必看！一文搞清楚：焊缝疲劳的分析方法

    焊缝疲劳计算是结构疲劳计算的难点之一，存在的分析方法也较多。主要包括：名义应力法；热点应力法；缺口应力法；断裂力学法；结构应力法。

01 名义应力法

    以下的概念摘自于EN 1993-1-9。

    名义应力(Nominal stress)：A stress in the parent material or in a weld adjacent to a potential crack location calculated in accordance with elastic theory excluding all stress concentration effects.

    可以看到名义应力指的是采用线弹性理论计算、不考虑任何应力集中效应材料截面上的应力。值得注意的是名义应力未考虑应力集中，一般规范中定义直接手算的方法都是名义应力法。

02 热点应力法

    热点应力法是一种采用有限元方法计算焊脚位置疲劳的计算方法。

    热点应力定义如下：The maximum principal stress in the parent material adjacent to the weld toe, taking into account stress concentration effects due to the overall geometry of a particular constructional detail.

    相对于名义应力，热点应力考虑了几何因素引起的应力集中。

    热点应力法的过程可以概括：1）3D建模；2）划分网格；3）热点应力插值；4）带入热点应力法的SN曲线进行计算。

03 缺口应力法

    缺口应力法是一种在线弹性条件下通过有限元计算焊根和焊脚位置疲劳的计算方法。他通过引入认为的缺口，计算缺口处的应力集中来评估焊缝的强度。比较常见的方法是在焊根和焊脚位置制造一些圆角的缺口，焊脚处的缺口可根据实际的焊脚圆角定义，焊根处的参考圆角一般取1mm，实际应用的时候可以对1mm进行修正。

    缺口应力法的过程可以概括：1）定义缺口圆角；2）3D建模；3）划分网格；4）计算缺口处的应力集中；5）带入缺口应力法的SN曲线进行计算。

04 断裂力学法

    根据裂纹面的受力变形方式，可将裂纹分为三种类型：I 型（张开型）、II 型（滑开型）、III 型（撕开型），撕开型也称反平面剪切型。

    在有限元计算中，裂纹尖端存在应力奇异问题，该处的应力随着网格划分的越细，越趋近无穷大，此时只能采用断裂力学的方式来评估此处的应力。

    用断裂力学的方法，可以避免热点应力和缺口应力法有限元网格精度带来的误差，其机理更符合疲劳断裂的物理现象和客观规律。

05 总结

05.1 名义应力法

    优点：名义应力法可以很快得到疲劳计算的结果，一切计算仅需要准备相应的计算表格即可。

    缺点：各种经验公式依赖于大量的疲劳试验；面对不规则的几何形状的焊缝，规范中未定义其SN曲线或疲劳等级，此时采用名义应力法很难求解。

05.2 热点应力法

    优点：可以处理不规则几何形状、未定义S-N曲线的焊接接头的疲劳问题。

    缺点：计算的精度依赖于网格，需要大量的时间花费在前处理和后处理；由于有限元建立的是完美的模型，实际应用应该将一些缺陷考虑其中，比如错位、椭圆度等；插值的计算方法有很多种，不同的插值方式可能导致不同的结果。

05.3 缺口应力法

    缺口应力法和热点应力法类似。

    优点：可以处理不规则几何形状、未定义S-N曲线的焊接接头的疲劳问题。

    缺点：相比热点应力法，需要更多的时间花费在前处理和后处理；由于有限元建立的是完美的模型，实际应用应该将一些缺陷考虑其中，比如错位、椭圆度等；缺口半径事先假设与实际不一致；焊根处的应力集中对于方向特别敏感，当计算多轴疲劳时，用该方法存在问题。

05.4 断裂力学法

    优点：从某种程度上讲断裂力学方法可以规避名义应力法和热点应力法的缺点；可以评估已含有裂纹结构的疲劳寿命。

    缺点：需假设初始裂纹；现阶段理论研究和规范编写不是特别充分。