焊接接头疲劳评估
焊接接头疲劳评估的理论基础
焊接接头的疲劳
老师，焊接接头对疲劳很敏感吗？
焊接疲劳的评估方法
| 方法 | 应力定义 | 特点 |
|---|---|---|
| 公称应力法 | 截面平均应力 | 最简单。设计规范（EN 1993-1-9, IIW） |
| 热点应力法 | 焊接止端的结构应力 | FEM结果外推。与网格无关 |
| 缺口应力法 | 焊接止端和焊根的缺口应力（$R_{ref} = 1$ mm） | 最详细。依赖FEM |
| 裂纹扩展法 | 应力强度因子 | 既有裂纹的寿命。焊接缺陷影响 |
热点应力法是中等详细程度的方法。
通过FEM结果在焊接止端距离0.4t、1.0t处（$t$为板厚）的外推来估算止端的结构应力。与网格尺寸无关（遵循固定的外推规则）。IIW推荐。
总结
自由轮船的焊接裂纹与疲劳
第二次世界大战期间，美国2710艘自由轮船中约400艘出现了严重裂纹，数十艘在海上断裂。其中一个原因是焊接部位疲劳和低温脆性的共同作用。后来研究表明，焊接焊珠止端（Toe）的应力集中系数Kt=2～3，成为后来IIW焊接疲劳设计规范研究的原点之一。
焊接接头疲劳评估的数值计算方法
焊接疲劳的FEM
热点应力法的FEM步骤：
1. 使用壳元素对焊接结构建模（板厚的中性面）
2. 在焊接止端距离0.4t、1.0t处读取应力
3. 线性外推估算止端的结构应力
4. 使用IIW FAT分类的S-N曲线进行寿命评估
缺口应力法
IIW的有效缺口应力法：在焊接止端和焊根处设置$R_{ref} = 1$ mm（钢）的虚拟缺口半径，用FEM计算缺口应力。使用FAT225的S-N曲线统一评估。
总结
热点应力法的使用
焊接疲劳评估中广泛使用的热点应力法，通过线性外推焊接止端距离0.4t和1.0t处（t为板厚）的表面应力来求得热点应力。将此应力与IIW规定的FAT等级（如FAT90）的S-N曲线对比。外推区间设置对结果影响较大，因此推荐网格尺寸不超过t/4。
焊接接头疲劳评估的实务应用
焊接疲劳的实务
在钢结构桥梁、船舶、起重机、压力容器、海上结构中必不可少。
IIW FAT分类的例子
| 接头类型 | FAT（N/mm²） |
|---|---|
| 母材（研磨表面） | FAT 160 |
| 对接焊缝（余高已除去） | FAT 112 |
| 对接焊缝（有余高） | FAT 90 |
| 角焊缝（十字接头） | FAT 71 |
| 非承载角焊缝 | FAT 80 |
FAT = 应力范围 $\Delta\sigma$ 在2×10⁶个循环下破坏的值。
实务检查清单
船体焊接疲劳的20年寿命验证
DNVGL（挪威船级协会）设计规则要求船体焊接部位的疲劳寿命评估基准为20年。在北海波浪谱（Hs=3m）条件下，20年内荷载循环数达到约10⁸，对于FAT71等级的焊缝，Δσ=71MPa为疲劳极限。自2000年代起，FEM直接热点应力评估法得到普及，评估精度大幅提高。
焊接接头疲劳评估的软件比较
焊接疲劳的工具
选型指南
ANSYS Mechanical焊接疲劳评估工具
ANSYS Mechanical 2021及以后版本标准配置了焊接疲劳评估的Weld Fatigue Tool，可在GUI上自动提取热点应力并选择IIW FAT等级。大众汽车使用该工具进行车身焊接认证分析，与以往手工操作相比，分析准备时间削减了70%。只需选择FEM模型上的焊接线，即可自动进行网格细化和评估。
焊接接头疲劳评估的先进研究
焊接疲劳的先进方法
超声波喷丸对焊接疲劳的改善
超声波喷丸（UIT）是一种在焊接止端部位施加超声振动工具进行冲击，使表面塑性变形并导入压缩残留应力的技术。处理后的疲劳寿命从IIW FAT71可提高到FAT125相当（疲劳强度提高1.75倍），广泛用于海洋结构物的修复和既有结构的加强。工具重量仅5kg，加工速度300mm/分，作业性能优良。
焊接接头疲劳评估的故障排除
焊接疲劳的故障
焊接残留应力被忽视
在焊接疲劳分析中，若预测寿命长于实验值，最大的原因之一是忽视了拉伸残留应力。碳钢对接焊缝部位的残留应力可接近材料屈服强度（300～500MPa）的拉伸值。IIW建议考虑此影响，假设R比为0.5。进行X射线衍射测量残留应力并进行修正，是提高精度的最佳途径。
价值
详细
错误