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1、5 焊接結(jié)構(gòu)的疲勞強度,焊接作為現(xiàn)代理想的連接手段，與其它連接方法相比，具有經(jīng)濟、靈活的突出優(yōu)點，因此，各個工業(yè)領(lǐng)域都大量地采用焊接結(jié)構(gòu)。但是，許多運動結(jié)構(gòu)或承受動載荷的結(jié)構(gòu)，在交變載荷作用下，即使在低應(yīng)力下也容易產(chǎn)生疲勞斷裂。,5 焊接結(jié)構(gòu)的疲勞強度,據(jù)統(tǒng)計，由于疲勞而失效的金屬結(jié)構(gòu)中，90%為焊接結(jié)構(gòu)。一般情況下，焊接接頭承受靜載的能力并不比母材低，而承受動載荷的能力卻遠(yuǎn)低于母材。這是因為，焊縫處存在應(yīng)力集中、焊接缺陷、殘余拉伸應(yīng)力，以及焊趾處顯微組織粗化等，導(dǎo)致疲勞強度下降，成為焊接結(jié)構(gòu)的疲勞薄弱環(huán)節(jié)。,5.1 各種焊接接頭的疲勞破壞形式,1橫向?qū)雍缚p 在沒有焊接缺陷時，帶有余高的橫向
2、對接焊縫，應(yīng)力集中主要發(fā)生在焊縫的焊趾和焊根處，所以疲勞破壞一般始發(fā)于此，見圖5-1 a）和b）。,2縱向?qū)雍缚p 外力方向與對接焊縫平行，焊縫表面的波紋與應(yīng)力方向垂直，疲勞破壞將從缺口最嚴(yán)重的鱗紋處開始，或者在更換焊條的那一點，見圖5-2 a)。 在梁的翼緣邊對接一個小附件，在焊縫端部形成嚴(yán)重的應(yīng)力集中，因此裂紋常出現(xiàn)在焊縫端部，見圖5-2 b）。,a),b),圖5-2 縱向?qū)雍缚p疲勞裂紋部位,3角接焊縫 角接焊縫的破壞形式有以下幾類： （1）在不承載的橫向角焊縫中，疲勞裂紋發(fā)生在焊趾處，見圖5-3（a）中； （2）對于承載的橫向角焊縫，裂紋起始于焊趾或焊根，見圖5-3（b）； （3）對于
3、承載和不承載的縱向角焊縫，裂紋都起始于焊縫兩端 ，見圖5-3（c）、（d）。,圖5-3角接接頭的破壞形式 （黑點表示裂紋的開始點）,不承載的橫向角焊縫 不承載的縱向角焊縫,橫向角焊的筋板,（縱向角焊的筋板）,承載的橫向角焊縫 承載的縱向角焊縫,橫向角焊搭接,側(cè)向角焊搭接,5.2 影響焊接接頭疲勞強度的因素,應(yīng)力集中的影響 研究表明，一個結(jié)構(gòu)的疲勞特征主要決定于它所包含的應(yīng)力集中的嚴(yán)重程度。由于所有的焊接接頭不可避免地是應(yīng)力集中點，自然，疲勞破壞很可能發(fā)生在接頭部位。因此，應(yīng)力集中是影響焊接接頭疲勞強度的主要因素。,（一）橫向?qū)咏宇^,圖5-4中示出了橫向?qū)咏宇^中的工作應(yīng)力分布。 為名義應(yīng)力，
4、在焊趾和焊根處都有一定的應(yīng)力集中。,圖5-4 對接接頭中工作應(yīng)力的分布,影響橫向?qū)雍缚p應(yīng)力集中的主要因素是焊縫余高h(yuǎn)和過渡處半徑r，見圖3-5 。,圖5-5 對接焊縫余高h(yuǎn)、過渡半徑r與應(yīng)力集中系數(shù)K的關(guān)系,表5-1,如果使用機械加工方法將余高切除，則應(yīng)力集中可以大大減小，對接接頭的疲勞極限可以明顯提高，見表5-1,但當(dāng)焊縫帶有嚴(yán)重缺陷或未焊透時，其缺陷或未焊透處的應(yīng)力集中要比焊縫表面的應(yīng)力集中嚴(yán)重得多，這時焊縫表面進行機械加工則是毫無意義的。,（二）搭接接頭,搭接接頭中的工作應(yīng)力分布見圖5-6所示。搭接接頭的應(yīng)力集中比對接接頭嚴(yán)重，因此其疲勞強度也比對接接頭低得多。,a）等截面板搭接 b）
5、不等截面板搭接,圖5-6 側(cè)面搭接焊縫應(yīng)力分布圖,1. 各種端焊縫型式的搭接接頭，其疲勞極限與焊縫兩直角邊的比值和機加工情況有關(guān)。,表5-2,2側(cè)焊縫形式的搭接接頭，無論是受到拉-壓或彎曲載荷，其疲勞強度都比端焊縫低。見圖5-8和表5-3 。,表5-3,（三）T形（十字）接頭,圖5-9中示出了T形（十字）接頭的工作應(yīng)力分布。其應(yīng)力集中系數(shù)遠(yuǎn)比對接接頭高。,未開坡口的T形接頭，當(dāng)焊縫傳遞工作應(yīng)力時，其薄弱環(huán)節(jié)有兩個：一是焊縫，另一個是焊趾。如果焊縫的計算厚度a與板厚t之比a/t0.60.7,一般斷于焊縫。如果a/t0.7,一般斷于焊趾，這時再增大焊縫厚度也不能使其疲勞強度進一步提高，最根本的措施
6、是開坡口焊透和加工焊縫、使焊趾向基本金屬光滑過渡。,圖5-10中示出了三種十字接頭型式 。,板厚12 S=5 a=8,a）,b）,c）,圖5-10 三種十字接頭型式,焊接接頭的 疲勞極限,母材金屬的 疲勞極限,正應(yīng)力下的 疲勞缺口系數(shù),表5-4 十字接頭的疲勞極限,a）,b）,c）,焊趾處的微小缺陷對疲勞強度的影響,大量試驗表明，除各種焊接接頭的幾何尺寸因素造成應(yīng)力集中（應(yīng)力分布不均勻）外，焊趾處還存在著微小的氣孔、未焊透、細(xì)小的尖銳熔渣楔塊以及沿熔合線的輕微咬邊（見圖3-11）。熔渣楔塊的平均尺寸為0.15mm，咬邊深度在0.1mm以下，它們是一般探傷方法不能檢查出來的微小缺陷。,圖5-11
7、 焊趾微觀缺口效應(yīng),圖512 a) CW2C構(gòu)架側(cè)梁斷裂照片,圖5-12為CW-2C轉(zhuǎn)向架構(gòu)架側(cè)梁斷裂照片。該構(gòu)架于2003年8月進行A4修程時對定位座實施了補強處理，于2004年10月16日發(fā)生斷裂事故，僅運行了一年多。a圖為定位座補強板焊縫沿焊趾開裂的實物照片；,圖512 b) CW2C構(gòu)架側(cè)梁斷口照片,b圖為裂紋斷口照片。由斷口照片可見：裂紋源在補強板焊縫靠近內(nèi)側(cè)的端部；此外，沿焊縫還有許多“臺階”，這是焊趾部許多微小缺陷引起的多條裂紋擴展形成的。 CW-2C（B）轉(zhuǎn)向架定位座補強后嚴(yán)重裂損的原因，主要是補強板只采用了角焊縫，沒有按照“焊滿磨平”的工藝要求去實施，從而在焊縫處產(chǎn)生嚴(yán)重的應(yīng)
8、力集中；同時，焊縫質(zhì)量較差，特別是在焊趾處存在許多微小缺陷，大大削弱了該焊接接頭的疲勞強度。,焊接殘余應(yīng)力的影響,焊接殘余應(yīng)力的作用與平均應(yīng)力相當(dāng)，二者的區(qū)別僅在于：平均應(yīng)力在加載過程中是不變的，而焊接殘余應(yīng)力在加載過程中會逐漸釋放，因此其影響也逐漸減小。 焊接殘余應(yīng)力如何影響焊接接頭的疲勞強度問題，至今仍存在爭議。,基本上有兩種觀點： 一類觀點是：殘余應(yīng)力對疲勞強度的影響可以忽略。理由是：焊接接頭的疲勞強度主要與焊縫幾何尺寸和焊趾部存在的應(yīng)力集中等因素的影響有關(guān)，殘余應(yīng)力的影響是第二位的；拉伸殘余應(yīng)力使疲勞極限降低，壓縮殘余應(yīng)力使疲勞極限增加。焊接殘余應(yīng)力的總體影響不顯著。 另一類觀點是：在
9、一定條件下，殘余應(yīng)力可影響焊接接頭的疲勞強度。如，當(dāng)高殘余拉應(yīng)力點與焊接結(jié)構(gòu)的應(yīng)力集中點重合時，殘余應(yīng)力對疲勞強度的影響是毫無疑問的。,（一）消除焊接殘余應(yīng)力工藝對接頭疲勞強 度的影響,由殘余應(yīng)力測試結(jié)果可以看出，退火處理和除銹噴丸處理都能明顯地消除和改變焊接構(gòu)架表面的殘余應(yīng)力狀態(tài)。 1退火處理后，整個構(gòu)架被均勻加熱，殘余應(yīng)力通過塑性變形而產(chǎn)生松弛。這對疲勞極限有雙重影響：消除殘余應(yīng)力能使疲勞強度提高，但同時又使金屬軟化、降低疲勞強度。,表5-5中列出了退火處理對于對接接頭疲勞強度影響的試驗結(jié)果。,表5-5 退火處理后對接接頭的疲勞強度,2冷作強化處理（噴丸、滾壓、捶擊等），使焊接結(jié)構(gòu)表面（或
10、接頭表面）造成壓縮殘余應(yīng)力，能大大提高焊接接頭的疲勞強度。低碳鋼噴丸硬化層厚度可達(dá)0.4mm左右，對接接頭噴丸后，在2106次循環(huán)時，疲勞強度提高5565；非承載橫向角焊縫，疲勞強度提高3639。,（二）交變載荷作用下焊接構(gòu)架上殘余應(yīng)力的變化,殘余應(yīng)力是一個不穩(wěn)定的力學(xué)量，在交變載荷作用下會引起殘余應(yīng)力的變化（釋放）。其機理是：在動應(yīng)力和殘余應(yīng)力共同作用下，如果某部位應(yīng)力值超過材料的屈服極限，就會在該部位產(chǎn)生塑性變形，使殘余應(yīng)力釋放，降低殘余應(yīng)力的峰值。動應(yīng)力幅值愈大，殘余應(yīng)力下降的愈多愈快。一般在幾十次到幾萬次循環(huán)內(nèi)完成應(yīng)力釋放，釋放的幅值為5080之間。,圖5-15中示出了焊接構(gòu)架在室內(nèi)疲
11、勞試驗中，某一測點的殘余應(yīng)力隨循環(huán)周次的變化規(guī)律。,圖5-15焊接構(gòu)架某測點的殘余應(yīng)力隨循環(huán)周次的變化規(guī)律,焊接缺陷的影響,（一）一般規(guī)律 在焊接接頭中可能存在著各種缺陷，缺陷會造成嚴(yán)重的應(yīng)力集中，對焊接接頭的疲勞強度產(chǎn)生顯著影響。影響程度與缺陷的種類、位置和方向有關(guān)。 1缺陷可分為兩類：面狀缺陷（裂紋、未焊透及咬邊等）和體積型缺陷（氣孔、夾渣等）。面狀缺陷引起嚴(yán)重的應(yīng)力集中，對疲勞強度的影響比體積型缺陷要大。,2表面或靠近表面的缺陷比內(nèi)部缺陷對疲勞強度的影響大；位于應(yīng)力集中區(qū)的缺陷（如焊趾部）比位于均勻應(yīng)力場中同樣缺陷的影響大；位于拉應(yīng)力區(qū)的缺陷比在壓應(yīng)力區(qū)的影響大。 3與作用力方向垂直的缺
12、陷比其它方向的缺陷對疲勞強度的影響大。,（二）面狀缺陷對焊接接頭疲勞強度的影響,1未焊透（未熔合）,表5-6中列出了未焊透深度對焊接接頭脈動疲勞極限 的影響（為板厚）,疲勞極限,疲勞極限,表5-6,交叉桿端部環(huán)焊縫焊根部未焊透，見圖5-15（a）、（b）;（a）圖為未焊透分布于整個環(huán)形斷口內(nèi)表面的邊緣；（b）圖為未焊透分布于環(huán)形斷口半環(huán)。 疲勞試驗結(jié)果表明：疲勞裂紋88%斷在交叉桿端部環(huán)焊縫處（14根試樣），只有兩根斷在交叉桿壓窩部位。,圖 5-15,2咬邊（咬肉） 咬邊使焊縫與母材連接處產(chǎn)生凹槽，引起應(yīng)力集中，降低疲勞強度。如圖5-16中。 在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范中規(guī)定，咬肉深度不得超過1mm。,
13、3裂紋 焊接冷裂紋和熱裂紋是危害最大的缺陷，裂紋尖端的曲率半徑接近于零，是嚴(yán)重的應(yīng)力集中源。能夠被檢測出來的裂紋，在大多數(shù)標(biāo)準(zhǔn)中都是被禁止的。,4.點固焊 裝配焊接過程中，經(jīng)常采用點固焊定位，由于不能保證焊縫連續(xù)，疲勞裂紋會在點固焊兩側(cè)產(chǎn)生。圖5-17中為立板內(nèi)側(cè)點固焊處有未很好清根留下的焊渣，成為疲勞源，所以焊接操作時應(yīng)謹(jǐn)慎進行點固焊定位。,圖5-17,母體金屬材料性能的影響,母材金屬的疲勞強度總是隨其靜強度的增加而提高。但對焊接結(jié)構(gòu)來說，只要焊接接頭的類型一樣，高強鋼和中低強度鋼的疲勞強度基本一致，也具有相同的S-N曲線，這個規(guī)律適合對接接頭、角接接頭和焊接梁等各種接頭形式，見圖5-18。
14、,圖5-18 表面狀況及環(huán)境因素與疲勞極限 和抗拉強度的關(guān)系,母體金屬材料性能的影響,另外研究了屈服極限為386MPa636MPa之間的碳錳鋼，采用6種焊條施焊的焊縫金屬和熱影響區(qū)的疲勞裂紋擴展情況，結(jié)果表明：材料的力學(xué)性能對裂紋擴展速率有一定影響，但影響也不大。所以，焊接結(jié)構(gòu)選用較高強度的鋼種是沒有意義的。只有靜強度條件起主要作用時，焊接接頭母材才應(yīng)采用高強度鋼。 這是因為在接頭焊趾部沿熔合線存在有微觀缺口效應(yīng)咬邊及熔渣楔塊缺陷，它是疲勞裂紋萌生的地方，因而焊接接頭在一定應(yīng)力幅值下的疲勞壽命主要由擴展壽命決定。所以不同強度鋼材的焊接接頭，其疲勞強度與母材及焊接材料的靜強度關(guān)系不大。,5.3
15、合理地設(shè)計焊縫、焊接接頭形式,焊縫、焊接接頭形式合理設(shè)計的原則是盡量降低各種形式的應(yīng)力集中。例如： l（1）盡可能采用低加強高的對接接頭，重要焊縫甚至要用機加工手段去掉加強高。 l（2）承受疲勞載荷的十字接頭應(yīng)開坡口以增大熔深、保證焊透，并使角焊縫圓滑凹入、過渡至連接件母材上。 l（3）需要采用不開坡口的T形接頭和搭接接頭時，由于它們的應(yīng)力集中較為嚴(yán)重，可用調(diào)整焊腳尺寸并加工焊趾過渡區(qū)來降低應(yīng)力集中。一般，T形接頭采用雙面焊比單面焊好。,5.3 合理地設(shè)計焊縫、焊接接頭形式,（4）設(shè)計蓋板接頭、附連板和筋板時，盡量采用圓滑過渡的結(jié)構(gòu)形式，見下圖。 l,改進前 改進后,5.3 合理地設(shè)計焊縫、焊
16、接接頭形式,（5）應(yīng)避免雙條焊縫交叉或匯聚于一點。 （6）盡量避免在結(jié)構(gòu)的大應(yīng)力區(qū)布置焊縫 連接部位的剛度也不能過大。,5.4 影響焊接結(jié)構(gòu)疲勞強度的因素,對于整個焊接結(jié)構(gòu)，影響其疲勞強度的主要因素有三個：應(yīng)力幅值、應(yīng)力循環(huán)次數(shù)和結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)（稱為細(xì)節(jié)設(shè)計）。,下面以焊接鋼梁為例介紹各種細(xì)節(jié)設(shè)計對結(jié)構(gòu)疲勞強度的影響。,焊接鋼梁結(jié)構(gòu)的疲勞強度,工字梁結(jié)構(gòu)的腹板與翼緣連接角焊縫，大部分應(yīng)力集中發(fā)生在焊縫起弧熄弧位置上。有兩種幾何上的缺口，一是弧坑使焊縫在縱向斷面上產(chǎn)生一個顯著的變化，見圖5-18；另一種是在熄弧與起弧焊道之間焊根處未完全熔化、由包住的夾渣造成的缺口。試驗結(jié)果得出，在2106次循環(huán)下，手
17、工焊組拼梁的疲勞強度在133MPa165MPa范圍內(nèi)。,圖5-18 換焊條的弧坑裂紋,為了改善疲勞強度，有兩種辦法：第一種辦法是開坡口、使焊縫熔透整個腹板，試驗結(jié)果表明，在2106次循環(huán)時，其疲勞強度可提高147MPa200MPa。第二種辦法是采用自動焊工藝，可以避免起弧熄弧位置出現(xiàn)缺陷，試驗結(jié)果為2106次循環(huán)時其疲勞強度達(dá)到150MPa185MPa。,腹板加強筋細(xì)節(jié)的影響,圖5-19中示出了腹板加強筋不同的細(xì)節(jié)設(shè)計。其中，B型細(xì)節(jié)把加強筋焊到受拉翼緣（下翼板）上，此時疲勞破壞發(fā)生在翼緣上。試驗結(jié)果表明，在2106次循環(huán)時，疲勞強度為100MPa。,圖5-19 腹板加強筋細(xì)節(jié),圖5-19中其
18、它六種細(xì)節(jié)是把加強筋焊到腹板上，或是焊到腹板和受壓翼緣上。這些細(xì)節(jié)設(shè)計的試件都在腹板中破壞，裂紋從一條或多條加強筋與腹板間的焊縫端部開始，所有細(xì)節(jié)的試驗結(jié)果都落在相同的分散帶內(nèi)，在2 106次循環(huán)時，加強筋板倒角的疲勞強度約為116MPa，不倒角的都為100MPa。,拼接接頭細(xì)節(jié)的影響,圖5-20中列出了幾種拼接接頭細(xì)節(jié),一般，沒有邊孔的拼接接頭，大部分破壞發(fā)生在焊趾上，或者在焊縫缺陷處，當(dāng)有邊孔時，在角焊縫端部或邊孔周圍的那些小缺口上，應(yīng)力集中導(dǎo)致低的疲勞強度，見圖5-21。,圖5-21在腹板三角邊孔頂點產(chǎn)生嚴(yán)重的應(yīng)力集中,翼緣蓋板細(xì)節(jié)的影響,圖5-22中列出了幾種翼緣蓋板端部細(xì)節(jié)及其疲勞強
19、度,5.5 改善焊接結(jié)構(gòu)疲勞強度的工藝措施,修整焊縫 （一）局部機加工（打磨法） 1對焊縫進行局部機加工有利于提高疲勞強度。 將焊縫余高機加工平滑，疲勞強度能增加到幾乎和母材金屬一樣。,2角接接頭一般采用砂輪或磨盤小心地打磨，達(dá)到高質(zhì)量的光滑程度。打磨時需要像圖5-23中B那樣，深入到板材表面下（下凹0.5mm左右），排除焊趾缺陷，其疲勞強度可提高70%左右；若象A這種磨削，疲勞強度增量只有30%左右。,圖5-23 打磨焊趾缺陷,A,B,3不承載角焊縫的兩端磨削成下凹形，試驗證明，其疲勞強度也能改善70%左右；在兩端焊趾處輕微磨削，疲勞強度增量也只有30%左右。 4對于附連板縱向?qū)雍缚p端部的
20、機加工處理也有兩種方法，見圖5-24。,圖524,一種是把尖角加工成一個合適的圓角；另一種方法則是在附連板的端點各鉆一個孔。疲勞強度改善的效果見表5-7。,表5-7 焊縫端部機加工改善疲勞強度的試驗結(jié)果,TIG（鎢極惰性氣體保護焊）修整,TIG修整就是沿著焊縫焊趾再熔化，它不僅可使焊縫與母材之間平滑過渡、改善焊趾外形，并且消除了熔渣楔塊，從而提高接頭的疲勞強度。 最適合處理與應(yīng)力方向垂直的橫向焊縫，試驗證明，疲勞強度增加2575%。,焊縫表面的硬化處理,采用噴丸或用錘頭撞擊焊縫表明或焊趾處：消除焊趾處0.5mm以下的咬邊等缺陷；加大焊趾處圓弧半徑，緩和幾何形狀突變引起的應(yīng)力集中；預(yù)制表面殘余壓
21、應(yīng)力。研究表明：噴丸硬化可以得到0.4mm左右的硬化層和殘余壓應(yīng)力 ，疲勞強度改善量為3337%。,塑料涂層（預(yù)防大氣腐蝕）,用塑料涂層來提高疲勞強度的方法是比較新的方法。 塑料涂層的作用，主要是由于塑料里的碳鏈與金屬表面相互作用，有防腐作用，延長裂紋的萌生壽命。 目前，塑料涂層尚未進入工程實用。,疲勞裂紋實例分析,一、彈簧托梁疲勞裂紋分析,1彈簧托梁的結(jié)構(gòu)（見圖1 ） 為防止搖枕與彈簧托梁發(fā)生相對運動，在彈簧托梁上設(shè)有橫向拉桿座，通過橫向拉桿與搖枕連接。,圖1 搖動臺結(jié)構(gòu) 1搖枕吊座；2搖枕；3空簧或鋼簧； 4彈簧托梁；5橫向拉桿；6橫向拉桿座,彈簧托梁的結(jié)構(gòu)示于圖2中,圖 2,圖3中示出了
22、橫向拉桿座結(jié)構(gòu)，它由隔板、一塊外側(cè)筋板和兩塊內(nèi)側(cè)小筋板構(gòu)成。,圖3,2疲勞裂紋情況 該車2004年6月9月投入運用后，經(jīng)過一年多于2005年11月9日在小筋板與彈簧托梁立板連接焊縫端頭發(fā)現(xiàn)一起疲勞裂紋，12月初在小筋板部位又發(fā)現(xiàn)3起裂紋，見圖4所示，圖5為裂紋部位放大圖。,圖4 裂紋照片圖,圖5 裂紋部位放大圖,3裂紋原因分析 出現(xiàn)疲勞裂紋的小筋板縱向角焊縫端頭是疲勞強度薄弱部位；從裂紋照片看，該部位的焊接質(zhì)量也比較差。這兩點可能就是引起疲勞裂紋的主要原因。 針對這個原因的處理措施：對各筋板端部焊縫進行打磨處理，使焊縫與母材圓滑過渡，并探傷檢查無裂紋。打磨部位和要求見圖6所示。,圖6 各筋板端
23、部焊縫打磨處理, 彈簧托梁的載荷分析（參見圖1） 橫向力：橫向拉桿座部位； 扭轉(zhuǎn)力：如果四根吊桿與彈簧托梁連接部的高度不一致，特別是對角位置存在高度差時，轉(zhuǎn)向架運行中彈簧托梁將受到交變扭轉(zhuǎn)載荷的作用。 采用有限元方法計算彈簧托梁上的應(yīng)力狀態(tài)。計算中假設(shè)橫向力為20KN；在吊桿的四個連結(jié)點處施加10KN力產(chǎn)生扭矩。,經(jīng)計算得出原結(jié)構(gòu)彈簧托梁上的應(yīng)力分布，見圖7。,圖7 原方案扭矩橫向力作用下應(yīng)力云圖,由圖可見，最大應(yīng)力出現(xiàn)在兩個內(nèi)側(cè)小筋板縱向角焊縫端頭處，而該處是疲勞強度薄弱部位，并存在收弧弧坑等焊接缺陷，因此產(chǎn)生了早期疲勞裂紋。,4確定橫向拉桿座改造方案 根據(jù)對裂紋原因的分析、計算結(jié)果，提出三
24、個改造方案。 改造方案一： 取消內(nèi)側(cè)兩個小筋板（先切割去除，再打磨、探傷），在槽鋼內(nèi)加兩個小立板。小立板內(nèi)側(cè)面距離140mm，小立板長、高均為90mm，單側(cè)坡口，如圖8所示：,圖8 改造方案一,改造方案一有限元計算結(jié)果示于圖9。,圖9 扭轉(zhuǎn)橫向力下橫向拉桿座部位應(yīng)力云圖, 改造方案二： 將原內(nèi)、外筋板取消（先切割去除，再打磨、探傷），立板進行切割，使內(nèi)外筋板及立板均下沉16mm，如圖10 所示。,圖10,改造方案二有限元計算結(jié)果示于圖11。,圖11, 改造方案三： 原方案的各筋板不改變，對各筋板端部焊縫進行打磨處理。打磨后焊縫與母材圓滑過渡，探傷檢查無裂紋。打磨部位和標(biāo)準(zhǔn)如前面圖3-32。同時
25、，在槽鋼內(nèi)側(cè)加焊兩個筋板，筋板尺寸120 x80（三角形直邊尺寸），厚度10mm，高度方向距離槽形梁鋼底面59mm（與孔中心平齊）加焊后筋板端頭打磨，如圖12所示：,圖12,改造方案三有限元計算結(jié)果示于圖13。,圖13, 改造方案的綜合分析見下表,二、油箱吊梁疲勞裂紋分析,1裂紋情況 KD25G空調(diào)發(fā)電車，自2004年10月以來，其中K71型K122型等發(fā)電車車下油箱吊梁先后發(fā)現(xiàn)多起裂紋。裂紋發(fā)生車都是在1994年 和1995年以后生產(chǎn)的，裂紋發(fā)生時間均在車輛廠修后12年左右，即新造出廠10年左右。車下油箱吊梁發(fā)生裂紋部位見圖1所示。,圖1 油箱吊梁裂紋實物照片,2裂紋原因分析 （1）油箱吊梁
26、與中梁下翼板連接部位為搭接接頭，均為短焊縫，起、落弧較多，焊接質(zhì)量差（見裂紋圖）。因此，該部位焊接接頭疲勞強度低，又處于（中梁下翼板）最大拉應(yīng)力部位，所以首先在焊縫端頭產(chǎn)生疲勞裂紋，然后向吊梁腹板擴展。 （2）油箱吊梁沿襲傳統(tǒng)設(shè)計，只考慮了垂向載荷和橫向載荷、滿足靜強度要求。沒有考慮縱向載荷以及疲勞強度。,3補強措施 通過初步分析，擬定了補強措施：加兩塊水平筋板，焊在中梁腹板與吊梁腹板上，見圖2 所示。,圖2 油箱吊梁補強措施,按照TB/T1335-96中7.3條款“車體固結(jié)設(shè)備的強度要求”，按下面三種載荷進行強度校核： 縱向載荷為M3g； 橫向載荷為Mg； 垂向載荷為M(1.53)g； M為
27、油箱總重。 采用有限元方法對油箱吊梁原結(jié)構(gòu)與補強后進行強度校核，結(jié)果列于下表。,油箱吊梁與中梁下翼板連接部位強度校核結(jié)果,由計算結(jié)果可見： 在三種載荷作用下原結(jié)果和補強后的最大等效應(yīng)力都小于Q235鋼的屈服極限（235MPa），滿足靜強度要求。 橫向應(yīng)力分量是垂直于裂紋方向（垂直中梁）的應(yīng)力，由計算結(jié)果可見：縱向載荷對該應(yīng)力分量的貢獻(xiàn)最大，是導(dǎo)致油箱吊梁裂紋的主要載荷。 補強后，油箱吊梁裂紋部位的應(yīng)力下降了一倍多，因此能有效地改善該部位的疲勞強度。,4補強措施的實施方案比較 方案一，見圖3,圖3 油箱吊梁補強實施方案一,方案二，見圖4,圖4 油箱吊梁補強實施方案二,5施工說明 鑒于油箱吊梁結(jié)構(gòu)
28、增加補強板時，施焊工藝條件較差，易導(dǎo)致各種焊接缺陷，由此造成的應(yīng)力集中將嚴(yán)重影響其疲勞強度和壽命。建議，在實施補強措施時要嚴(yán)把質(zhì)量關(guān)，如： 1）保證焊接質(zhì)量，焊前必須對補強筋板處和吊梁與中梁連接焊縫處清除油污、灰塵、涂料和油漆并除銹。 2）檢查油箱吊梁與中梁連接焊縫，清理焊瘤、焊渣，對于焊角不足、漏焊、焊縫不良等處重新補焊。 3）采用氣體保護焊，對規(guī)定的焊角大小，必須達(dá)到要求。保證焊透、起落弧避免產(chǎn)生焊接缺陷、焊縫平滑過渡，焊趾部和焊縫端頭打磨。 4）焊后，對新增焊的部位，必須涂底漆。干燥后，分兩次噴涂阻尼防腐涂料，涂層總厚度不小于4mm。,施工步驟： 拆下油箱清理需補強處、油箱吊梁與中梁連接
29、焊縫的油污和瀝青漿 檢查并處理原吊梁與中梁連接焊縫按補強方案二在中梁和油箱吊梁腹板之間焊接補強筋板，兩筋板焊接位置可上下調(diào)整，以便于施焊 焊接完成后，清除焊渣等涂底漆和防腐涂料。,思考題,1. 簡要說明疲勞破壞與靜力破壞的本質(zhì)差別。 2. 簡述疲勞斷裂斷口的宏觀形貌特征。 3. 從斷口特征上如何判斷疲勞源，進而分析疲勞斷裂的原因？ 4. 什么是材料的疲勞強度？某材料的零件發(fā)生疲勞斷裂后，沒有條件試驗得出其S-N曲線，如何確定該零件的疲勞強度？ 5. 什么是損傷？用公式表達(dá)疲勞損傷是可以累積的。 6. 簡述線性累積損傷法則（Miner法則）。 7. 對接、搭接和角接接頭的疲勞裂紋常常發(fā)生在哪里？為什么角接接頭的疲勞裂紋常常發(fā)生在焊趾處？ 8. 提高焊接接頭疲勞強度有哪些工藝措施？ 上述第1、7和8為作業(yè)題。,
《材料力學(xué)性能》課件
