动载焊接结构的设计Ⅰ、Ⅱ
结构与设计
****动载焊接结构的设计
1、 焊接结构疲劳强度设计的一般原则
设计过程可分为以下三个步骤：
⑴ 考虑实用性，进行功能设计 根据结构未来的工作情况，合理地提出结构的承载能力、强度、刚度、耐蚀度、使用寿命等比较具体的要求。考虑安全性，这些要求不能太低；考虑经济性，这些要求也不能过高。
⑵ 进行方案设计 根据上述要求，选择确定结构材料、结构构造形式、传动形式、自动化程度、控制方式、生产制造工艺等综合设计方案，它们互相联系，又互相制约；
⑶ 进行具体的施工图设计 绘图前，进行必要的计算，以便确定结构的重要尺寸。我们要讲的是如何合理选择动载焊接结构、焊接接头的结构形式和怎样进行必要的计算。
设计动载焊接结构必须特别强调两点：① “动载”，对应力集中非常敏感；②焊接接头属于刚性连接形式，对应力集中也比较敏感。而且“焊接结构”难免有焊接残余应力、变形、焊接缺陷等，存在应力集中现象。
因此，设计动载焊接结构时，必须注意以下几点：
⑴ 承受拉伸、弯曲、扭转的构件，截面面积变化时，尽量保持平顺、圆滑的过渡，尽量防止或减小构件截面刚度突然变化，避免造成较大的附加应力和应力集中。
⑵ 对接、角接、丁字、十字接头等，均应优先采用对接焊缝，少用角焊缝；
⑶ 单面搭接接头角焊缝的焊根、焊趾处，既有偏心弯矩的作用，又有严重的应力集中，承受疲劳载荷的能力很低，必须尽量避免采用这种接头形式；
⑷ 承受疲劳载荷的角焊缝（未焊透的对焊缝，也看作角焊缝），危险点在应力集中比较严重的焊缝根部或焊趾处。应采用如下措施：① 开坡口，加大熔深，减小焊缝根部的应力集中；② 将焊趾处加工成圆滑过渡的形状，减小焊趾的应力集中；
⑸ 处于拉应力场中的焊趾、焊缝端部或其它严重的应力集中处（如裂纹），应设置缓和槽、孔，以便降低应力集中的影响。
总之，应采取一切措施，排除或减小应力集中的影响。
焊接工艺问答（强度及结构） 各种焊接接头都有不同程度的应力集中，当母材具有足够的塑性时，结构在静开车破坏之前就有显著的塑性变形，应力集中对其强度无影响。
例如，侧面搭接接头在加载时，如果母材和焊缝金属都有较好的塑性，其切应力的分布是不均匀的，见图29。继续加载，焊缝的两端点达到屈服点σs，则该处应力停止上升，而焊缝中段各点的应力因尚未达到σs，故应力随加载继续上升，到达屈服点的区域逐渐扩大，应力分布曲线变平，最后各点都达到σs。如再加载，直至使焊缝全长同时达到强度极限，最后导致破坏。
36 什么是工作焊缝？什么是联系焊缝？
焊接结构上的焊缝，根据其载荷的传递情况，可分为两种：一种焊缝与被连接的元件是串联的，承担着传递全部载荷的作用，一旦断裂，结构就立即失效，这种焊缝称为工作焊缝，见图30a、图30b，其应力称为工作应力。另一种焊缝与被连接的元件是并联的，仅传递很小的载荷，主要起元件之间相互联系的作用，焊缝一旦断裂，结构不会立即失效，这种焊缝称为联系焊缝，见图30c、图30d，其应力称为联系应力。设计时，不需计算联系焊缝的强度，只计算工作焊缝的强度。
37 举例说明对接接头爱拉（压）时的静载强度计算。
全焊透对接接头的各种受力情况 见图31。图中F为接头所受的拉（压）力，Q为切力，M1为平面内弯矩， M2为垂平面弯矩。
受拉时的强度计算公式为
F
σt＝ ─── ≤〔σ′t 〕
Lδ1
F
受压时的强度计算公式为 σα＝ ─── ≤〔σ′α 〕
Lδ1
式中 F——接头所受的拉力或压力（N）；
焊缝余高对焊接接头疲劳强度的影响
摘要通过测定AQ400NH材料的光滑焊件、余高焊件的疲劳性能、观察断口形貌、绘制S－N曲线以及用AN-SYS有限元程序计算应力分布，研究余高对焊接接头疲劳强度的影响。结果发现，对于光滑焊件，焊接缺陷是影响疲劳强度的主要原因，对于有余高焊件，余高的高度是影响疲劳强度的主要原因，实际应变测量和有限元计算都表明，焊趾部位是应力集中区，应力集中的强度和余高间有线性关系。
焊接结构的疲劳强度，在很大程度上取决于构件应力集中情况。如果焊接构件有应力集中，在受到循环载荷条件下，焊接结构普遍会出现严重的断裂破坏。焊缝几何尺寸及焊接过程中产生的各种缺陷是产生应力集中的主要原因［1，2］。然而这些原因如何影响焊接构件的疲劳寿命，对于一种新材料，或者对于在一种特殊条件下使用的材料来说，应当受到特别的关注。AQ400NH钢是一种耐候材料，在使用结构中，该材料的焊接结构承受着高速动载的作用，使用条件特殊，所以研究产生应力集中的原因、应力集中对该焊件疲劳性能的影响，对提高焊件疲劳寿命具有重要意义。
笔者着眼于焊缝趾部余高与焊接构件应力集中的关系，探讨余高产生的应力集中对该焊件疲劳性能的影响。为此，对这种材料的母材、光滑焊件(余高为零的焊件、带余高焊件分别进行疲劳试验。绘制它们的S－N曲线;观察静态载荷下焊趾处应力的变化;用ANSYS有限元分析程序计算了各种状态下焊接构件的应力分布状态，以及余高变化产生应力集中的趋势。
1实验部分
1．1主要仪器与设备
电液伺服材料试验机:Instron1251型，英国In-stron公司。
1．2材料成分、力学性能实验所用材料为耐候材料AQ400NH，其主要化学成分见表1，母材与焊件的基本力学性能见表2。
1．3焊接接头几何尺寸
疲劳试件共分为3组，一组为母材试件;一组为光滑焊件，即为焊后去掉余高，并进行了精加工，其表面光洁度与母材试件相同;另一组为带余高焊件。三组试件的名义尺寸为，试样宽度B×厚度W×平行段长度L0:24 mm×12 mm×70 mm。光滑焊件的试样厚度比母材略小。试件接头形式为对接焊接头，其试样形式和焊缝堆高名义尺寸如图1所示。焊接方法为MAG半自动焊接。
焊接结构疲劳强度相关知识
1. 焊接结构疲劳失效的原因
焊接结构疲劳失效的原因主要有以下几个方面：① 客观上讲，焊接接头的静载承受能力一般并不低于母材；而承受交变动载荷时，其承受能力却远低于母材，而且与焊接接头类型和焊接结构形式有密切的关系。这是引起一些结构因焊接接头的疲劳而过早失效的一个主要的因素；② 早期的焊接结构设计以静载强度设计为主，没有考虑抗疲劳设计，或者是焊接结构疲劳设计规范并不完善，以至于出现了许多现在看来设计不合理的焊接接头；③ 工程设计技术人员对焊接结构抗疲劳性能的特点了解不够，所设计的焊接结构往往照搬其它金属结构的疲劳设计准则与结构形式；④ 焊接结构日益广泛，而在设计和制造过程中人为盲目追求结构的低成本、轻量化，导致焊接结构的设计载荷越来越大； ⑤ 焊接结构有往高速重载方向发展的趋势，对焊接结构承受动载能力的要求越来越高，而对焊接结构疲劳强度方面的科研水平相对滞后。
2 影响焊接结构疲劳强度的主要因素
2.1 静载强度对焊接结构疲劳强度的影响
在钢铁材料的研究中，人们总是希望材料具有较高的比强度，即以较轻的自身重量去承担较大的负载重量，因为相同重量的结构可以具有极大的承载能力；或是同样的承载能力可以减轻自身的重量。所以高强钢应运而生，也具有较高的疲劳强度，基本金属的疲劳强度总是随着静载强度的增加而提高。
但是对于焊接结构来说，情况就不一样了，因为焊接接头的疲劳强度与母材静强度、焊缝金属静强度、热影响区的组织性能以及焊缝金属强度匹配没有多大的关系，也就是说只要焊接接头的细节一样，高强钢和低碳钢的疲劳强度是一样的，具有同样的S-N曲线，这个规律适合对接接头、角接接头和焊接梁等各种接头型式。Maddox研究了屈服点在386—636MPa之间的碳锰钢和用6种焊条施焊的焊缝金属和热影响区的疲劳裂纹扩展情况，结果表明：材料的力学性能对裂纹扩展速率有一定影响，但影响并不大。在设计承受交变载荷的焊接结构时，试图通过选用较高强度的钢种来满足工程需要是没有意义的。只有在应力比大于+0.5的情况下，静强度条件起主要作用时，焊接接头母材才应采用高强钢。
