动载焊接结构强度及设计--断裂力学

高速动车组钢制焊接结构疲劳强度的研究方法对比分析摘要：伴随我国经济的快速增长，推动了铁路运输的发展步伐，列车承载结构使用日益趋于多样化。

在物质生活提高的当今社会，人们对于铁路交通运输安全性要求越来越高，虽然动车组的出现在很大程度上满足了人们需求，但是对于动力转向架焊接架构载荷提出了较高的要求。

基于此本文重点针对高速动车组钢制焊接结构疲劳强度中的名义应力法、热点应力法、缺口应力法、等效结构应力法进行了对比分析，主要从原理、优劣点进行了阐述，希望为工程设计人员合理评估高速动车组钢制焊接结构疲劳强度提供依据。

关键词：高速动车组；钢制焊接结构；疲劳强度；研究方法引言目前我国机车车辆各关键承载部件的疲劳强度的评估主要是参照European Rail Research Institute B12/RPl7报告给出的方法和Goodman曲线进行评定。

在高速动车组钢制焊接结构的强度评估中，被参考较多的是日本的JIS E 4207标准，但是该标准中的疲劳容许应力的测试条件不够明确，其数值的适用性也有待检验，导致工程技术人员在进行钢制焊接结构的强度评估时无法很好的把握。

鉴于此，该文针对高速动车组钢制焊接结构疲劳强度评估中的疲劳容许应力展开分析验证，以期为减少焊缝的打磨工作量，需要得到准确的实际接头的疲劳性能，对比打磨与非打磨焊缝的差异，为降本增效提供数据支撑。

1高速动车组钢制焊接结构疲劳强度名义应力法原理及优缺点1.1原理名义应力法是根据应力和应力集中系数，以结构的名义应力为实验和寿命估算的基础，结合材料的S-N曲线，按线性累积损伤理论估算结构疲劳寿命。

名义应力是忽略焊接接头的局部应力增长效应，而在所研究的截面中计算出来的应力由于复杂的几何效应，焊接接头无明确定义名义应力，且结构的不连续性与分类构件细节没有可比性。

这种计算方法适用于焊趾的评估。

名义应力的计算：材料力学的梁理论计算公式：式中： -广义名义应力； -因为宏观几何不连续进而导致的应力集中因数； -因为焊接接头错位导致的应力集中因数，此因数由轴向的错位和角度偏差共同决定，分别记为和，按公式（1）计算，即可得到。

♦断裂力学是为解决机械结构断裂问题而发展起来的力学分支，它将力学、物理学、材料学以及数学、工程科学紧密结合，是一门涉及多学科专业的力学专业课程。

♦本课程将简要介绍断裂的工程问题、能量守恒与断裂判据、应力强度因子、线弹性和弹塑性断裂力学基本理论、裂纹扩展、J积分以及断裂问题的有限元方法等内容。

♦当机械结构带有裂纹时，判断机械结构发生断裂的时机，不能用屈服判据，而应该寻求新的断裂判据。

♦现代断裂力学（fracture mechanics）这门学科，就在这种背景下诞生了。

从上世纪五十年代中期以来，断裂力学发展很快，目前线性理论部分已比较成熟，在工程方面，已广泛应用于宇航、航空、海洋、兵器、机械、化工和地质等许多领域。

断裂力学的关键问题（一）1．多小的裂纹或缺陷是允许存在的，即此小裂纹或缺陷不会在预定的服役期间发展成断裂时的大裂纹？2．多大的裂纹就可能发生断裂，即用什么判据判断断裂发生的时机？3．从允许存在的小裂纹扩展到断裂时的大裂纹需要多长时间，即机械结构的寿命如何估算？以及影响裂纹扩展率的因素。

4．在既能保证安全，又能避免不必要的停产损失，探伤检查周期应如何安排？5．万一检查时发现了裂纹，该如何处理？断裂力学的关键问题（二）1.什么材料比较不容易萌生裂纹？2.什么材料可以容许比较长的裂纹存在而不发断裂？3.什么材料抵抗裂纹扩展的性能较好？4.怎样冶炼、加工和热处理可以得到最佳效果？前五个问题可以用断裂力学的方法来解决；后面四个问题则属于材料或金属学的领域。

因此，断裂是与力学、材料和工程应用有关的问题。

应综合力学、材料学和工程应用等方面着手研究。

解决断裂问题的思路为解决上面所提的工程问题和材料问题，对于含裂纹的受力机械零件或构件，必须先找到一个能表征裂纹端点区应力应变场强度(intensity)的参量，就象应力可以作为裂纹不存在时的表征参量一样。

解决断裂问题的思路—科学假说（续）因为断裂的发生绝大多数都是由裂纹引起的，而断裂尤其是脆性断裂，一般就是裂纹的失稳扩展。

动载焊接结构强度及其设计⒈概述 ⒈1 载荷的分类与破坏形式结构承受载荷的性质（拉、压、扭转、剪切）、大小、方向、作用位置中一项或多项不断变化（疲劳）或变化过大、过速（冲击）的情况都属于动载。

疲劳是结构失效的基本形式，约占结构失效总量的80～90％ 。

冲击载荷容易造成结构的脆性破坏。

造成脆性破坏，或加速疲劳破坏的原因可能是结构形式不佳（如应力集中严重）或结构工作环境的恶化（如环境温度变得过低，使材料材质变脆；或环境介质腐蚀性强，使结构缺陷加深增大）等。

疲劳破坏和脆性破坏都属于低应力破坏，发生破坏时的工作应力可能只有结构材料屈服极限s σ的1／2，1／5，1／10，甚至没有外载荷。

例如，历史上曾经发生的破坏事件：海面上本来风平浪静，船舶却突然开裂破坏；火车尚未到达大桥，大桥却突然先行倒塌。

人类已经为突发性的低应力破坏付出了太多、太沉重的代价。

科研工作者为研究低应力破坏的机理、规律、预防措施等，做出了巨大贡献，我们应当认真学习研究这些知识，预防低应力破坏事件的发生。

⒈2结构脆性断裂的特点 (什么是脆性断裂?它有何特点?)⑴ 名义工作应力低: 只有材料s σ的1／3～1／10，甚至外载荷等于零（如图1宽板焊接接头的实验结果）。

⑵ 断裂之前无明显塑性变形，无征兆，突发断裂。

⑶ 低应力脆性破坏多发生在低温阴冷的时刻。

以上三个特点，让人猝不及防，容易造成严重危害。

⑷ 发生低应力脆性断裂的结构内，多半存在着较大的内应力，有较高的内能。

⑸ 发生低应力脆性断裂的结构上，必有裂源或应力集中点存在。

脆性断裂对缺陷和应力集中很敏感。

后两个特点，反映了低应力脆性断裂的必然性，并非无缘无故发生。

⒈3 固体体内的裂纹和缺陷，导致其发生低应力脆性断裂。

使材料的实际断裂强度只有其理论强度的1／10 ～ 1／1000。

对这一现象作如下分析：⑴ 一个L B ⋅⋅δ的微裂纹体（图2），1=δ，在平均力F的作用下，伸长了L ∆长，两端固定起来（相当于被均匀拉伸的弹性体的一个局部）。

目录第一章绪论§断裂力学的概念任何一门科学都是应一定的需要而产生的，断裂力学也是如此。

一提到断裂，人们自然而然地就会联想到各种工程断裂事故。

在断裂力学产生之前，人们根据强度条件来设计构件，其基本思想就是保证构件的工作应力不超过材料的许用应力，即σ≤[σ]～安全设计安全设计对确保构件安全工作也确实起到了重大的作用，至今也仍然是必不可少的。

但是人们在长期的生产实践中，逐步认识到，在某些情况下，根据强度条件设计出的构件并不安全，断裂事故仍然不断发生，特别是高强度材料构件，焊接结构，处在低温或腐蚀环境中的结构等，断裂事故就更加频繁。

例如，1943～1947年二次世界大战期间，美国的5000余艘焊接船竟然连续发生了一千多起断裂事故，其中238艘完全毁坏。

1949年美国东俄亥俄州煤气公司的圆柱形液态天然气罐爆炸使周围很大一片街市变成了废墟。

五十年代初，美国北极星导弹固体燃料发动机壳体在试验时发生爆炸。

这些接连不断的工程断裂事故终于引起了人们的高度警觉。

特别值得注意的是，有些断裂事故竟然发生在σ<<[σ]的条件下，用传统的安全设计观点是无法解释的。

于是人们认识到了传统的设计思想是有缺欠的，并且开始寻求更合理的设计途径。

人们从大量的断裂事故分析中发现，断裂都是起源于构件中有缺陷的地方。

传统的设计思想把材料视为无缺陷的均匀连续体，而实际构件中总是存在着各种不同形式的缺陷。

因此实际材料的强度大大低于理论模型的强度。

断裂力学恰恰是为了弥补传统设计思想这一严重的缺陷而产生的。

因此，给断裂力学下的定义就是断裂力学是研究有裂纹（缺陷）构件断裂强度的一门学科。

或者说是研究含裂纹构件裂纹的平衡、扩展和失稳规律，以保证构件安全工作的一门科学。

断裂力学在航空、机械、化工、造船、交通和军工等领域里都有广泛的应用前景。

它能解决抗断设计、合理选材、制定适当的热处理制度和加工工艺、预测构件的疲劳寿命、制定合理的质量验收标准和检修制度以及防止断裂事故等多方面的问题，因此是一门具有高度实用价值的学科。

断裂力学与断裂韧性3.1 概述断裂是工程构件最危险的一种失效方式，尤其是脆性断裂，它是突然发生的破坏，断裂前没有明显的征兆，这就常常引起灾难性的破坏事故。

自从四五十年代之后，脆性断裂的事故明显地增加。

例如，大家非常熟悉的巨型豪华客轮－泰坦尼克号，就是在航行中遭遇到冰山撞击，船体发生突然断裂造成了旷世悲剧！按照传统力学设计，只要求工作应力σ小于许用应力[σ]，即σ<[σ],就被认为是安全的了。

而[σ]，对塑性材料[σ]=σs /n，对脆性材料[σ]=σb/n，其中n为安全系数。

经典的强度理论无法解释为什么工作应力远低于材料屈服强度时会发生所谓低应力脆断的现象。

原来，传统力学是把材料看成均匀的，没有缺陷的，没有裂纹的理想固体，但是实际的工程材料，在制备、加工及使用过程中，都会产生各种宏观缺陷乃至宏观裂纹。

人们在随后的研究中发现低应力脆断总是和材料内部含有一定尺寸的裂纹相联系的，当裂纹在给定的作用应力下扩展到一临界尺寸时，就会突然破裂。

因为传统力学或经典的强度理论解决不了带裂纹构件的断裂问题，断裂力学就应运而生。

可以说断裂力学就是研究带裂纹体的力学，它给出了含裂纹体的断裂判据，并提出一个材料固有性能的指标——断裂韧性，用它来比较各种材料的抗断能力。

3.2 格里菲斯(Griffith)断裂理论3.2.1 理论断裂强度金属的理论断裂强度可由原子间结合力的图形算出，如图3-1。

图中纵坐标表示原子间结合力，纵轴上方为吸引力下方为斥力，当两原子间距为a即点阵常数时，原子处于平衡位置，原子间的作用力为零。

如金属受拉伸离开平衡位置，位移越大需克服的引力越大，引力和位移的关系如以正弦函数关系表示，当位移达到Xm 时吸力最大以σc表示，拉力超过此值以后，引力逐渐减小，在位移达到正弦周期之半时，原子间的作用力为零，即原子的键合已完全破坏，达到完全分离的程度。

可见理论断裂强度即相当于克服最大引力σc。

该力和位移的关系为图中正弦曲线下所包围的面积代表使金属原子完全分离所需的能量。

断裂力学在工程结构中的应用摘要：断裂力学理论经过几十年的发展已日渐成熟。

实际工程结构发生破坏必然伴随着裂纹的产生与扩展，应用断裂力学理论，分析钢筋混凝土结构和钢结构受载过程中裂纹扩展情况，提出结构设计施工的改进措施，有助于理论与实践的协调统一。

关键词：断裂力学；钢筋混凝土结构；钢结构；焊接一、前言断裂力学是固体力学中近几十年才发展起来的一个重要分支，它的最大特点是假设构件或材料已带有裂纹（即缺陷）。

在此之前，工程师们按照传统的强度理论进行构件设计，即材料强度满足许用应力，但在实际使用中，有些结构常常会意外的发生低应力脆性断裂事故。

起初，人们以为这些事故是由偶然因素造成的，并未引起重视。

但随着社会的进步和科技的发展，高强焊接钢结构广泛使用，这类灾难性事故有增无减，直到五十年代美国“北极星”导弹固体燃料发动机壳在实验时发生爆炸事故，才普遍地引起了人们的重视。

科学工作者通过对断裂事故的调查分析，发现构件脆断时材料的工作应力远远低于其屈服强度，因此，这些事故不能再用传统的材料力学的强度理论来解释，而大量的实验研究说明低应力脆性断裂总是由裂纹扩展所导致的，这就催生了研究含裂纹物体的强度和裂纹扩展规律的学科—断裂力学。

二、断裂力学的发展断裂力学分为宏观断裂力学（工程断裂力学）和微观断裂力学（属金属物理范畴）。

宏观断裂力学通常又分为弹性断裂力学、弹塑性断裂力学。

1、弹性断裂力学弹性断裂力学包括线性弹性断裂力学和非线性弹性断裂力。

1921年，A.A.Griffith首先用弹性体能量平衡的观点研究了玻璃、陶瓷等脆性材料，提出了脆性材料裂纹扩展的能量准则；1955年，G.R.Irwin分析裂纹尖端应力应变场后，将应力强度因子作为新的断裂参量，并建立断裂判据，形成应力强度因子断裂准则。

2、弹塑性断裂力学弹塑性断裂力学包括小范围屈服断裂力学和大范围屈服断裂力学及全面屈服断裂力学。

由于线弹性断裂力学是把材料作为理想线弹性体，但实际上，由于裂纹尖端应力高度集中，在裂纹尖端附近必然存在塑性区。

断裂力学在工程结构中的应用摘要：断裂力学理论经过几十年的发展已日渐成熟。

实际工程结构发生破坏必然伴随着裂纹的产生与扩展，应用断裂力学理论，分析钢筋混凝土结构和钢结构受载过程中裂纹扩展情况，提出结构设计施工的改进措施，有助于理论与实践的协调统一。

关键词：断裂力学；钢筋混凝土结构；钢结构；焊接一、前言断裂力学是固体力学中近几十年才发展起来的一个重要分支，它的最大特点是假设构件或材料已带有裂纹（即缺陷）。

在此之前，工程师们按照传统的强度理论进行构件设计，即材料强度满足许用应力，但在实际使用中，有些结构常常会意外的发生低应力脆性断裂事故。

起初，人们以为这些事故是由偶然因素造成的，并未引起重视。

但随着社会的进步和科技的发展，高强焊接钢结构广泛使用，这类灾难性事故有增无减，直到五十年代美国“北极星”导弹固体燃料发动机壳在实验时发生爆炸事故，才普遍地引起了人们的重视。

科学工作者通过对断裂事故的调查分析，发现构件脆断时材料的工作应力远远低于其屈服强度，因此，这些事故不能再用传统的材料力学的强度理论来解释，而大量的实验研究说明低应力脆性断裂总是由裂纹扩展所导致的，这就催生了研究含裂纹物体的强度和裂纹扩展规律的学科—断裂力学。

二、断裂力学的发展断裂力学分为宏观断裂力学（工程断裂力学）和微观断裂力学（属金属物理范畴）。

宏观断裂力学通常又分为弹性断裂力学、弹塑性断裂力学。

1、弹性断裂力学弹性断裂力学包括线性弹性断裂力学和非线性弹性断裂力。

1921年，A.A.Griffith首先用弹性体能量平衡的观点研究了玻璃、陶瓷等脆性材料，提出了脆性材料裂纹扩展的能量准则；1955年，G.R.Irwin分析裂纹尖端应力应变场后，将应力强度因子作为新的断裂参量，并建立断裂判据，形成应力强度因子断裂准则。

2、弹塑性断裂力学弹塑性断裂力学包括小范围屈服断裂力学和大范围屈服断裂力学及全面屈服断裂力学。

由于线弹性断裂力学是把材料作为理想线弹性体，但实际上，由于裂纹尖端应力高度集中，在裂纹尖端附近必然存在塑性区。