīng)力轉(zhuǎn)化方程。進(jìn)而將其應(yīng)用于處理疲勞試驗結(jié)果數(shù)據(jù)，構(gòu)建出單一通用的疲勞設(shè)計主S-N曲線，從而基于等效結(jié)構(gòu)應(yīng)力并結(jié)合該主S-N曲線進(jìn)行焊接結(jié)構(gòu)的疲勞強度評定及壽命預(yù)測。在焊趾缺口附近沿板厚方向的應(yīng)力分布通常是非線性的，焊趾部位垂直于豎向假設(shè)裂紋面的實際正應(yīng)力分布如圖所示。按平衡等效條件，該實際缺口的正應(yīng)力可分解為沿板厚t分布的膜正應(yīng)力σm、彎曲正應(yīng)力σb和非線性正應(yīng)力峰值σp，結(jié)構(gòu)應(yīng)力即定義為焊趾表面膜正應(yīng)力和彎曲正應(yīng)力之。若已知板厚t方向的正應(yīng)力分布函數(shù)σ(x)，則結(jié)構(gòu)應(yīng)力σs可通過常規(guī)的線性化法確定。
在實際中通常不能應(yīng)用式計算結(jié)構(gòu)應(yīng)力。因為焊趾前沿為幾何不連續(xù)區(qū)域，局部應(yīng)力集中主要受控于自平衡的非線性應(yīng)力分布，在理想有限元模型中該部位為應(yīng)力奇異點，故應(yīng)力分析結(jié)果對單元類型、網(wǎng)格形狀及網(wǎng)格尺寸等因素極為敏感；對于焊接結(jié)構(gòu)工程分析中應(yīng)用最多的板殼有限元模型，幾何不連續(xù)處單元的應(yīng)力分析結(jié)果是符合板殼理論的收斂解，實際焊趾處的局部應(yīng)力被強制服從板殼理論，應(yīng)力在板厚方向呈線性化分布，但有別于按式計算出的結(jié)構(gòu)應(yīng)力。
為消除或降低結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析結(jié)果對網(wǎng)格的敏感性，等效結(jié)構(gòu)應(yīng)力法建議可采用改進(jìn)線性化進(jìn)行計算(主要針對三維實體模型)，如圖所示。結(jié)構(gòu)應(yīng)力的平衡等效條件不但要在假設(shè)裂紋面A-A處滿足，還需在其臨近參考面B-B處滿足。對于結(jié)構(gòu)應(yīng)力沿板厚方向呈單調(diào)分布的情形，當(dāng)截面A-A和B-B間表面無外力作用且可忽略慣性力時，組成結(jié)構(gòu)應(yīng)力的膜正應(yīng)力和彎曲正應(yīng)力計算。
針對改進(jìn)線性化法結(jié)構(gòu)應(yīng)力計算，文獻(xiàn)—文獻(xiàn)進(jìn)行的大量對比研究表明，在三維應(yīng)力集中情況下結(jié)構(gòu)應(yīng)力對網(wǎng)格的敏感性并不能得到完全解決。文獻(xiàn)對這一問題的解釋是：等效結(jié)構(gòu)應(yīng)力法的結(jié)構(gòu)應(yīng)力對網(wǎng)格不敏感性根本上應(yīng)采用節(jié)點力法實現(xiàn)，改進(jìn)線性化法僅在網(wǎng)格尺寸可足夠準(zhǔn)確描述分析部位幾何特征的情形下作為1種可選方法。
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