焊接结构的疲劳载荷分析

疲劳载荷可分为两类，一类是其大小和方向随时间周期性变化的载荷，称为交变载荷；另一类是大小和方向随时间随机变化的载荷，称为随机载荷。

由于外载荷的改变必然引起结构应力的变化，一个周期的应力变化过程称为一个应力循环，应力循环特点可用循环中的最大应力σ_max和最小应力σ_min来描述，在疲劳载荷的描述中经常使用应力幅σ_a和应力变化范围Δσ的概念，定义如下：

Δσ=σ_max-σ_min （2-2）

通常用最小应力与最大应力的比值R来描述循环应力的不对称程度，R称为应力比，即：

由定义可知，当R=-1时的循环应力即为对称循环应力，当R≠-1时的循环应力统称为不对称循环应力，R=0时的循环应力为拉伸脉动循环应力，R=-∞时的循环应力为压缩脉动循环应力。(www.xing528.com)

凡是导致焊接结构内部应力随时间变化的动态事件均可以定义为该结构的疲劳载荷。然而疲劳载荷的确定却不是一个简单的问题。在某些标准中给出了疲劳试验载荷，给定了疲劳试验载荷的加载频率是不变的常数，但事实并非如此，轨道车辆焊接结构实际承受的载荷频率不是常数而是随机数，如行驶在不同的线路上，甚至是在同一条线路上不同的区间里，激扰载荷的频率成分都有可能不同，这时一旦激扰载荷的某个频率成分与焊接结构中某个局部结构的固有频率成分接近时，即力学上所谓的“落进某个频率禁区”，该结构局部的应力响应必然会引起变化，在后面的计算公式中可以看出，如果应力变化范围被放大，对疲劳寿命的负面影响将更大，这也是为什么英国标准BS 7608早就给出了这样的警示：“在评估疲劳性能时，疲劳载荷的真实估计对于寿命计算来说极为重要，且所有类型的循环载荷都需要考虑在内。”^[3]

关于疲劳载荷的重要性，如果从哲学的角度来阐述将更有助于读者深刻理解，因为对焊接结构而言，不管它表现出来的疲劳现象是多么错综复杂，但是现象背后的影响因素其实只有两个：一个是焊接结构内部自身的抵抗疲劳的能力，即内因；另一个是焊接结构所承受的疲劳载荷，即外因。本书后面的公式已证明，疲劳寿命与应力这二者之间存在着一种近乎三次幂的下降关系，因此在对待疲劳载荷这个因素时必须要持谨慎的、科学的态度，如果忽视外因很可能会导致结构不适合应用条件而引起疲劳破坏，如某工厂曾经将已经在国内应用成熟的轨道车辆产品出口到线路等级极低的某个国家，结果不久焊接构件上的一条焊缝就发生了疲劳开裂。

在讨论疲劳载荷的重要性时，还有另外一个问题也不可忽略，即如何将焊接结构上的全局性疲劳载荷转化为每个焊接接头上的疲劳载荷，如果做不到这点，面向工程的焊接接头的抗疲劳设计就难于量化执行，为了解决这个问题，本书提出了利用有限元结构技术间接获得的策略，相关细节将在第七章中通过案例给予具体的介绍。