焊接結(jié)構(gòu)疲勞分析（第2版）

本書較系統(tǒng)地介紹了焊接結(jié)構(gòu)的疲勞強度及分析方法。全書共分6章，分別介紹了材料的疲勞性能、焊接接頭的疲勞強度、焊接結(jié)構(gòu)的疲勞強度分析方法、焊接結(jié)構(gòu)疲勞裂紋擴展斷裂力學(xué)分析、焊接結(jié)構(gòu)疲勞強度的隨機分析和焊接結(jié)構(gòu)的抗疲勞設(shè)計與控制。
本書適合焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計分析的工程技術(shù)人員和科研人員使用，也可供相關(guān)專業(yè)的本科生和研究生參考。

第2版前言
焊接結(jié)構(gòu)耐久性的關(guān)鍵要素之一是焊接接頭的疲勞強度。焊接接頭的疲勞強度不僅僅取決于單一的焊縫質(zhì)量，還受控于整體結(jié)構(gòu)的約束、焊接方法和參數(shù)、材料性能匹配、焊接缺陷、焊接殘余應(yīng)力、環(huán)境條件等多方面因素的綜合作用。隨著新材料、新工藝和新結(jié)構(gòu)的應(yīng)用以及極端工作環(huán)境的作用，對焊接接頭疲勞強度提出了更高的要求。因此，加強焊接結(jié)構(gòu)疲勞強度研究對于保證結(jié)構(gòu)完整性具有重要意義。
近年來，工程結(jié)構(gòu)的疲勞壽命分析與健康管理技術(shù)在結(jié)構(gòu)完整性監(jiān)控方面受到高度重視。疲勞壽命分析的關(guān)鍵是將構(gòu)件承受的應(yīng)力應(yīng)變循環(huán)轉(zhuǎn)化為壽命消耗，進而對結(jié)構(gòu)件剩余使用壽命進行預(yù)測，需要考慮持久/蠕變、疲勞、材料劣化等損傷所導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)件性能衰減?；谑锢砟Ｐ秃蛿?shù)據(jù)驅(qū)動的焊接結(jié)構(gòu)剩余使用壽命預(yù)測需要采用斷裂力學(xué)分析方法，建立綜合時域應(yīng)力模型，依據(jù)損傷容限評估結(jié)構(gòu)件壽命。焊接結(jié)構(gòu)疲勞分析方法是焊接結(jié)構(gòu)剩余壽命預(yù)測的基礎(chǔ)。
焊接結(jié)構(gòu)的疲勞破壞往往起源于焊接接頭的應(yīng)力集中區(qū)，因此，焊接結(jié)構(gòu)的疲勞實際上是焊接接頭細節(jié)部位的疲勞。焊接接頭的疲勞裂紋萌生取決于焊趾或焊根等應(yīng)力集中區(qū)的局部缺口應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)，疲勞裂紋擴展受控于裂紋（包括缺口效應(yīng)在內(nèi)）的局部應(yīng)力強度因子。因此，焊接結(jié)構(gòu)和焊接接頭的疲勞問題需要從不同的層次進行分析，不同層次疲勞分析方法之間相互補充，以滿足不同工況的要求。
本書第2版根據(jù)焊接結(jié)構(gòu)疲勞強度以及相關(guān)研究的發(fā)展，對第1版的內(nèi)容進行了適當(dāng)?shù)男抻?。書中?nèi)容不妥之處，敬請讀者多賜意見。

編著者



第1版前言
疲勞斷裂是焊接結(jié)構(gòu)失效的一種主要形式。研究焊接結(jié)構(gòu)的疲勞行為及影響因素，是焊接結(jié)構(gòu)或構(gòu)件疲勞強度設(shè)計的基礎(chǔ)。焊接結(jié)構(gòu)的疲勞破壞往往起源于焊接接頭的應(yīng)力集中區(qū)，因此，焊接結(jié)構(gòu)的疲勞實際上是焊接接頭細節(jié)部位的疲勞。焊接接頭中通常存在的焊接缺陷、焊接殘余應(yīng)力，都會使焊接結(jié)構(gòu)更易產(chǎn)生疲勞裂紋，從而導(dǎo)致疲勞斷裂。焊接接頭的力學(xué)不均勻性也會對焊接結(jié)構(gòu)的疲勞性能產(chǎn)生重要影響。
研究表明, 在焊接結(jié)構(gòu)疲勞損傷中，焊接接頭局部最大應(yīng)力起著主導(dǎo)作用，焊趾或焊根等應(yīng)力集中區(qū)產(chǎn)生的缺口效應(yīng)對焊接結(jié)構(gòu)的疲勞強度有較大影響。工程設(shè)計中可精確計算焊接構(gòu)件的名義應(yīng)力，由于焊接工藝條件所引起的接頭缺口效應(yīng)在設(shè)計階段往往難以準(zhǔn)確預(yù)估，由此導(dǎo)致焊接結(jié)構(gòu)的疲勞評價很難建立統(tǒng)一的分析方法，需要根據(jù)焊接結(jié)構(gòu)的特點及載荷情況分層次進行分析，這是焊接結(jié)構(gòu)疲勞強度設(shè)計的顯著特點。
本書旨在較系統(tǒng)地介紹焊接結(jié)構(gòu)的疲勞強度及評價方法。編寫本書是筆者多年的想法，也是國內(nèi)焊接結(jié)構(gòu)強度設(shè)計與研究人員所需要參考的。
本書由張彥華編著。由于筆者對相關(guān)知識的掌握和學(xué)識水平有限，很難對焊接結(jié)構(gòu)疲勞強度理論體系有全面準(zhǔn)確的把握，書中難免存在不足之處，懇請讀者予以指正。

編著者

第1章材料的疲勞性能1
1.1疲勞研究的發(fā)展1
1.2疲勞斷裂機理2
1.3材料的疲勞強度6
1.3.1應(yīng)力疲勞與應(yīng)變疲勞7
1.3.2疲勞極限圖13
1.4影響材料疲勞性能的因素17
1.4.1應(yīng)力集中的影響17
1.4.2尺寸效應(yīng) 27
1.4.3材料表面狀態(tài)的影響28
1.4.4溫度和環(huán)境的影響30
1.5疲勞裂紋擴展31
1.5.1斷裂力學(xué)參量和斷裂判據(jù)31
1.5.2疲勞裂紋擴展行為37
1.5.3疲勞裂紋的閉合效應(yīng)42
1.5.4小裂紋擴展43
1.5.5缺口根部裂紋46
1.6腐蝕疲勞分析48
1.6.1腐蝕疲勞特點48
1.6.2腐蝕疲勞裂紋擴展特性49
1.7變幅載荷譜下的疲勞壽命50
1.7.1變幅載荷譜 50
1.7.2Miner線性累積損傷分析52
參考文獻55

第2章焊接接頭的疲勞強度57
2.1焊接接頭及疲勞概述57
2.1.1焊接接頭基本形式57
2.1.2焊接接頭組織的不均勻性58
2.1.3焊接接頭的缺口效應(yīng)60
2.1.4焊接接頭的疲勞特征61
2.2對接接頭的疲勞強度62
2.2.1對接接頭的應(yīng)力集中62
2.2.2對接接頭的疲勞強度64
2.3角焊縫接頭的疲勞強度67
2.3.1角焊縫接頭的應(yīng)力集中67
2.3.2角焊縫接頭的疲勞強度72
2.4點焊接頭的疲勞強度79
2.4.1點焊接頭的應(yīng)力集中79
2.4.2點焊接頭的疲勞強度81
2.5焊接管節(jié)點的疲勞強度81
2.5.1焊接管節(jié)點的應(yīng)力集中81
2.5.2管節(jié)點的疲勞性能85
2.6焊接結(jié)構(gòu)疲勞強度影響因素分析86
2.6.1應(yīng)力集中的影響86
2.6.2焊接殘余應(yīng)力的影響88
2.6.3焊接缺陷的影響92
2.6.4焊接接頭組織性能對疲勞強度的影響97
2.6.5板厚的影響98
參考文獻100

第3章焊接結(jié)構(gòu)的疲勞強度分析方法102
3.1概述102
3.2名義應(yīng)力評定方法104
3.2.1名義應(yīng)力評定方法基本原理104
3.2.2焊接接頭的疲勞強度分級105
3.3結(jié)構(gòu)應(yīng)力評定方法116
3.3.1結(jié)構(gòu)應(yīng)力與熱點應(yīng)力116
3.3.2熱點應(yīng)力Shs-N曲線121
3.4缺口應(yīng)力應(yīng)變評定方法124
3.4.1彈性缺口應(yīng)力評定方法124
3.4.2彈塑性缺口應(yīng)力應(yīng)變分析法129
3.4.3局部應(yīng)變129
參考文獻136

第4章焊接結(jié)構(gòu)疲勞裂紋擴展斷裂力學(xué)分析138
4.1概述138
4.1.1焊接接頭疲勞裂紋擴展與剩余強度138
4.1.2疲勞裂紋擴展壽命評定140
4.2焊接接頭應(yīng)力強度因子145
4.2.1焊趾表面裂紋應(yīng)力強度因子145
4.2.2焊縫根部裂紋應(yīng)力強度因子147
4.2.3點焊接頭裂紋應(yīng)力強度因子148
4.3力學(xué)失配對疲勞裂紋擴展的影響149
4.3.1焊接接頭的強度失配149
4.3.2力學(xué)失配對疲勞裂紋擴展的影響151
4.4焊接殘余應(yīng)力對疲勞裂紋擴展的影響158
4.4.1殘余應(yīng)力強度因子158
4.4.2殘余應(yīng)力對疲勞裂紋擴展的影響162
4.5含缺陷焊接結(jié)構(gòu)的疲勞完整性評定162
4.5.1缺陷形狀及規(guī)則化163
4.5.2焊接殘余應(yīng)力的處理166
4.5.3含缺陷焊接結(jié)構(gòu)的疲勞評定168
參考文獻175

第5章焊接結(jié)構(gòu)疲勞強度的隨機分析177
5.1疲勞性能數(shù)據(jù)的隨機性177
5.1.1疲勞壽命的離散性177
5.1.2疲勞裂紋擴展的隨機性178
5.1.3焊接結(jié)構(gòu)的隨機因素178
5.2疲勞強度概率分析方法182
5.2.1疲勞失效概率182
5.2.2疲勞失效概率評估184
5.3疲勞強度統(tǒng)計特性189
5.3.1S-N曲線的統(tǒng)計特性189
5.3.2疲勞裂紋擴展的隨機分析193
5.4焊接結(jié)構(gòu)疲勞失效概率分析199
5.4.1焊接結(jié)構(gòu)的隨機因素199
5.4.2疲勞強度的概率分析201
5.4.3疲勞裂紋擴展失效概率分析204
參考文獻206

都6章焊接結(jié)構(gòu)的抗疲勞設(shè)計與控制208
6.1焊接結(jié)構(gòu)的抗疲勞設(shè)計208
6.1.1結(jié)構(gòu)疲勞設(shè)計方法概述208
6.1.2焊接結(jié)構(gòu)的抗疲勞設(shè)計215
6.1.3焊接結(jié)構(gòu)件的疲勞試驗219
6.2焊接接頭的抗疲勞措施223
6.2.1焊接接頭的抗疲勞基本方法223
6.2.2焊接接頭抗疲勞的工藝措施224
6.3焊接結(jié)構(gòu)的合于使用評定235
6.3.1焊接結(jié)構(gòu)完整性及合于使用性235
6.3.2含缺陷焊接結(jié)構(gòu)的失效評定 237
參考文獻244