|
1 前言 焊接结构的抗疲劳设计一直是汽车行业领域内的难点，但由于焊接结构具有连续性好、重量轻、易于加工、便于采用自动化生产等优点，在长期承受静态或动态载荷的复杂装备领域得到了广泛应用，特别是焊接工艺技术的不断推陈出新，更是显著地提升了焊接结构在这些产品中的应用地位。但是焊接结构还有不足的一面，即：承受动载荷的焊接接头，由于其几何不连续性而导致应力集中，因而使焊接结构成了产品结构可靠性的薄弱环节之一。而我们在焊接结构抗疲劳设计过程中常常存在以下4种典型误区。 图1 某车减振器支座焊缝开裂 2 误区一：将金属材料抗疲劳强度设计理论与方法不加区分地应用于焊接结构 实际上焊接结构抗疲劳设计的理论与方法和金属材料疲劳强度设计的理论与方法不同，其原因是它们疲劳破坏的机理是有区别的，而且二者不可相互替代。如在定义金属疲劳寿命时，认为金属材料疲劳寿命是“构件疲劳裂纹萌生寿命与裂纹扩展寿命之和”，然而在焊接结构的疲劳开裂过程中裂纹萌生对疲劳寿命的贡献是可以忽略不计的。 在金属材料抗疲劳理论中，使用名义应力法时，是以材料的S-N曲线为基础，而焊接结构的疲劳试验数据已经证明：焊接接头母材的S-N数据不能替代焊接接头的S-N曲线数据，其根本原因是两者具有不同的力学破环机理。 在评估金属材料疲劳寿命时，使用的是考虑应力比R的“修正Goodman图”，即认为疲劳强度随着不同的R值变化。而在焊接结构中，英国焊接研究所的疲劳试验数据早已证明，修正的Goodman图用来处理焊接结构的疲劳问题是不恰当的，理由是由于残余应力的存在，平均应力对焊接接头疲劳寿命的影响基本看不到，而对于金属材料的疲劳则不是这样。 正是由于上述理论认识上的误导，导致设计人员或者决策部门在力图提高焊接结构的抗疲劳能力时，常倾向于选用屈服强度高的母材，他们误认为高屈服强度母材的焊接接头的抗疲劳能力也必然高。对于金属材料疲劳，该观点是正确的。然而对于焊接结构来说，该观点是不成立的。英国标准BS 76081993《钢结构疲劳设计与评估实用标准》已经用数据明确证明，标准中所提供的焊接接头的S-N曲线数据对屈服强度低于700MPa以下的结构钢都适用，这就意味着同一焊接接头，只要使用的母材的屈服强度低于700MPa，例如屈服强度为345MPa的Q345钢与屈服强度为435MPa的Q435钢，他们的S-N曲线数据是没有区别的。关于这一点，国际焊接学会（IIW）在2008年的标准中，甚至将这个屈服强度范围提高到了960MPa。 疲劳载荷相同、几何形状也相同的焊接接头的抗疲劳能力仅由它产生的应力集中控制，而应力集中的高或低则不由母材的屈服强度控制。 3 误区二：将焊接结构的疲劳失效问题归结为焊接质量问题 该认识误区是责任层面上的，即习惯于将焊接结构的疲劳失效主要归结为焊接质量的问题，习惯于从制造质量的角度寻找问题发生的原因。 在过去很长的一段时间里有过这样的教训，焊接质量很差，焊接缺陷严重而导致而导致一些焊缝在短时间内发生疲劳失效。在吸取质量上的教训之后，现阶段焊接质量已经有了明显的改善，但是疲劳失效问题还是继续发生，例如某动车组设备舱裙板焊接支架上焊缝的疲劳开裂，就是其中的一个典型案例。经过非常严格的检查未发现该处焊接质量的任何问题，然而服役不久该结构还是出现了疲劳失效问题。这个案例表明：将应力集中产生的原因简单地归结为焊接质量的问题是不恰当的，应力集中可以产生于制造阶段，也可以产生于设计阶段，不同的阶段应该有不同的责任，虽然逻辑上责任问题不是一个科学问题，但是责任不清导致治理上的错位也不可掉以轻心。 4 误区三：焊接结构内部的残余应力对疲劳寿命有重要影响 该认识误区是关于焊接残余应力影响的问题，即认为焊接结构内部存在复杂的残余应力，且这个残余应力对疲劳寿命有重要的影响，可是这个影响究竟有多大又难以可靠估计。 关于焊接结构残余应力本身，国内许多焊接专家的著作中对残余应力产生的机制都有过详细的阐述，一致认为焊接结构内部存在着相当复杂的残余应力是焊接结构工艺过程的必然结果。然而在谈到残余应力对疲劳寿命或疲劳失效到底有什么影响时，英国焊接研究所的T.R.Gurney博士在他的专著《焊接结构的疲劳》中曾有过这样一段精彩的描述：“把焊接结构的发生的破坏，归咎于残余应力的影响，这种看法并没有几年，但是最近的研究已经趋于要证明这种观点是一种误解，即使在某些情况下残余应力无疑会有危害，但它们并不总是要负主要责任。” 焊接结构的残余应力峰值可以达到材料的屈服强度，由于构件类型、焊接工艺、装配顺序及夹具等影响，残余应力常表现为复杂的分布形式，在进行疲劳评估时，定量计算残余应力的影响在工程上是很困难的，替代方法是确保疲劳性能测试数据包含残余应力的影响（例如S-N曲线数据），这通常要求试件要具有足够的尺寸，这在常用的国际规范和标准中，如EN标准、BS标准、IIW标准及ASME标准，S-N曲线数据中已经包含了残余应力的影响，这样就无须再次单独处理残余应力对疲劳评估结果的影响。 董平沙教授对此有过更深入的研究并给出了结论：“如果有合适的S-N曲线数据，残余应力对焊接结构疲劳的影响并不需要单独考虑。”这里需要强调的是，同样是应力，但是外载荷控制的应力与位移控制的残余应力对裂纹扩展的影响不在一个数量级上，后者远小于前者。如果理解了美国ASME BPVC VII-2-2015中给出的疲劳寿命估算公式的推导过程，残余应力的共享几乎是看不到的。 5 误区四：对于焊接结构的疲劳问题，只重视验证，不重视设计 该认识误区是逻辑层面上的，即能否用辩证的眼光看待疲劳寿命数值仿真与台架疲劳试验这二者之间的关系。 类似于车辆产品的研发主要阶段是设计、制造、验证，可以把这三个阶段比喻成一条河流的上游、中游、下游。 由于形成焊接结构的热物理行为相当复杂，致使一些决策者认为疲劳失效隐患存在与否的检查手段只能是台架上的疲劳试验验证。事实上，对台架上疲劳试验的重视确实是有必要的，但是还应当看到它的“下游属性”，在仅有设计图样的上游设计阶段，如果设计不当，应力集中之类的疲劳隐患就有可能藏匿其中，一旦发生这种上游污染，下游治理的代价是很大的。 当然，焊接结构疲劳寿命的估算结果是概率意义上的统计，由于在数值仿真建模的过程中一些影响因素被简化或忽略，进而导致了仿真计算结果与实际情况的相对误差。但是在建模中如果能抓住主要矛盾，基于仿真计算结果的“设计方案相对比较中选优”则有明确的意义，如果计算手段更科学一些，优选出来的设计方案将更有工程价值。如果在设计阶段这样做，上游应力集中污染的程度将会显著降低或归零，而要能做到这点，除了要有科学的方法之外，还需要用辩证的眼光看待疲劳寿命仿真与台架疲劳试验这二者之间的互补关系。 |
|
|
