如何选择适合的疲劳分析方法？

3.4.3.1 名义应力法

名义应力法是应用最广泛的疲劳分析方法之一，钢结构的大部分设计准则中的疲劳分析是以这种方法为基础的。一般认为，如果符合以下条件，就可采用名义应力方法获得满意的结果：

1）名义应力可方便确定。

2）结构不连续性与设计准则中的某种结构细节类似。

3）构件中不存在严重缺陷。

图3.4-13 应力变化、应力类别以及疲劳分析方法的相关性

3.4.3.2 热点应力法

热点应力法通常适用于变动载荷垂直于焊趾方向的接头中，这种情况下，常常假定裂纹在焊趾部位产生。这一方法不适合于裂纹产生于埋藏缺陷或角焊缝根部的接头。一般来说，热点应力法适合以下情况：

1）由于结构中复杂的几何因素，很难准确确定名义应力。

2）结构不连续性与设计准则中的任何一个细节均不相似。

3）结构的试验中可采用应变片测量应力。

4）接头错边或角度偏差超出名义应力方法中S-N设计曲线所包含的制造误差。

3.4.3.3 缺口应力/应变法

名义应力法和热点应力法常用于分析结构断面完全断裂时的寿命或在厚板结构或壳结构中形成宏观穿透裂纹时的寿命。与这两种方法不同，缺口应力/应变法可用于预测缺口根部的裂纹萌生寿命。

线弹性缺口应力法可用于长寿命（高周次）疲劳分析，此时裂纹萌生和裂纹早期生长占寿命的主要部分。在这一方法中要求焊缝几何特征已知。而在名义应力法和热点应力法中认为焊缝局部几何特征为影响接头疲劳强度的统计学随机变量。(www.xing528.com)

线弹性缺口应力法也可用于多轴非比例应力状态的情况。在这种情况下主应力的方向是变化的。以主应力作为等价应力会得到非保守结果。

缺口应变法适用于存在椭圆类缺口的无裂纹构件，如机加工构件、焊趾打磨或等离子弧切割边等情况，此时裂纹萌生寿命主导总体寿命。但对结构钢焊态接头来说，焊趾处通常存在深度为0.05～0.25mm的裂纹类不连续缺陷。这种情况下，采用缺口应变法进行结构钢焊态接头的疲劳分析不太合适。

为了能预测总体寿命，可将局部缺口应变法与断裂力学方法结合使用。断裂力学方法可以用来预测裂纹扩展寿命，即裂纹从初始尺寸扩展到产生最终断裂尺寸时的寿命。实际中，起始裂纹尺寸不易确定，这一尺寸因缺口几何特征的变化而不同。

进行局部缺口应变法分析时常需要相关材料的大量性能数据。局部缺口应变法的另一个特点是对在缺口根部区域的平均应力很敏感。对缺口根部焊接残余应力值的确定以及残余应力的释放的估算偏差常会导致疲劳裂纹萌生寿命的预测有较大的误差。

3.4.3.4 断裂力学方法

断裂力学方法是一种通用的方法，适用于要求损伤容限设计或者需要对含缺陷结构进行合于使用原则评价的情况。采用断裂力学方法分析裂纹扩展可以获得以下数据。

1）焊接接头的期望寿命。

2）含裂纹构件的剩余寿命。

3）裂纹容限尺寸。

4）材料所需的断裂韧性。

5）在役检测的频率。

6）在役检测的精度要求。

7）对设计或制造改进的影响。

与局部应变法不同，断裂力学方法假定存在一个初始裂纹，因此断裂力学方法是预测裂纹从某一初始尺寸扩展到最终尺寸时的寿命。值得注意的是，结构钢焊缝一般并无明显的萌生寿命。