“他把一个猜测的游戏变成了可以明确证明的科学”

董平沙教授的著作

7月21日晚，董平沙教授将在仿真秀平台作一场直播分享。

董平沙教授-焊接结构数字化设计、模块化组装及延寿技术报告会

毕小喵之前并不是焊接专业。听闻董老师在这个领域非常牛，但我不知道他究竟有多厉害。

于是我购买了一本董平沙教授的书，《焊接结构抗疲劳设计 理论与方法》，拜读一下。

还没翻开，我就被封面上的一句评价震惊了。

那是美国《时代》杂志对董平沙教授的一句评价。

A Perfect Weld

美国《时代》周刊，想必不用过多介绍。

《TIME》周刊，Sept.12, 2005, Vol. 166, No.11，即2005年9月的一期中，原文是这样评价董平沙教授的：

PingSha Dong. He has found a way to transform what was a guessing game into a veritable science.

TIME, Sept.12, 2005, Vol. 166, No.11

就在这一页的上方，《时代》杂志写了这样一句话：

Creating something out of math models is difficult. Creating something useful is genius. Here are some who did.

从数学模型中创造出新事物是困难的，而创造出有用的东西则只有天才能做到。这里就是几位做到此事的天才。

https://time.com/vault/issue/2005-09-12/page/103/

在后面一页，文章更详细地介绍了这项工作的意义。

A man who has to keep himself from thinking after 9 p.m. in orderto preventinsomnia, he had his eureka moment while reading himself tosleep five years ago. 

…… Meaning? Carcompanies like Ford spend years and millions of dollars testing welds.Dong says Verity makes 90% of that redundant.

董教授在一次夜读中收获了他的“尤里卡”时刻。这项工作的意义何在？像福特这样的车企花费数年和数百万美元来测试焊缝疲劳寿命，而董教授的这项工作，让这些投资90%成为多余。

结构应力法

小喵在这里摘抄一小段书中的文字，来简要解释什么是结构应力法。

图 7-8a 给出了外力作用下在焊缝截面上沿着厚度方向的应力分布，这个应力分布因含有缺口应力而呈现出高度非线性。虽然理论上或数值上直接求解这个非线性应力分布是很困难的，但是可以将这个高度非线性的应力进行分解!4]。分解后第一部分应力是只与外力相关，且与外力互相平衡的那一部分;第二部分应力则是去掉了第一部分而余下的应力，称为缺口应力。第二部分应力虽然包含了非线性部分，但是由于第一部分已经与外力平衡，因此这部分应力的分布一定处于自平衡状态，图7-8b 给出了应力分解的示意。

有了上述分析就可以定义第一部分为结构应力，第二部分为缺口应力，二者之和，就是原来截面上非线性应力的分布。这里忽略了剪切应力的影响，一个原因是它对焊缝开裂的贡献很小，如果剪切应力不能被忽略，那将是多轴疲劳问题，这里暂不讨论。

那么，为什么第一部分应力称为结构应力呢?因为它满足平衡条件并可以用结构力学的方法计算得到。不失一般性，假设一个焊接接头的远场外力在截面上既有拉伸贡献的膜应力也有弯曲贡献的拉应力，参考图 7-8，与外力平衡的是膜应力与弯曲应力之和。在给定板厚以后，截面内均匀分布的膜应力为：

简单来说，基于结构应力法计算焊缝的疲劳寿命，对有限元网格密度不敏感（因为它考虑的是节点力的平衡）。

针对名义应力在描写焊接结构疲劳行为时所表现出的局限性，本章讨论了另外一个特殊的应力一结构应力，结构应力具有以下特点:

1)在外载荷作用下，焊趾所在截面上高度非线性的应力状态不管多么复杂总是可以分解为两部分，如果一部分应力能与外载荷平衡，那么其余部分应力必然自平衡，这样与外载荷平衡的那一部分应力对焊缝疲劳开裂的驱动就等价于外载荷的驱动，而结构应力恰是这一部分。从技术上看，这种分解过程是极为关键的技术突破。

2)结构应力是研究焊接结构疲劳失效机理时的一个极为重要的力学参量，是外载荷在焊趾或焊根处所引起的应力集中的度量。其次，它给出的是截面上的应力分布，也是裂纹扩展时的驱动力。这样从结构应力到应力强度因子，再从应力强度因子到疲劳寿命积分计算就有机地关联起来了。

3)因服役功能需要，包括高速动车组在内的焊接结构均具有一定程度的结构局部不连续性，传力路径上的这种结构局部不连续性导致的不同程度的应力集中是不可避免的，问题是:这些应力集中究竟在哪些焊缝上的哪些位置上发生?其峰值是否在设计要求的安全范围之内?这就需要在设计阶段给出一个科学判断，具体地说，就是焊缝上应力集中的有效识别，如果识别有误，将问题传递给位于下游的物理验证，其代价将是很大的，而结构应力则具有这个识别功能。

4) 由于结构应力的基础是基于力的平衡关系提出的，而力的平衡关系对节点的多少并不敏感，因此结构应力就具有了网格不敏感这样的特点，这种网格不敏感特点在工程应用中是非常重要的。

焊接结构数字化设计、模块化组装及延寿技术简介

前面提到的工作，已经是董平沙教授十几年前的工作。提出结构应力法的论文，发表于2005年；主S-N曲线的论文，发表于2010年。

[1] DONG P S.A Robust Structural Stress Method for Fatigue Analysis of Offshore/Marine Structures[6][J],ASME Transaction: J. f Offshore Mechanics and Arctic Engineering, February, 2005127: 68-74.

[2] DONC P S,HONC J K,OSACE D A, et al. The master S-N curve method an implementatior[4]for faltigue evalualtion of welded componenls in the ASME B&Py Code Section Vll, Division 2 AndAPI579-1/ASME FFS-1[M].New York; WRC Bullelin，2010.

关于结构应力法，更多、更新的研究成果，以及关于焊接结构疲劳寿命的最新理念和案例，敬请关注董平沙教授在仿真秀的直播 以及线下会议/培训：

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