焊接結構疲勞設計或評定過程中,計算或測量應力時,應注意應力類型,不同的應力類型對應有不同的疲勞強度,或對應有不同的S-N曲線表達方式。
焊接結構疲勞設計或評估時應當注意用什麼樣的應力類型呢?美國AAR標準及當前國內使用的應力類型主要是名義應力;歐洲焊接界使用的應力類型主要是名義應力,熱點應力,或稱之為幾何應力,前者用於工程,後者用於研究:而美國從2007年起,在ASME(2007)標準中用的是結構應力及等效結構應力。
(1)名義應力
或稱標稱應力,概念上,名義應力必須是能用材料力學公式計算出來的具有平均意義的應力,它可以貼片測得。在AAR、BS、IIW標準中,S-N曲線是用名義應力定義的,但是,工程運用中,當焊接接頭的結構複雜、載荷也複雜時,這類用材料力學公式計算的名義應力是不存在的,此時,只能用有限元方法獲得焊接接頭上平均意義上的名義應力,這時,我們可以稱其為廣義名義應力。
由於名義應力是平均意義上的應力,這是為什麼從有限元計算結果拾取名義應力時,不要從「焊縫」上拾取的基本原因。
同時,還要強調指出:對於機車車輛而言,不論是車體,還是轉向架,其焊趾附近的平均意義上的名義應力,或屬於單向應力狀態,或屬於雙向應力狀態,拾取時,如果是雙向應力狀態,應拾取最大主應力代表名義應力參與計算,具體規定,見BS、IIW標準。
(2)熱點應力
或稱為幾何應力,是焊縫接頭焊縫焊趾處的非線性應力的一部分,不能用貼片方式直接測得,但是,可以通過一組片外推插值間接獲得,少數情況下可以用有限元方法獲得,詳細內容見IIW標準。
(3)結構應力
是由外力引起的焊縫接頭焊縫焊趾或焊根處上的應力,它具有明確的物理意義,可以通過一組片外推插值間接獲得,亦可以用適當的有限元方法獲得,它反映了焊址或焊根處的應力集中,詳細內容見ASME(2007)標準。
(4)等效結構應力壽命
是基於斷裂力學裂紋擴展表達式,積分獲得的一個參數,且用於計算疲勞壽命。在這個基於斷裂力學表達式的等效結構應力中,不僅考慮了焊接接頭板的厚度的影響、載荷模式的影響,也考慮了應力集中的影響,詳細內容見ASME(2007)標準。
多少年來,工程中的S-N曲線一直採用名義應力表示(不可將它與用熱點應力表示的S-N曲線混為一談,比較而言,後者很難獲得),其歷史原因是,研究總是從簡單問題開始,名義應力可以用材料力學的公式計算,或者用貼片的方法測試,對簡單的焊接接頭而言,名義應力是合適的,雖然人們知道疲勞破壞總是發生在在焊縫上,但是,如何在焊縫上獲得那些應力,卻是困難的。從名義應力到熱點應力,人們一直沒有停止對焊縫或焊根上的高度非線性應力的追求,但是,直到董平沙教授提出了結構應力的概念之後,以及2007年美國ASME標準中增加了董平沙教授發明的《網格不敏感的結構應力法及主S-N曲線法》,這個問題才得以根本解決。