专用结构的疲劳抗性设计与评估技术

某些工业界的焊接结构因焊接接头的几何形状比较特殊而难以从BS7608或IIW那样的通用评估标准中找到合适的S-N曲线数据，于是就针对产品结构特点开发了专用的设计与评估标准。日本标准JIS E 4207：2004《铁路车辆—转向架—转向架构架设计通则》^[4]，就是这样一个专用于铁路车辆转向架焊接构架的抗疲劳设计与评估的标准。JIS E 4207：2004标准的确具有较强的铁路专业特色，它除了提供具有专业特色的疲劳载荷外，还分别提供了关于母材、焊根、焊趾的设计与评估方法。

图4-6 JIS E 4207：2004S-N曲线焊接接头强度等级分类

对于母材，该设计与评估标准提供了材料屈服强度分别为235MPa、355MPa的应力强度图，基于这个图可以按照金属材料疲劳的理论对母材的抗疲劳能力给予评估。

对于焊根，该设计与评估标准认为即使是完全熔合，也会在焊根部位存在细小的熔合缺陷，因此可以将此熔合缺陷视为裂纹，然后建议采用断裂力学的方法计算从焊根开始开裂的疲劳寿命。焊接部位采用双面焊接的方法本是理想的方法，但是在转向架焊接构架上一般使用没有垫板的单面坡口焊接，此时即使焊根完全熔合，也会在焊根部位存在细小的熔合缺陷，因此将熔合缺陷视为裂纹。这样，根据接头类型以及初始裂纹与板厚的比（a/t），确定找到修正系数F_c，然后根据应力变化范围，可以计算得到应力强度因子范围ΔK，接着利用Paris公式积分计算其疲劳寿命。(www.xing528.com)

对于焊趾，该标准针对转向架焊接构架结构的几何特点与载荷特点而定义了一批焊接接头，然后根据这些接头，基于大量的疲劳试验结果，给出了6个疲劳强度等级（A～F），见表4-5。与BS 7608标准、IIW标准一样，每条S-N曲线斜率也是相同的。但是有一点不同于BS 7608、IIW标准，因为它为每条S-N曲线设定了如图4-6所示的水平拐点，即给定了疲劳强度的值。前面已经指出，理论上的S-N曲线是没有水平拐点的，JIS标准在S-N曲线上人为地设定这样的水平拐点，不过是JIS标准认为该点对应的寿命可以满足专业的工程需要。

表4-5 焊缝打磨与焊缝原始状态的疲劳等级的对比

注：强度等级标注一栏中如果有两个等级字母，例如“E、F”，标准中规定是以焊接的姿势来划分的，如强度等级高的“E”适用于平焊和船形焊，而等级低的“F”适用于立焊和仰焊。