变幅载荷下高频机械冲击处理纵向加劲肋的不同疲劳评估方法对比

《Welding in the World》：Comparison of different fatigue assessment methods for HFMI-treated longitudinal stiffeners under variable amplitude loading

　　

近年来，由于高频机械冲击（High-Frequency Mechanical Impact, HFMI)处理技术的广泛研究，相关设计规范和建议的修订中越来越多地纳入了HFMI处理的规定。这一趋势通常预示着HFMI处理在实践中的更广泛应用，从而为实现资源节约型和耐久的轻量化结构提供了潜力。然而，指南数量的增加也伴随着疲劳寿命评估方法和HFMI处理焊缝疲劳寿命评价方面的一些差异，这可能导致疲劳寿命估计出现分歧。因此，本研究分析了现行及即将出台的设计规范和推荐中针对HFMI处理焊缝提供的评估方法之间的差异，特别是名义应力法（nominal stress approach）和有效缺口应力法（effective notch stress approach）。总体而言，结果表明现行设计规则导致保守的疲劳评估，意味着提高的疲劳强度潜力无法在疲劳寿命估计中得到充分体现。该研究主要关注考虑不同应力比（R-ratio）的选项，以及焊态（As-Welded, AW）与HFMI处理S-N曲线交点的影响，重点强调变幅载荷（Variable Amplitude Loading, VAL）的评估。研究发现，特别是在R = ?1时，由于缺乏对该效应的考虑，疲劳评估趋于过度保守。此外，结果表明忽略AW与HFMI S-N曲线之间的交点可能导致更为保守的疲劳评估，尤其是在较高应力幅范围内。该研究中对不同疲劳评估方法的比较聚焦于现行国际焊接学会（International Institute of Welding, IIW）建议和即将修订的欧洲规范（Eurocode）。应用不同评估方法并未显示出疲劳估计方面的显著差异，因为针对该研究中考虑的两项指南均获得了保守结果。该比较基于结构细节"纵向加劲肋"在变幅载荷下的疲劳试验数据进行。

近年来，HFMI处理技术在提高焊接接头疲劳强度方面的有效性已通过大量研究得到证实，促使该技术被逐步纳入现行及即将出台的设计规范与指南中。2024年IIW对其焊接接头疲劳评估建议的更新已将HFMI处理的相关内容纳入修订版。与此同时，欧洲设计规范的修订也将HFMI处理纳入疲劳设计指南，其中现行prEN 1993-1-9草案中的规定基于德国DASt 026指南。尽管规范数量的增加预示着HFMI处理应用前景广阔，但不同规范在疲劳寿命评估方法上存在差异，这可能导致评估结果出现分歧。

研究人员针对这一问题，以单侧纵向加劲肋为结构细节，系统对比了IIW建议与prEN 1993-1-9草案中基于名义应力法和有效缺口应力法的疲劳评估方法，重点考察了变幅载荷条件下的评估差异。研究结果发表在《Welding in the World》期刊，对于完善HFMI处理焊接结构的疲劳设计方法、推动轻量化结构发展具有重要意义。研究采用的关键技术方法包括：使用S355J2+N钢材制备单侧非承载纵向加劲肋试样，由德国布伦瑞克工业大学焊接研究所在"HFH-Vario"科研项目中采用熔化极活性气体保护焊（Metal Active Gas Welding, MAG）完成焊接，并对疲劳临界焊趾区域进行HFMI处理；开展应力比R = 0.1和R = ?1条件下的恒幅载荷（Constant Amplitude Loading, CAL）和p(1/3)谱随机序列变幅载荷疲劳试验；采用线性回归统计分析确定S-N曲线参数；基于有限元分析计算有效缺口应力，采用r_ref = 1 mm标准参考半径，并对比真实焊趾几何测量结果；运用Palmgren-Miner线性损伤累积法则进行寿命估算。

研究结果部分，"恒幅载荷疲劳试验结果"显示：R = 0.1时，CAL试验得到的平均疲劳强度Δσ_50% = 133 MPa，略高于IIW推荐的FAT 125，特征疲劳强度Δσ_c = 115 MPa略低于FAT 125；VAL试验平均可承受应力幅Δσ_50% = 259 MPa，特征值Δσ_c = 240 MPa，S-N曲线斜率m = 4.49与CAL接近，表明基于试验S-N曲线的线性损伤累积可较准确计算寿命。R = ?1时，CAL试验平均疲劳强度Δσ_50% = 206 MPa，特征值Δσ_c = 168 MPa，远超IIW和prEN规定的FAT等级；VAL试验平均可承受应力幅Δσ_50% = 442 MPa，特征值Δσ_c = 374 MPa，但有效数据点较少，统计结果应视为趋势。

"基于名义应力的寿命估算"结果表明：采用IIW的FAT 125时，R = 0.1的评估结果偏非保守，而R = ?1则显著保守；采用prEN的FAT 100时，两种应力比下均保守。考虑AW与HFMI S-N曲线交点对R = 0.1影响甚微，但对R = ?1可使损伤和均值从17.0降至13.8，显著改善评估准确性。等效应力幅计算中，IIW采用D_spec = 0.5比prEN的D_spec = 1.0更为保守。

"基于有效缺口应力的寿命估算"结果显示：采用IIW规定的FAT 320评估得到保守结果，R = 0.1时平均损伤和D_M = 3.3，R = ?1时D_M = 31.4，较名义应力法更为保守。有限元计算得到应力集中系数K_t = 2.90，而基于真实焊趾半径r_HFMI = 1.98 mm的计算得K_t,real = 2.67，表明采用r_ref = 1 mm对HFMI处理焊缝可能过于保守。

"R比效应"分析表明：HFMI处理在R = ?1时的疲劳强度提升幅度大于R = 0.1，特征疲劳强度提高46%，这归因于平均应力敏感性、压缩残余应力保持以及裂纹闭合效应的差异。两种规范未对R = 0.1和R = ?1区分FAT等级，导致R = ?1时评估过度保守。

研究结论部分翻译如下：该研究对比了基于名义应力和有效缺口应力的不同疲劳评估方法，用于HFMI处理纵向加劲肋在变幅载荷下的寿命估算。基于试验S-N曲线的计算寿命与试验寿命吻合良好，表明线性损伤累积一般可提供可靠的变幅载荷寿命估计，只要恒幅载荷S-N曲线的结构细节与变幅载荷一致。基于此结果，IIW建议中针对变幅载荷采用的降低许用损伤和D = 0.5被视为保守的。

作为该研究的一部分，IIW建议和即将修订的EC3中的名义应力法疲劳评估方法已通过HFMI处理纵向加劲肋在变幅载荷下的实例进行了比较。此外，通过IIW名义应力法研究了在疲劳寿命评估中考虑AW与HFMI疲劳抗力S-N曲线交点的影响。可得出以下结论：

R比影响在恒幅载荷下可被观察到，在R = 0.1和R = ?1时产生了不同的试验FAT等级：R = ?1时由恒幅载荷试验得到的平均疲劳强度比R = 0.1高约55%。由于两组恒幅载荷试验的离散性相当，两种应力比下的特征疲劳强度Δσ_c观察到相似的相对差异。R = ?1时的试验FAT等级比R = 0.1高约47%。然而，这一R比影响在当前IIW建议或prEN中并未体现，因为两者针对HFMI处理纵向加劲肋的R = 0.1和R = ?1规定了相同的FAT等级。该研究获得的R = 0.1时特征疲劳强度Δσ_c = 115 MPa略低于IIW推荐的FAT 125，尽管仅有一个数据点位于FAT 125的S-N曲线下方，其余数据点均位于其上或略高于该曲线。

两种规范对单侧纵向加劲肋这一结构细节规定了不同的FAT等级。然而，得到的疲劳评估结果具有可比性：可以观察到，采用IIW建议提供的FAT 125进行HFMI处理纵向加劲肋疲劳寿命评估，在要求95%存活概率的条件下，对于R = 0.1的纵向加劲肋结构细节，使用偏离IIW的许用损伤和D = 1.0可能导致非保守的疲劳寿命评估。相比之下，R = ?1时的疲劳评估是保守的。就本研究使用的试验结果而言，IIW给定的FAT 125似乎偏乐观。无论如何，采用降低的许用损伤和D = 0.5将解决这一安全问题。然而，按照prEN 1993-1-9进行名义应力法评估，在R = 0.1和R = ?1均得到保守的疲劳寿命估计。就IIW建议和prEN 1993-1-9本身的损伤累积程序而言，在保守性方面未观察到主要差异，且在应用可靠的FAT等级作为基础时两者均显得准确。IIW和prEN对HFMI处理焊缝疲劳评估给出的限制条件似乎是保守的，因为超出这些限制并未在本研究中导致寿命降低。

未对R = 0.1和R = ?1进行区分——导致R = ?1时结果过度保守：在结果准确性方面发现了不同R比之间的差异。使用名义应力法和有效缺口应力法在R = ?1时均获得显著更保守的结果。如2.3.2节所述，R = ?1时变幅载荷疲劳试验的样本量较小，影响了疲劳结果的离散性和统计评估。因此，R = ?1获得的结果应视为趋势。

两种规范在疲劳估算中考虑S-N曲线第三斜率（交点）的方式存在差异。在prEN规定的FAT等级S-N曲线中，超过交点的应力幅范围考虑了第三斜率。IIW也建议考虑HFMI与AW S-N曲线之间的这一交点。然而，计算等效应力幅Δσ_eq所需的代表AW条件的第三斜率值并未在该方程中使用。

关于第三斜率的考虑，对得到的疲劳估算产生了可观察到的影响。在R = 0.1时，考虑交点未显示出显著影响。相比之下，R = ?1时的结果表明，对于包含相对较高应力幅的变幅载荷，考虑交点以上的AW S-N曲线具有影响。因此，结果表明应将第三斜率纳入等效应力幅的计算，以便尽管高强度范围下疲劳强度降低，仍能充分利用HFMI处理在疲劳寿命评估中的潜力。

此外，还应用IIW建议的有效缺口应力法进行了疲劳寿命估算，结果与基于名义应力法获得的结果进行了比较。

应用有效缺口应力法导致比使用名义应力法更为保守的疲劳寿命估计。因此，结果表明尽管确定应力需要增加计算工作量，但有效缺口应力法并未提高疲劳寿命评估的准确性。相反，有效缺口应力计算得到的损伤和结果，与基于试验推导的FAT 144和prEN 1993-1-9的FAT 100之间的FAT等级进行疲劳寿命估计的结果相似。这进一步证实了FAT 125对于纵向加劲肋结构细节可能偏乐观的假设。

总体而言，在本研究考虑的所有应用中，IIW对变幅载荷规定的许用损伤和D = 0.5均被计算得到的真实损伤和所超过。鉴于使用可靠FAT等级时已有的保守疲劳寿命评估，这表明降低许用损伤和的应用导致对疲劳寿命的进一步低估。

此外，关于最大许用应力σ_max和最大许用应力幅Δσ_max的规定限制被发现是保守的。特别是，IIW规定将最大应力限制为屈服强度的80%，这一限制在某些R = 0.1的恒幅载荷和变幅载荷疲劳试验中被超出。然而，这些试验未观察到负面影响，因为R = 0.1的疲劳结果表现出相对较低的离散性。prEN和IIW规定的最大许用应力幅Δσ_max ≤ 1.5 f_y在R = ?1的一个变幅载荷疲劳试验中被超出，而另一个变幅载荷试验接近该限值。此外，更严格的Δσ_max ≤ 0.9 f_y限制被所有R = ?1的变幅载荷疲劳试验和部分同一应力比下的恒幅载荷试验超出。尽管存在这些超出，但未发现对疲劳性能的负面影响。

总体而言，基于IIW建议和prEN的FAT等级的疲劳评估保持保守。