焊接结构疲劳分析（第2版）

本书较系统地介绍了焊接结构的疲劳强度及分析方法。全书共分6章，分别介绍了材料的疲劳性能、焊接接头的疲劳强度、焊接结构的疲劳强度分析方法、焊接结构疲劳裂纹扩展断裂力学分析、焊接结构疲劳强度的随机分析和焊接结构的抗疲劳设计与控制。
本书适合焊接结构设计分析的工程技术人员和科研人员使用，也可供相关专业的本科生和研究生参考。

第2版前言
焊接结构耐久性的关键要素之一是焊接接头的疲劳强度。焊接接头的疲劳强度不仅仅取决于单一的焊缝质量，还受控于整体结构的约束、焊接方法和参数、材料性能匹配、焊接缺陷、焊接残余应力、环境条件等多方面因素的综合作用。随着新材料、新工艺和新结构的应用以及极端工作环境的作用，对焊接接头疲劳强度提出了更高的要求。因此，加强焊接结构疲劳强度研究对于保证结构完整性具有重要意义。
近年来，工程结构的疲劳寿命分析与健康管理技术在结构完整性监控方面受到高度重视。疲劳寿命分析的关键是将构件承受的应力应变循环转化为寿命消耗，进而对结构件剩余使用寿命进行预测，需要考虑持久/蠕变、疲劳、材料劣化等损伤所导致的结构件性能衰减。基于失效物理模型和数据驱动的焊接结构剩余使用寿命预测需要采用断裂力学分析方法，建立综合时域应力模型，依据损伤容限评估结构件寿命。焊接结构疲劳分析方法是焊接结构剩余寿命预测的基础。
焊接结构的疲劳破坏往往起源于焊接接头的应力集中区，因此，焊接结构的疲劳实际上是焊接接头细节部位的疲劳。焊接接头的疲劳裂纹萌生取决于焊趾或焊根等应力集中区的局部缺口应力应变状态，疲劳裂纹扩展受控于裂纹（包括缺口效应在内）的局部应力强度因子。因此，焊接结构和焊接接头的疲劳问题需要从不同的层次进行分析，不同层次疲劳分析方法之间相互补充，以满足不同工况的要求。
本书第2版根据焊接结构疲劳强度以及相关研究的发展，对第1版的内容进行了适当的修订。书中内容不妥之处，敬请读者多赐意见。

编著者



第1版前言
疲劳断裂是焊接结构失效的一种主要形式。研究焊接结构的疲劳行为及影响因素，是焊接结构或构件疲劳强度设计的基础。焊接结构的疲劳破坏往往起源于焊接接头的应力集中区，因此，焊接结构的疲劳实际上是焊接接头细节部位的疲劳。焊接接头中通常存在的焊接缺陷、焊接残余应力，都会使焊接结构更易产生疲劳裂纹，从而导致疲劳断裂。焊接接头的力学不均匀性也会对焊接结构的疲劳性能产生重要影响。
研究表明, 在焊接结构疲劳损伤中，焊接接头局部最大应力起着主导作用，焊趾或焊根等应力集中区产生的缺口效应对焊接结构的疲劳强度有较大影响。工程设计中可精确计算焊接构件的名义应力，由于焊接工艺条件所引起的接头缺口效应在设计阶段往往难以准确预估，由此导致焊接结构的疲劳评价很难建立统一的分析方法，需要根据焊接结构的特点及载荷情况分层次进行分析，这是焊接结构疲劳强度设计的显著特点。
本书旨在较系统地介绍焊接结构的疲劳强度及评价方法。编写本书是笔者多年的想法，也是国内焊接结构强度设计与研究人员所需要参考的。
本书由张彦华编著。由于笔者对相关知识的掌握和学识水平有限，很难对焊接结构疲劳强度理论体系有全面准确的把握，书中难免存在不足之处，恳请读者予以指正。

编著者

第1章材料的疲劳性能1
1.1疲劳研究的发展1
1.2疲劳断裂机理2
1.3材料的疲劳强度6
1.3.1应力疲劳与应变疲劳7
1.3.2疲劳极限图13
1.4影响材料疲劳性能的因素17
1.4.1应力集中的影响17
1.4.2尺寸效应 27
1.4.3材料表面状态的影响28
1.4.4温度和环境的影响30
1.5疲劳裂纹扩展31
1.5.1断裂力学参量和断裂判据31
1.5.2疲劳裂纹扩展行为37
1.5.3疲劳裂纹的闭合效应42
1.5.4小裂纹扩展43
1.5.5缺口根部裂纹46
1.6腐蚀疲劳分析48
1.6.1腐蚀疲劳特点48
1.6.2腐蚀疲劳裂纹扩展特性49
1.7变幅载荷谱下的疲劳寿命50
1.7.1变幅载荷谱 50
1.7.2Miner线性累积损伤分析52
参考文献55

第2章焊接接头的疲劳强度57
2.1焊接接头及疲劳概述57
2.1.1焊接接头基本形式57
2.1.2焊接接头组织的不均匀性58
2.1.3焊接接头的缺口效应60
2.1.4焊接接头的疲劳特征61
2.2对接接头的疲劳强度62
2.2.1对接接头的应力集中62
2.2.2对接接头的疲劳强度64
2.3角焊缝接头的疲劳强度67
2.3.1角焊缝接头的应力集中67
2.3.2角焊缝接头的疲劳强度72
2.4点焊接头的疲劳强度79
2.4.1点焊接头的应力集中79
2.4.2点焊接头的疲劳强度81
2.5焊接管节点的疲劳强度81
2.5.1焊接管节点的应力集中81
2.5.2管节点的疲劳性能85
2.6焊接结构疲劳强度影响因素分析86
2.6.1应力集中的影响86
2.6.2焊接残余应力的影响88
2.6.3焊接缺陷的影响92
2.6.4焊接接头组织性能对疲劳强度的影响97
2.6.5板厚的影响98
参考文献100

第3章焊接结构的疲劳强度分析方法102
3.1概述102
3.2名义应力评定方法104
3.2.1名义应力评定方法基本原理104
3.2.2焊接接头的疲劳强度分级105
3.3结构应力评定方法116
3.3.1结构应力与热点应力116
3.3.2热点应力Shs-N曲线121
3.4缺口应力应变评定方法124
3.4.1弹性缺口应力评定方法124
3.4.2弹塑性缺口应力应变分析法129
3.4.3局部应变129
参考文献136

第4章焊接结构疲劳裂纹扩展断裂力学分析138
4.1概述138
4.1.1焊接接头疲劳裂纹扩展与剩余强度138
4.1.2疲劳裂纹扩展寿命评定140
4.2焊接接头应力强度因子145
4.2.1焊趾表面裂纹应力强度因子145
4.2.2焊缝根部裂纹应力强度因子147
4.2.3点焊接头裂纹应力强度因子148
4.3力学失配对疲劳裂纹扩展的影响149
4.3.1焊接接头的强度失配149
4.3.2力学失配对疲劳裂纹扩展的影响151
4.4焊接残余应力对疲劳裂纹扩展的影响158
4.4.1残余应力强度因子158
4.4.2残余应力对疲劳裂纹扩展的影响162
4.5含缺陷焊接结构的疲劳完整性评定162
4.5.1缺陷形状及规则化163
4.5.2焊接残余应力的处理166
4.5.3含缺陷焊接结构的疲劳评定168
参考文献175

第5章焊接结构疲劳强度的随机分析177
5.1疲劳性能数据的随机性177
5.1.1疲劳寿命的离散性177
5.1.2疲劳裂纹扩展的随机性178
5.1.3焊接结构的随机因素178
5.2疲劳强度概率分析方法182
5.2.1疲劳失效概率182
5.2.2疲劳失效概率评估184
5.3疲劳强度统计特性189
5.3.1S-N曲线的统计特性189
5.3.2疲劳裂纹扩展的随机分析193
5.4焊接结构疲劳失效概率分析199
5.4.1焊接结构的随机因素199
5.4.2疲劳强度的概率分析201
5.4.3疲劳裂纹扩展失效概率分析204
参考文献206

都6章焊接结构的抗疲劳设计与控制208
6.1焊接结构的抗疲劳设计208
6.1.1结构疲劳设计方法概述208
6.1.2焊接结构的抗疲劳设计215
6.1.3焊接结构件的疲劳试验219
6.2焊接接头的抗疲劳措施223
6.2.1焊接接头的抗疲劳基本方法223
6.2.2焊接接头抗疲劳的工艺措施224
6.3焊接结构的合于使用评定235
6.3.1焊接结构完整性及合于使用性235
6.3.2含缺陷焊接结构的失效评定 237
参考文献244