焊接结构抗疲劳设计 理论与方法

当《焊接结构抗疲劳设计——理论与方法》的其中一位作者兆文忠教授向我介绍书稿内容时，我感到这是一本很好的专业书；通读了书稿之后，我深信这本书将给焊接结构设计带来前所未有的观念转变和方法进步。同时，在图书的制作过程中，我感受到《焊接结构抗疲劳设计——理论与方法》的三位作者——兆文忠教授、李向伟研究员和董平沙教授的严谨与谦逊。
《焊接结构抗疲劳设计——理论与方法》遵循由浅入深的原则，简要地介绍与焊接结构疲劳相关的基础知识、焊接结构疲劳问题的特殊性，以及焊接结构疲劳评估的名义应力法及其工程适用性与局限性。
书中重点论述了一个焊接结构疲劳评估的新方法——结构应力法，其中包括网格不敏感的力学属性以及识别焊缝上应力集中的特殊功能。基于焊接结构疲劳失效机理，推导了已经被美国ASME于2007年采纳为标准、可以评估三维焊缝疲劳寿命的主S-N曲线公式。
面向设计需要，又给出了结构应力法在焊接结构抗疲劳设计中的应用技术，其中包括焊接接头应力因数计算技术、识别与缓解应力集中的闭环设计技术、与台架疲劳试验互补的虚拟疲劳试验技术、模态与频域的结构应力技术，以及含初始裂纹的寿命预测技术，并用工程案例给出了应用参照。而关于低周疲劳、多轴疲劳，以及内涵更深邃的结构应变法的论述则是新研究成果的首次公开。
 

《焊接结构抗疲劳设计——理论与方法》介绍了焊接结构疲劳评估的一种方法——结构应力法，其中包括网格不敏感的力学属性以及识别焊缝上应力集中的特殊功能；推导了可评估焊缝疲劳寿命的主S-N曲线公式；给出了结构应力法在焊接结构抗疲劳设计中的应用技术，其中包括焊接接头应力因数计算技术、识别与缓解应力集中的闭环设计技术、虚拟疲劳试验技术、模态与频域的结构应力技术，以及含初始裂纹的寿命预测技术，并用工程案例给出了应用参照。书中关于低周疲劳、多轴疲劳以及内涵更深邃的结构应变法的论述则是作者新研究成果的首次公开。

前言
第1章引论1
1.1焊接结构抗疲劳设计过程中的认识误区1
1.2编写本书的基本目的5
参考文献6
第2章预备知识8
2.1金属疲劳的基本原理8
2.2焊接接头的基本术语10
2.3焊接结构的疲劳载荷11
2.4焊接接头工作应力的定义13
2.5S-N曲线及其内涵16
2.6Miner线性疲劳损伤累积基本理论及其内涵18
2.7Paris裂纹扩展定律与寿命积分18
2.8本章小结21
参考文献22
第3章焊接结构疲劳强度问题的特殊性23
3.1焊接接头的几何不连续性23
3.2焊接接头的疲劳破坏模式24
3.3焊接接头S-N曲线的特殊性26
3.3.1母材的屈服强度对焊接接头疲劳强度的影响26
3.3.2焊接接头S-N曲线具有相同的斜率27
3.4焊接接头残余应力对疲劳寿命的影响28
3.5本章小结33
参考文献33
第4章焊接结构抗疲劳设计与评估的传统方法35
4.1钢结构的抗疲劳设计与评估标准36
4.1.1英国BS 7608标准的名义应力法36
4.1.2国际焊接学会（IIW）的名义应力法40
4.2铝结构的抗疲劳设计与评估标准42
4.3专用结构的抗疲劳设计与评估44
4.4基于热点应力的抗疲劳设计与评估47
4.5传统方法的工程应用50
4.5.1模块功能设计50
4.5.2实施案例51
4.6传统评估方法的工程应用局限性54
4.7本章小结57
参考文献58
第5章结构应力的定义及其内涵60
5.1有限元方法的基础知识60
5.2结构应力的定义与计算65
5.3结构应力的力学解释与存在的试验证明70
5.4本章小结74
参考文献74
第6章主S-N曲线76
6.1基于结构应力的K值评估76
6.1.1无缺口效应的K值求解77
6.1.2有缺口效应的K值求解79
6.2特征深度与缺口应力强度放大因子80
6.2.1特征深度80
6.2.2缺口应力强度放大因子80
6.3两阶段裂纹扩展模型82
6.4等效结构应力及主S-N曲线计算公式83
6.5ASME标准中焊接结构的疲劳寿命评估88
6.6本章小结91
参考文献91
第7章焊接接头抗疲劳设计与寿命评估92
7.1EN15085的焊接接头设计完整性流程93
7.2焊接接头疲劳载荷的获取95
7.3获取焊接接头上疲劳载荷的子结构技术95
7.4确定应力因数等级的两种技术99
7.4.1基于名义应力计算应力因数的具体步骤99
7.4.2基于结构应力计算应力因数的具体步骤102
7.4.3随机载荷作用时应力状态的确认105
7.5本章小结107
参考文献108
第8章基于结构应力的虚拟疲劳试验技术109
8.1应力集中与刚度不协调109
8.2基于结构应力的虚拟疲劳试验技术平台113
8.3虚拟疲劳试验的实例116
8.3.1某轨道货车三轴焊接构架的虚拟疲劳试验116
8.3.2某轨道客车转向架焊接构架的虚拟疲劳试验120
8.4本章小结124
参考文献125
第9章模态结构应力与频域结构应力127
9.1模态结构应力的定义与计算127
9.1.1模态的基础知识127
9.1.2模态结构应力的计算公式130
9.1.3模态结构应力的计算实例132
9.2频域结构应力的定义与应用135
9.2.1随机振动基础知识136
9.2.2频域结构应力的推导及疲劳评估139
9.2.3频域结构应力计算实例142
9.3本章小结147
参考文献148
第10章结构应力法的研究成果149
10.1剩余寿命评估及等效初始裂纹替代法149
10.2多轴疲劳问题的MLP法153
10.2.1多轴应力状态153
10.2.2PDMR方法155
10.2.3MLP方法157
10.2.4MLP方法的物理解释159
10.2.5Sonsino和Kueppers的试验161
10.3低周疲劳问题的结构应变法163
10.3.1伪弹性应力与LCF数据的处理164
10.3.2结构应变法与低周疲劳166
10.3.3基于LCF测试数据的验证169
10.4基于等效结构应变参数的统一方程171
10.4.1结构应力与结构应变的比较171
10.4.2主应变-寿命曲线172
10.5本章小结174
参考文献175
第11章结构应力法的工程应用案例177
11.1SAE“疲劳挑战”案例177
11.1.1基于结构应力的焊缝疲劳开裂位置预测177
11.1.2基于主S-N曲线的焊缝疲劳寿命预测179
11.2焊接吊架疲劳隐患成功治理案例182
11.2.1应力集中的确认182
11.2.2缓解应力集中的对策及有效性验证183
11.3焊根疲劳开裂的成功治理案例186
11.3.1结构应力的计算186
11.3.2改进方案的疲劳强度评估187
11.4焊缝疲劳开裂识别案例190
11.4.1结构应力计算191
11.4.2动应力测试192
11.5本章小结193
参考文献194

2005年某铁路客车转向架焊接构架上一条焊缝疲劳开裂的事故，就险些瘫痪了那年的中国铁路春运，这件事使我切身体会到：“疲劳隐患就藏在焊接接头的细节之中。”
在很长的一段时期里，焊接结构疲劳强度的理论问题一直很难解决，著名的英国焊接研究所TRGurney博士在他1979年出版的《焊接结构的疲劳》（Fatigue Of Welded Structures）专著中也曾这样说过：“实际结构和工程构件的疲劳强度是不能用理论的方法求出来的。”多年后在一次国际会议上，当董平沙教授次提出具有网格不敏感特征的结构应力法，并展示了其应用效果时，参会的焊接结构疲劳领域的权威专家初反应竟然是：“这方法好得不真实甚至反科学”（It’s too good to be true and against science！）
然而，世界上一切客观事物的演变都受自身的内在规律所支配，而每个规律的被揭示，都是人们认知客观事物的一次进步，人们认知的局限性终将被超越，这是科学进步的历史必然。对焊接结构疲劳强度理论的认知，也有这样的一个过程。
董平沙教授“十年磨一剑”，基于焊接结构的疲劳失效机理，终于从理论上破解了这个工程界难题，发明了基于结构应力评估焊接结构疲劳寿命的理论与方法。在2007年更新后的美国ASME标准第5章中，基于焊接结构疲劳失效机理而提出的计算模型，使得原本一个很复杂问题的描述，竟然变得就像牛顿定律那样的简洁。2005年，美国时代杂志在评价他的这一发明时，称其“将一个猜测的游戏变成了可以明确证明的科学”。2015年，在芬兰赫尔辛基国际焊接学会（IIW）次设立终身成就奖时，全球仅有五人获此殊荣，而董平沙教授是其中之一，真乃实至名归！
复杂与简单的辩证法就是如此，一个看似相当复杂的问题，看透了实质之后，道理真的很简单。
回想起2008年，我带着对传统方法的许多困惑通过电子邮件结识了董平沙教授，十几封往来邮件终于促成了2009年6月董平沙教授从美国来到大连交通大学的次学术演讲。他不顾时差导致的旅途疲劳，连续五个整天由浅入深的演讲内容令参会者耳目一新，其精彩之处更令我拍案叫绝，也难怪有人会后竟然十分感慨地对我说：“直到今天，才发现原来的前进方向错了。”
而从那一年起，董平沙教授就不断地为我和我们的团队带来更新的研究成果与学术思想。这正是：“好雨知时节，当春乃发生，随风潜入夜，润物细无声”。随后几年里，我跟随他数次深入到国内多家轨道车辆制造工厂考察，在他的一次次的答疑解惑中，我渐渐地悟出：焊接结构的疲劳问题本质上应该是一类力学问题，董平沙教授得知我的这一感悟后又添加了三个字：应该是“复杂的”力学问题，这三个字，更是入木三分！
既然是一个力学问题，我就有了点信心，同时也是一种责任感的驱使，我与我的优秀门生李向伟博士（也是董平沙教授的博士后），一起邀请董平沙教授参加本书的撰写，董平沙教授不仅欣然同意，而且还应允贡献出他的研究成果。于是在董平沙教授的大力支持下，历时两年，经反复推敲与修改，终于成稿。
构思本书的思路是：以基础知识为铺垫，先进入名义应力领域；然后以焊接结构疲劳问题的特殊属性为导引，迈进结构应力领域。在这个领域内，考虑到结构应力法的重要性，交代了结构应力是如何基于力的平衡理念从非线性应力中被分解出来的，以及结构应力网格不敏感与物理存在的证明。接着以断裂力学理论为工具，详细地介绍了基于焊接结构疲劳失效机理而建立的主SN曲线公式的积分演变过程，以及执行该公式的标准步骤。然后考虑到设计阶段的需求，有针对性地推出了几项实用技术，其中包括焊接接头应力因数计算技术、识别与缓解应力集中的刚度协调技术、设计阶段可用的虚拟疲劳试验技术，以及模态与频域的结构应力技术。第10章给出的含初始裂纹的寿命预测技术、低周疲劳、多轴疲劳以及内涵更深邃的结构应变法，则是董平沙教授的研究成果，后结合实际案例证明了结构应力法在工程应用中的有效性。
当前，除美国ASME BPVC Ⅷ22015标准以外，结构应力法正在被世界上越来越多的国家作为标准来执行，虽然本书的案例大多来自于中国轨道交通装备制造企业，但是本书的核心内容“结构应力法”在焊接结构抗疲劳设计领域是具有理论共性的。结构应力法在国外的应用不局限于轨道交通制造行业，例如法国在2013年就基于结构应力法为其船舶与海洋的焊接结构设计颁布了设计指导：《网格不敏感方法应用指南》（Guide for Application of The MeshInsensitive Methodology）。
在国内，以轨道交通装备企业为例，随着高速动车组的“引进、消化、吸收、再创新”，企业的一些决策部门投入了大量的资金购置了疲劳试验设备，建设了一批大型疲劳试验台，在硬件条件上，他们的工作已经与世界接轨，可是在理论接轨这个问题上，他们是否也给予了足够的重视呢？
我国已经规划了《中国制造2025》，制造大国要转变为制造强国，这就要求我们一定要在内涵更新上下功夫，而在焊接结构抗疲劳设计的内涵更新上，位于上游的理论更新至少与位于下游的试验手段的硬件更新同等重要，只有充分认识到这一