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1. 研究目的与意义（文献综述）
1.1 选题背景与工程意义
1.1.1 焊接结构
20世纪早期，第一次世界大战和第二次世界大战中对军用设备的需求量很大，与之相应的廉价可靠的金属连接工艺受到重视，进而促进了焊接技术（图1,2,3）的发展。为了减轻载荷，节省资源，提高工作效率，以及简化结构细节等，焊接成为了结构的主要连接方式。战后，先后出现了几种现代焊接技术，包括目前最流行的手工电弧焊、以及诸如熔化极气体保护电弧焊、埋弧焊(潜弧焊)、药芯焊丝电弧焊和电渣焊这样的自动或半自动焊接技术。20世纪下半叶，焊接技术的发展日新月异，激光焊接和电子束焊接被开发出来。今天，焊接机器人（图4）在工业生产中得到了广泛的应用。研究人员仍在深入研究焊接的本质，继续开发新的焊接方法，并进一步提高焊接质量。
2. 研究的基本内容与方案
1.2 焊接结构的疲劳强度的研究发展及现状
1.2.1 疲劳研究发展
对焊接结构的疲劳强度研究主要是以金属结构为载体，随着金属结构的疲劳强度深入研究而发展[2-5]。日内瓦国际标准化组织（ISO）将金属材料的疲劳（MetallicFatigue）定义为[5]：金属材料在应力或应变的反复作用下所发生的性能变化叫作疲劳。金属材料在应力或应变的反复作用下所发生的性能变化叫作疲劳。
德国工程师Wholer在1852-1870年间做的循环载荷试验是工程上最早的基础疲劳强度试验，以铁路车轴为例,说明了钢材在循环载荷作用下的强度要远低于静载强度下的情况,疲劳寿命会随着应力幅的增加而减少,当应力幅低于某一数值的时候,即使循环次数再多,试件也不会断裂。并且指出,应力的幅值远比应力的最大值重要，于十九世纪六十年代测定出了第一条S-N曲线，从此奠定了疲劳破坏的经典强度理论基础。
1874年，Gerber基于的Wohler疲劳强度理论，研究了平均应力对疲劳寿命的影响，提出了包含平均应力因素在内的Gerber方程，进一步推进了疲劳寿命研究的发展。1899年，Goodman在平均应力对疲劳寿命影响方面，展开了更加深入的研究工作，提出Goodman方程，目前仍在工程应用中普遍使用。基于以上的研究，1920年，Griffith对金属材料脆性断裂进行了研究，提出了裂纹扩展能量理论及材料脆性断裂公式S=C，其中S表示材料断裂时的名义应力，a为断裂时的裂纹长度，这标志着断裂力学的开端，并于20世纪50年代，建立裂纹尖端应力场强度理论，从此，断裂力学的研究方法开始走向成熟。
1945年，Miner通过对线性累积损伤理论的研究，得到简单的表达公式，后来用这个公式来研究疲劳寿命的方法称为Miner法则，由于其使用方便，至今仍在工程中普遍使用。
1961年，Paris将线弹性断裂力学理论应用于疲劳寿命预测，提出了横幅载荷下裂纹扩展速率与应力强度因子之间关系的Paris公式：da/dN=C(ΔK)n，给疲劳破坏的研究提供了估算裂纹扩展寿命新方法，发展了“损伤容限设计”的概念，并成为20世纪疲劳强度设计新的发展方向，至今仍有大量国内外研究者通过各种试验观察研究裂纹扩展规律。此后，Forman和Walker考虑应力比对裂纹扩展的影响，分别提出了Forman公式和Walker公式[6]。
综上所述,焊接结构的疲劳破坏是一个控制参量随机变化比较强且影响因素众繁多、涉及到范围广的问题。图11所示的是对疲劳影响因素的一个图解。由图11可见在如此多的影响因素下想要使得疲劳寿命能够被精确的预测是非常困难的。
| 在焊接构件拐角处，由于应力集中的存在，使得非线性应力部分占据很大一部分，这样得到的拐点应力（热点应力）不能直接用于结构的疲劳强度评估之中。焊接结构疲劳的研究方法目前主要有以下几个方面[7]：名义应力法、热点应力法、缺口应力、应变法以及断裂力学法等，这些研究方法依据不同的参数对焊接结构的疲劳寿命进行描述(如图12所示)。 1.2.2 名义应力法 传统的名义应力法，以国际焊接学会IIW标准[8]（图13即提供的标准缺陷）或英国BS7608 [9]标准中提供的焊接接头S-N曲线试验数据，依据累积损伤理论进行寿命评估。该方法用简单公式进行计算来判断母材受载横截面上的名义应力是否小于疲劳断裂时的持久名义应力，即是否小于材料在室温疲劳载荷下破坏时的临界应力。持久名义应力或许用名义应力可根据焊接接头的形状、尺寸、焊缝类型、加载情况以及制造加工影响等因素来确定。Gurney[10],Hobbacher[11],Yagi[12]等以名义应力的方法对焊接结构疲劳展开研究，通过具有典型焊接接头的疲劳试验获得S-N曲线，结合载荷谱分析，按照一定的损伤法则预测焊接结构的疲劳寿命。随着对结构可靠性要求的增加，名义应力法中的疲劳寿命曲线还要求用带保证率的疲劳寿命曲线，即P-S-N曲线,高镇同[13]，熊峻江[14]等关于P-S-N曲线进行了升入研究并取得了比较好的结果，提出了测定P-S-N曲线的极大似然法和相关理论。 名义应力法虽然可以方便的运用于在规范规定下的各类型典型接头的疲劳计算，但是却忽略了焊接连接结构带来的应力不连续效应，对于比较复杂焊接接头的分析会造成较大的误差且很难对结果进行复查。要通过试验得到构件的P-S-N曲线,所费的人力、物力和时间会更多。因此,名义应力法在工程应用中受到一定的限制，需要寻找一种适应性更强、成本较低且精度高的焊接疲劳寿命预测方法是检验焊接结构的新课题。 1.2.3 热点应力法 热点应力法又称结构几何应力法[15]，包括除焊缝形状本身所产生的应力集中外，焊接局部的所有集中应力，是指将最大结构应力或几何应力（热点位置处）作为应力提取的基准值，分析结构几何变化对焊接结构的应力集中效应，但是对于非线性应力部分（缺口、裂纹或焊缝等引起）却不予考虑。它-般作用在焊趾处，因为焊趾处是应力最为集中的位置，也是裂纹最易萌生和扩展的位置。 采用热点应力法评价焊接结构疲劳寿命时，参考点要以板厚为参考。焊接结构的结构应力分析最初是由W.Kloth作出，对结构应力作了系统的测定，这对汽车工业特别有用。EHaibach则从方法上奠定了定量分析的可靠性基础。结构应力分析早期主要用于压力容器结构之中。海洋钻井平台的十字管接头也是依据结构应力进行设计，设计建造船舶时确定其结构应力将有利于作出更为符合实际的强度预测。这种方法最大的优点即以一条S-N曲线可以表示不同类别焊接接头的疲劳强度，因而可大大减少接头按疲劳强度划分的级别。 但是热点应力法自从1991年才开始引起工程界重视,目前的研究尚处于起步阶段。而且热点应力法只考虑了表面一点上的应力状态，无法描述焊趾附近区域的应力分布,而裂纹的萌生与扩展是跟焊趾附近的应力分布直接相关的。因此，热点应力法对焊接构件疲劳强度的评估目前尚存在不足。 1.2.4 局部法 局部法[16]是近年来发展起来的一种用于针对焊接接头评定的新方法。局部应力法的基本原理是，焊接接头的疲劳破坏都是从焊趾或焊根处的高应力区开始的。只要高应力区的局部参量相同，焊接接头就具有相同的疲劳性能。通过建立局部参量与疲劳寿命之间的关系曲线，从而准确描述焊接接头的疲劳强度。局部法可以充分考虑焊接接头局部焊缝等因素的影响，能够准确反映焊接机构的疲劳行为，受到了工程界的普遍正视。 1.2.5 N-SIF和能量法 缺口应力、应变法是基于材料线弹性理论，把焊趾与焊接根部作为一个缺口来处理。在使用该方法对焊接结构疲劳寿命研究时，可使用应变计对焊趾进行测量，也可用有限元方法或边界元方法进行计算。目前，国际焊接协会IIW的有关文件建议是缺口半径在一般情况下定位1mm，同时如果不特殊指定，认为对接焊缝缺口角为30°，角焊缝角度为45°。由于缺口应力或应变是影响焊接结构和试件疲劳强度的主要因素，因此缺口应力或应变方法的重要性不仅在于其本身接近实际情况、能更合理地将试件的试验结果用于实际结构，同时也在于它为改善结构强度提供了一种新的分析方法。 近年来，基于缺口应力强度因子(N-SIF)的方法得到了新的发展。假定缺口尖端半径为零，则可以根据Williams方程[17]来公式化二维缺口中的应力场，从而产生主要的N-SIF，它取决于缺口的张角2α。在2α=0°的情况下，N-SIF对应于深度等于狭缝长度的二维裂纹的应力强度因子。N-SIF方法的一个重要优点是虚拟的切口舍入不再需要，并且在SED和峰值应力方法中可以使用更粗的有限元网格。 Lazzarin和Tovo的研究表明，该N-SIF可作为循环加载焊接接头[18]寿命预测的疲劳参数，并从数百次疲劳试验中推导出相应的设计S-N曲线，显示出较窄的分散带[19]。由于N-SIF的计算需要极为精细的有限元网格[18]，因此我们找到了另一种方法，即使用缺口尖端[20]附近小控制体积内的平均应变能密度(SED)，如图16所示。对于2α=135°的钢，控制体积半径为RC=0.28mm;对于2α=0°的焊缝根部，控制体积半径为RC=0.36mm。保守地认为，后者为RC=0.28mm，为两种缺口类型（V 形和U形图17、18为基于结构应力的V、U型缺口试样的疲劳测试结果和平均S-N曲线[21]）提供了一种设计S-N曲线。 在分析有限元过程中,由于切口尖端存在着奇异性,在尖端一点处的应力或是应变能将会趋向于无穷大。但是尽管如此,切口尖端附近的一微小区域内的应变能是一个有限的数值且可以认为焊接接头的疲劳强度是由该数值控制的。通过对构件的局部应力应变分析与计算,并用光滑材料试样的疲劳寿命曲线来预测构件的疲劳寿命。 切口应力强度因子（N-SIF）己经被证实可以作为控制焊接接头疲劳强度的局部参量。本文将会基于切口应力强度因子（N-SIF）和应变能密度法来评估焊接接头的疲劳强度。
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3. 研究计划与安排
1.3 本文主要工作
本文主要目的是研究在焊接件拐角处，由于应力集中的存在，使得非线性应力部分占据很大一部分，这样得到的拐点应力（热点应力）不能直接用于结构的疲劳强度评估之中。为此，在切口强度理论的基础上，本课题基于n-sif和能量法评估焊接结构的应力场和疲劳强度，将为提高焊接结构疲劳评估的精度作为一定的参考。
结合多个影响焊接结构疲劳性的因素，运用基于切口应力强度因子（n-sif）的应变能密度法进行解决。具体研究如下：
4. 参考文献（12篇以上）
1.4参考文献
[1] 拉达伊.郑朝云、张式程译焊接结构疲劳强度[m].北京.机械业出版社.1994.
[2] wei shen, renjun yan, enqian liu, lin xu. fatigue growth behaviour for surface crack in welding joints under combined compressive and bending stresses [j]. international journal of fatigue, 2015, 77:50-63.
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