基于焊根位移的未焊透焊接接头根部疲劳寿命评估新方法

《Welding in the World》：Fatigue life evaluation of root failure in welded joints based on displacement around the weld root

本研究针对传统名义应力法在评估几何复杂焊接接头根部疲劳失效时的局限性，提出了一种基于焊根位移的疲劳评估方法。通过线性弹性有限元分析提取距焊根1 mm处的位移参数，结合基于Paris定律的尺寸修正因子，建立了归一化位移-寿命曲线（Δd/F-N曲线）。研究基于398组疲劳试验数据验证表明，该方法相比传统S-N曲线具有更高预测精度（相关系数-0.883）和可靠性（散点比2.227），为复杂接头根部疲劳评估提供了物理意义明确且网格不敏感的解决方案。

　　

在桥梁、建筑和海上平台等工程结构中，承载式十字接头和对接接头广泛应用于关键连接部位。这些接头在循环载荷作用下容易发生疲劳破坏，特别是当存在未焊透缺陷时，疲劳裂纹往往从难以检测的焊缝根部萌生。与传统焊缝趾部裂纹相比，根部裂纹更具隐蔽性，且其评估方法存在显著挑战。

目前工程实践主要采用名义应力法进行疲劳评估，国际焊接学会（IIW）建议对未焊透的承载十字接头采用FAT 36或FAT 40设计曲线。然而，当接头几何复杂或应力分布不均时，焊缝喉部名义应力难以准确定义。虽然有效缺口应力（ENS）方法提供了替代方案，但其计算成本高且依赖缺乏物理基础的假定缺口半径。一毫米应力法虽避免了虚构半径，仍需要精细网格划分。这些局限性促使研究人员寻求更优解决方案。

为此，日本名古屋大学与印尼Sebelas Maret大学联合研究团队在《Welding in the World》发表论文，创新性地提出基于焊根位移的疲劳评估方法。该方法通过位移参数直接表征根部区域的局部变形行为，兼具物理明确性和网格不敏感性优势。研究团队建立了包含398个根部失效试样的疲劳数据库，涵盖十字接头和对接接头在轴向及弯曲载荷条件下的试验结果，为方法验证提供了坚实数据基础。

关键技术方法包括：采用线性弹性有限元模型（1 mm网格）计算距焊根1 mm参考点的位移场；通过网格敏感性分析确定最优参数测量方案；基于Paris裂纹扩展定律推导尺寸修正因子，将位移参数归一化为无量纲形式；利用最小二乘线性回归（固定斜率m=3）建立特征设计曲线。

位移参数定义与验证

研究将焊根位移定义为疲劳损伤参数，其中开口位移（Δu）对应I型断裂，剪切位移（Δv）对应II型断裂，合成位移（Δd）则综合表征混合模式条件。通过典型试样FL-O45的有限元分析表明，即使在最粗网格（1 mm）下，距焊根1 mm处的位移计算精度仍达98%。

传统方法与位移方法对比

名义应力法分析显示数据与FAT 36曲线吻合良好（散点比2.255），但不同接头类型呈现显著差异：弯曲载荷十字接头疲劳强度高于轴向载荷，双面对接接头优于单面配置。

位移方法中，Δu-N曲线散点比增至2.397，而综合考虑混合模式的Δd-N曲线改善至2.277，证实合成位移参数的优越性。

尺寸效应修正与归一化

通过Paris定律推导出中心裂纹（十字接头和双面对接接头）和边裂纹（单面对接接头）的修正因子：F_CC=1.59×10⁴(1-ν²)/EW^1/6(a_i/cos(πa_i/W))^1/2和F_EC=1.01×10⁴(1-ν²)a_i^1/2/E。归一化后的Δd/F-N曲线相关系数提升至-0.883，散点比降至2.227，实现跨几何尺寸的统一评估。

研究结论表明，基于焊根位移的疲劳评估方法在预测精度和可靠性上均优于传统名义应力法。提出的归一化Δd-N曲线（N=11.537(Δd/F)^-3）为复杂焊接接头提供了物理意义明确、网格不敏感的疲劳设计工具。该方法克服了传统方法在应力奇异性和几何适应性方面的局限，为工程结构安全评估开辟了新途径。