基于焊接结构疲劳寿命与焊接工艺设计一体化

本文基于BS、IIW等标准，用VC.NET和MS-SQL开发工具设计开发了一套焊接结构疲劳寿命估算与工艺设计集成系统，实现了分布式的工作平台，从而为设计人员协同设计提供一个好的设计平台。实现了应力疲劳寿命分析和应变疲劳寿命分析、多通道多载荷疲劳寿命估算、对于无实验数据时S-N曲线估计及疲劳寿命估算。实现了IIW标准、BS标准、焊接参数管理等功能。

疲劳破坏， 是铁路车辆的主要失效形式。

它的危害在于， 当车辆主要承载构件承受连续交变载荷时， 将可能比静载荷应力水平低得多的情况下损坏， 由于潜在的危害不易被发觉， 所引起的断裂具有瞬发性， 往往给铁路部门带来意想不到的严重后果。针对车辆疲劳产生机理的复杂性，其分析往往涉及实测数据的大量性，尤其是焊接结构的抗疲劳设计，更加要求在铁路车辆新产品研制过程中进行抗疲劳设计。

在工程上，对于一些简单的疲劳问题，多采用疲劳总寿命法来预测疲劳寿命和指导疲劳设计。主要分为应力—寿命法和应变寿命法两类[1]。应力—寿命法是基于Wohler 提出的S-N 曲线和疲劳持久极限的概念的方法，多用于无限寿命设计。材料的基本S-N 曲线是指光滑材料在恒幅对称循环应力作用下应力幅与疲劳寿命的关系曲线。可以通过试验的方法测量材料的S-N 曲线。应力比或平均应力对其有一定的影响。一般来说，当平均应力Sm > 0，S-N 曲线下移，如果Sm < 0，则S-N 曲线上移。应变—寿命法是建立在材料承受的应变幅与疲劳寿命的关系上，由Coffin 和Manson 在热疲劳问题的过程中提出了以应变幅作为参量的疲劳寿命描述方法[2] [3]。

2. 焊接结构对疲劳影响 对于焊接结构的疲劳强度评估系统主要根据疲劳控制部位，也就是指容易出现疲劳裂纹并导致整个构架疲劳失效的部位。疲劳控制部位的寿命代表了构架的整体寿命。正确的确定构架上疲劳控制部位是动应力测试的关键环节之一。对于危险部位主要出现在如下几个方面： 1) 通过有限元应力分析，确定静应力最大和较大部位定为关注点； 2) 通过对焊接接头的细部设计，对焊缝区和焊趾处； 3) 通过对构架的模态分析和传递动载荷而大小又难以确定的部位； 4) 调查分析构架在疲劳试验或运用中曾经出现过疲劳裂纹的部位。

确定好危险部位之后，然后通过针对危险部位进行疲劳寿命评估，从而得出各处的疲劳寿命，采用可靠性原理就可以计算出系统的疲劳寿命。

为了保证焊接结构的寿命，就需要有相应的焊接工艺来保证。焊接工艺主要包括焊接工艺参数的选择、焊接材料的选择、焊接设备、焊接坡口和接头等。对于焊接质量是否得到保证我们还提供了焊接残余应力和焊接变形方面的技术来保证。

C = (kSu)m × 106, m = 3/lg(0.9/k)， 对于这种估计的S-N 曲线， 只用于寿命为103~106 之间的疲劳估计， 不易外推。