焊接节点低温疲劳试验与低温主S-N曲线的构建

郑杰瑜，王艺陶，刘俊杰，胡嘉骏，吴剑国，廖小伟

(1. 浙江工业大学 土木工程学院，浙江 杭州 310023；2. 中国船舶科学研究中心，江苏 无锡 214082)

随温度的降低，钢材的静力拉伸强度增加，其断裂韧性和冲击韧性减少[1-3]，导致钢材延展性变差，裂纹扩展更容易[4]。疲劳破坏是低温、极地海洋结构物的主要破坏方式之一，焊接节点疲劳评估是业界关心的热点问题。

针对常温环境下钢结构焊接节点疲劳评估，S-N曲线评估方法较为成熟[5]，国内外很多规范都使用该方法[6-10]，而低温环境下，钢结构疲劳评估方法的研究相对较少[11]。Liao等[12]、张浩辉[13]、刘子杰[14]、贾星兰等[15-16]、廖小伟等[17]曾进行过低温疲劳试验，并各自采用线性回归拟合方法得到了不同接头在低温环境下的中值S-N曲线，由于上述研究的数据较少，得到的S-N曲线通用性不足。鉴于热点应力法仅考虑了几何不连续造成的应力集中，未考虑缺口效应对疲劳性能的影响，且无法反应焊趾处的应力分布，Dong等[18-22]基于自由体的切面法提出了裂纹易发位置(焊趾)的局部应力(结构应力)计算方法，并基于断裂力学理论，利用Paris公式[23]推导出焊接结构疲劳寿命预测的一条主S-N曲线，形成了为ASME[20]采纳的焊接节点疲劳评估的主S-N曲线法。然而，现有的主S-N曲线仅适合在室温环境下使用，预测低温环境下焊接接头的疲劳寿命存在误差。为此，有必要明确低温环境下焊接结构的主S-N曲线。

为了掌握低温对焊接节点疲劳性能的影响规律，进行了船用高强度钢EH36在低温环境(-40°C)下T型节点的疲劳性能试验，拟合了低温环境(-40°C)下T型节点的S-N曲线。收集了国内外低温疲劳试验数据，分析了低温焊接疲劳试验数据的分布情况与拟合S-N曲线的趋势。对所收集的低温疲劳试验数据进行了等效结构应力的计算，基于最小二乘法，拟合了焊接接头低温主S-N曲线。然后，分别利用构建的低温焊接节点主S-N曲线、常温主S-N曲线与常温中值D曲线，对低温疲劳试验进行寿命预测。对比结果表明，文中所提低温主S-N曲线预测方法具有较高的精度，可为极地低温环境下船舶结构疲劳安全性评估提供技术支撑。

1 低温疲劳试验

1.1 试验模型和测量系统

试验依据《焊接接头脉动拉伸疲劳试验方法》(GB/T 13816—1992)[24]，结合船舶结构实际结构特点及焊接工艺要求，对EH36钢全焊透T型接头试件进行设计，如图1所示。应力监测位置如图1所示，即距离焊趾为t/2、3t/2处分别布置一个应变计，采用热点应力插值法得到焊趾处应力。

图1 T型接头尺寸Fig. 1 T-joint size chart

试验测量系统如图2所示，试验及测试仪器包括疲劳试验机、低温环境箱、动态应变仪、低温应变片、测试专用计算机等。

图2 试验测量系统示意Fig. 2 Schematic diagram of test measurement system

低温环境下节点疲劳试验，除满足常规疲劳试验基本要求外，试验过程中，试件需始终处于低温试验环境。低温试验条件下，试样的装夹和密封情况如图3、4所示。

图3 低温试件装夹示意Fig. 3 Schematic diagram of low temperature

图4 试样就位后密封示意Fig. 4 Schematic diagram of sealing after the sample is in place

1.2 试验过程及结果

1.2.1 拉伸试验

对与试样加工为同一批次的EH36钢材拉伸力学性能进行测定，相关标准参照《金属材料拉伸试验》(GB/T 228.1—2010)[25]，给出材料实际屈服强度。拉伸试验委托材料力学性能检测机构完成(无锡市金义博检测技术有限公司)。材料屈服强度取测试平均值420.7 N/mm2。

1.2.2 疲劳试验

试验方法及相关流程依据《焊接接头脉动拉伸疲劳试验方法》(GB/T 13816—1992)[24]进行。试验环境温度为-40°C，试验选取3级应力水平，每个应力水平测试3个试件，共测试低温试件9件。

试样产生穿透裂纹破坏后结果如图5所示。记录各试样产生穿透裂纹时的载荷循环次数，应用应力测试值插值出热点应力，结合BS7608的中值D曲线预测疲劳寿命(用循环次数N表示)，结果见表1。由表1可知：1) 每级应力水平下的3件试样疲劳寿命离散度较高，变异系数较大；2) 低温疲劳试验寿命高于常温中值D曲线预测寿命。

图5 试验后的低温T型角焊缝试样Fig. 5 Tested T-joint fillet-welded specimens for low temperature

表1 疲劳预测对比结果Tab. 1 Comparison results of fatigue prediction

1.3 低温疲劳试验数据分析

采用定斜率极大似然法对低温下疲劳性能试验结果拟合，表达式为S=C×Nh，结果见表2和图6。在表2和图6中，同时还列出了收集到的国内外低温疲劳试验文献[12-17]的S-N曲线，这些试验包括对接焊缝，T型焊接接头，十字型缝焊接头，趾端焊缝等，涵盖不同温度环境下的疲劳试验，如-25°C、-40°C、-60°C；疲劳试验的试件屈服强度从294.7 MPa至429 MPa不等；加载方式包括直接拉伸法、四弯点加载法等。

表2 低温S-N 曲线参数表Tab. 2 S-N curve parameters of low temperature

图6 各种文献的焊接节点低温S-N曲线Fig. 6 S-N curves of various literatures

由表2与图6可知:1) 现有S-N曲线的参数各不相同，存在一定的差异；2) 不同低温环境下，角焊缝与对接焊缝的疲劳循环次数接近，S-N曲线斜率接近，区别在于截距不同；3) 大部分数据点落在中值D曲线的上方，少部分落在D曲线的下方，表明低温能在一定程度上改善焊接接头的疲劳性能；4) 在-25°C至-60°C的温度之间，温度对焊接接头的疲劳寿命影响不大。

鉴于各试验所拟合的S-N曲线数据比较分散，通用性不够，且热点应力法存在无法反应焊趾处的应力分布与网格大小、取值点、单元类型等因素对热点应力值影响等问题，尝试利用所收集的低温疲劳试验数据，构建低温主S-N曲线，进行基于等效结构应力的低温焊接节点疲劳强度评估。

2 主S-N曲线法

2.1 结构应力定义

针对高周疲劳，Dong等[18-22]的结构应力定义是基于裂纹易发位置(如焊趾处)的任意贯穿厚度应力状态的平衡等效分解，焊趾处沿板厚方向应力呈非线性分布，如图7所示，将其分解为平衡结构应力部分与自平衡部分，见式(1)。

σs=σm+σb+σn

(1)

式中：自平衡应力σn在平衡条件下为自平衡，对疲劳寿命影响不大，在疲劳评估时可不予考虑[26]；膜应力σb与弯曲应力σm可根据材料力学的静力等效原则，由焊线上各节点的节点力Fyn和节点力矩Mxn求得。

在已知厚度条件下，焊线上各节点的结构应力[18-22]为：

(2)

式中：σn为焊线上各节点的结构应力，l为单元长度，Fyn为焊线上各节点的节点力，Mxn为焊线上各节点的节点弯矩。每个节点的等效结构应力计算公式可见文献[18-22]，也可通过有限元软件FE-safe计算获得。

2.2 主S-N曲线

Dong等[18-22]提出的等效结构应力计算公式为：

(3)

式中：ΔSs为等效结构应力，Δσs为结构应力变化范围，m与Paris 疲劳裂纹速率公式中相同取3.6，I(r)为弯曲比的无量纲函数，见公式(4)，t为板厚。

I(r)=0.001 1r6+0.076 7r5-0.098 8r4+0.094 9r3+0.022 1r2+0.014r+1.222 3

(4)

(5)

式中：Δσb为弯曲应力变化范围，Δσm为膜应力变化范围。

根据文献[18-22]主S-N曲线的表达式：

ΔSs=C×N-h

(6)

Dong等[18-22]进行大量计算，分析了1 200个有代表性的试验数据，通过数据拟合得到室温条件下的主S-N曲线，见图8，参数值见表2。主S-N曲线能预测屈服强度范围为180～1 200 MPa的钢为母材的不同类型、板厚的变化范围为1.5～104 mm、不同加载方式的焊接接头的疲劳性能。因只有一条曲线，不存在人为选取疲劳曲线的误差。

图7 焊趾应力分布Fig. 7 Stress distribution of weld toe

图8 主S-N曲线Fig. 8 The master S-N curve

3 低温主S-N曲线的构建

3.1 有限元分析与等效结构应力计算

因主S-N曲线具有不区分接头形式的特点，针对表1中所有焊接接头，建立了有限元模型，如图9所示。运用有限元分析软件和以上公式进行等效结构应力计算。

图9 焊接节点有限元模型Fig. 9 Finite element model of welded joints

图10 焊接接头网格划分Fig. 10 Meshing of welded joints

主要步骤如下：

步骤1：划分焊接接头的有限元网格，网格大小取4 mm，单元采用8节点六面体单元，示例见图10。

步骤2：将焊缝与母材的公用节点编号，图10为焊缝与水平方向母材处焊趾的编号示例。

步骤3：按照试验的加载和边界条件，利用有限元软件ABAQUS，计算出节点应力，并将结果文件导入疲劳分析软件FE-safe，计算节点力Fyn与节点弯矩Mxn。

步骤4：运用式(2)进行结构应力的计算。

步骤5：运用式(3)、(4)、(5) 计算等效结构应力。

步骤6：基于最小二乘法，拟合式(6)中的C、h值，得焊接节点低温主S-N曲线。

3.2 数据拟合与结果分析

试验的低温疲劳数据将用于低温主S-N曲线的验证，拟合的数据不包含这部分数据。利用搜集到的疲劳试验等效结构应力与试验测得的低温疲劳寿命，基于最小二乘法，采用了以10为底的对数坐标，拟合了-25°C，-40°C，-60°C环境下主S-N曲线，见图11～14，参数见表3。

表3 低温主 S-N 曲线参数表(钢材)Tab. 3 The master S-N curve parameters of low temperature (steel)

由表3与图11～14可知，-25°C的数据点主要分布在下半部，而-40°C与-60°C数据点分布较广，3条曲线的斜率接近，曲线不易区分，可见温度对焊接接头的疲劳寿命影响很小。这与第二节结论一致。鉴于-25°C，-40°C，-60°C环境下，部分数据点重合，将不同低温环境下的数据拟合到一条曲线上，定斜率与常温主S-N曲线相同，见图15，具体参数见表4。由表4可知，低温主S-N曲线截距略微增加，表明低温环境下焊接接头的疲劳寿命稍好于常温环境下疲劳寿命。

图11 -25°C温度的主S-N曲线Fig. 11 The master S-N curve was fitted with -25°C temperatures

图12 -40°C温度的主S-N曲线Fig. 12 The master S-N curve was fitted with -40°C temperatures

图13 -60°C温度的主S-N曲线Fig. 13 The master S-N curve was fitted with -60°Ctemperatures

图14 不同温度主S-N曲线Fig. 14 Master S-N curve at different temperatures

图15 低温主S-N曲线与常温主S-N曲线Fig. 15 Low temperature master S-N curve and normal temperature master S-N curve

表4 低温主 S-N 曲线参数表(钢材)Tab. 4 The master S-N curve parameters of low temperature (steel)

4 低温主S-N曲线的验证

4.1 网格类型与敏感性研究

为了验证有限元网格尺寸与网格类型对疲劳寿命预测精度的影响，取试验编号为F13试件的一条焊缝进行研究，载荷为172 kN，有限元模型的网格大小分别取2 mm、3 mm、4 mm。部分有限元模型见图16。运用文中所提低温主S-N曲线，预测该试件的疲劳寿命，对比结果见表5。

图16 不同网格有限元模型Fig. 16 finite element model

表5 不同网格的主S-N曲线法疲劳寿命预测Tab. 5 Fatigue life prediction by the master S-N curve method with different grids

从表5可知，网格大小,尤其是壳单元的网格大小对等效结构应力预测疲劳寿命影响较小，具有良好的网格不敏感性。

4.2 低温主S-N曲线的验证

为了验证文中拟合所得低温主S-N曲线的准确性，利用该曲线，预测试验试件的低温疲劳寿命。在ABAQUS软件中建立试验中的T型角焊缝焊接接头模型，见图1，采用C3D8R实体单元，网格大小为3 mm。边界条件为一端固支，一端设置x方向的载荷，弹性模量取209 GPa，泊松比取0.27。计算T型角焊缝焊接接头的等效结构应力，预测结果见表6。为了比较，表6中还列出了采用BS7608的中值D曲线[8]与Dong[21]的常温主S-N曲线的试验疲劳寿命预测结果。

表6 疲劳预测对比结果Tab. 6 Comparison results of fatigue prediction

由表6可以看出：1) 文中所提低温主S-N曲线预测试验结果的精确性较高,但试验数据较少，仍需进一步增加数据；2) BS7608的中值D曲线较保守；3) 文中所提曲线预测结果与常温主S-N曲线相比，预测精度有一定程度的提升；4) F11组试件热点应力幅大于材料的屈服强度，试件已进入塑性阶段，故而预测误差偏大，也表明主S-N法适用于高周疲劳，对低周疲劳预测精度不高，需要修正。

5 结 语

进行了EH36的焊接试验节点低温疲劳试验，构建了焊接试验节点的低温主S-N曲线，为结构应力方法应用于极地、低温环境下的船舶与海洋工程结构疲劳评估打下了坚实的基础。主要结论有：

1) EH36的T型接头试样低温疲劳寿命均高于中值D曲线预测寿命，可见，中值D曲线仍然适用于低温(-40°C)环境下的结构疲劳强度评估，但结果偏于保守。

2) 基于搜集的低温疲劳试验数据，分别拟合了-25°C、-40°C、-60°C的低温主S-N曲线，以及适用于-25°C至-60°C环境的一条主S-N曲线。

3) 与BS7608的中值D曲线和Dong所提常温主S-N曲线预测结果相比，所提焊接接头低温主S-N曲线具有较高的精度，且主S-N曲线法对有限元网格不敏感。

在实际工程应用时，还需考虑板厚、平均应力的修正，并根据结构重要性、载荷形式、使用年限等因素选取适当的安全系数。