基于结构应力和Eurocode,3标准的非熔透焊缝静力强度评估方法

聂春戈 魏宏迪 管明珠 李博

摘要：针对Eurocode 3标准提供的角焊缝计算公式难以直接用于工程结构中非熔透焊缝静力强度评估的问题，分析网格不敏感结构应力法中结构应力的3个膜应力分量与Eurocode 3标准中的3个焊缝应力，发现两者高度一致。基于此，提出基于结构应力的非熔透焊缝静力强度评估方法，并对驮背运输车油缸支座关键焊缝的薄弱截面进行结构应力计算，结果表明：焊缝长度方向的应力分布复杂;以焊缝最大组合应力接近许用应力为判据估算得到导向轮的极限载荷约为30 t。研究结果可为准确评估焊接接头的安全性提供理论依据。

关键词：

非熔透焊缝; 结构应力; 静力强度; 焊接接头; 承载力

中图分类号：TG407; TP391.92

文献标志码：B

Static strength evaluation method for non-penetration weld

based on structural stress and Eurocode 3 standard

NIE Chunge， WEI Hongdi， GUAN Mingzhu， LI Bo

（School of Locomotive & Rolling Stock Engineering， Dalian Jiaotong University， Dalian 116028， Liaoning， China）

Abstract：

As to the issue that the calculation formulas of the fillet weld provided by Eurocode 3 standard are difficult to be directly used to evaluate the static strength of non-penetration welds in engineering structures， the three membrane stress components of the structural stress in the mesh insensitive structural stress method and the three weld stresses in the Eurocode 3 standard are analyzed， and it is found that they are highly consistent. Based on this finding， the static strength evaluationmethod for non-penetration welds based on the structural stress is proposed， and the structural stresson the weak section of the oil cylinder support key welds of the piggyback transport vehicle is calculated. The results show that the stress distribution in the weld longitudinal direction is complex. Based on the criterion that the weldmaximum combined stress can approach the allowable stress， the ultimate load of the guide wheel is estimated to be about 30 t. The research results can provide a theoretical basis for the accurate evaluation on the safety of welded joints.

Key words：

non-penetration weld; structural stress; static strength; welded joint; bearing capacity

0 引 言

熔透焊接接頭的强度一般能够接近或达到母材强度，非熔透焊接接头往往应力状态复杂、强度较低。工程设计历来十分重视结构强度。[1-2]常规工程结构中存在大量非熔透焊接接头，如角焊缝接头、单侧对接接头、厚板接头等，如果焊缝尺寸不足，那么接头极限承载能力将远低于母材，进而影响整体结构的安全性。因此，在接头设计和结构强度评估时应重点关注非熔透焊缝。

针对非熔透焊接接头的强度评估，文献[3]中有简单的计算公式，而工程中应用更多的是基于接头尺寸的焊缝强度详细评估方法，其中比较典型的是Eurocode 3标准[4]中的角焊缝强度评估公式，即

σ2⊥+3（τ2⊥+τ2∥）≤fuβγ

σ⊥≤fuγ

（1）

式中：fu为接头连接薄弱部分母材的名义拉伸强度;β为与钢材种类对应的相关因子;γ为分项因数，一般取γ=1.25;σ⊥为焊缝最小截面上的法向应力;τ⊥和τ∥分别为截面上垂直和平行方向的剪切应力。薄弱截面的焊缝应力定义示意见图1，其中：l为截面长度，K为焊脚宽度，A为焊缝截面面积。

该方法在工程应用中存在2个问题：

（1） 在实际工程结构中，大量接头的形状和受力状态

非常复杂，焊缝应力难以准确计算。有限元法是计算复杂结构应力的常用方法，但其输出是节点应力，与图1的应力定义不符，因此式（1）不能直接用于焊缝强度评估。

（2） 大量试验表明，失效的焊缝不一定位于焊缝的最小截面[5-6]，因此還需要对其他可能的薄弱截面进行评估。

网格不敏感结构应力法广泛应用于焊接结构疲劳评估[7-8]，为以上2个问题提供良好的解决思路。该方法不仅计算结果稳定，而且通过

设置适当的有限元参数进行建模，可以很方便地计算任何关注截面上与图1定义一致的焊缝应力，从而利用式（1）对截面强度进行评估。

本文分析网格不敏感结构应力法的基本原理及其与图1焊缝应力的对应关系，结合Eurocode 3标准对驮背运输车油缸支座关键承载焊缝的可能薄弱截面进行强度评估，同时得到结构的极限载荷，为该标准在复杂工程结构中的应用提供可行的技术路线。

1 焊接接头关键截面的结构应力定义

焊接接头应力状态复杂，具有典型的非线性特征，应力在焊趾位置达到峰值。

焊趾往往是常规有限元计算的应力奇异位置，计算结果受网格尺寸、单元类型等因素影响很大，常规强度评估结果的可靠性不高。因此，DONG[7]提出具有网格不敏感性特征的结构应力法。

结构应力法将截面上的局部应力分解为线性应力和高阶自平衡应力2部分，并将线性应力称为结构应力，又将结构应力分解为膜应力和弯曲应力2部分。

典型焊趾截面的应力分布见图2，

其中：t为板厚;τ（y）为厚度方向的剪切应力;τm为剪切应力的膜应力分量;σ为法向应力，包含膜应力σm和弯曲应力σb等2个分量;t1为裂缝深度。

截面的结构应力包含法向应力和2个方向的剪切应力，共3个分量。与常规有限元法的应力计算不同的是，结构应力法可采用有限元计算结果中的单元节点力进行计算。以焊趾截面结构应力为例，基于平衡等效原理的焊趾截面节点力转换示意见图3，利用三维实体模型的计算步骤如下。

（1） 提取焊趾截面有限元计算结果的单元节点力。

（2） 沿截面长度方向将每一列节点的节点力分别等效转化为截面中线上的节点力Fi和节点弯矩Mi。

（3） 基于平衡等效原理，将节点力Fi与节点弯矩Mi沿焊缝长度方向转化为线力fi和线弯矩mi。

（4） 计算焊趾截面各节点处的结构应力，计算公式为

σ=σm+σb=fxt+6mzt2

（2）

式中：fx为x方向的线应力;mz为z方向的线弯矩。

类似上述过程，计算截面上面内和弯曲2个方向的剪切应力，计算公式为

τL=τLm+τLb=fzt+6mxt2 （3）

τT=τTm=fyt （4）

式中：τL为面内剪切应力;τLm为τL的膜应力分量;τLb为τL的弯曲应力分量;τT为厚度方向剪切应力;τTm为τT的膜应力分量;fy和fz分别为y和z方向的线应力;mx为x方向的线弯矩。

大量文献证明，结构应力具有网格不敏感特性，基于结构应力的主S-N曲线方法已经被ASME等多个机构和国际标准采纳，并在实际工程中得到广泛应用。[8-10]需要注意的是，焊接接头的疲劳评估一般只考虑法向结构应力，剪切应力只有在其数值较大时才被考虑。[6]对比图1～3可知，图1中的焊缝应力实际与结构应力中的膜应力分量定义一致，均代表截面厚度方向的平均应力。因此，只需将3个方向的结构膜应力作为式（1）中的3个焊缝应力，即可进行焊缝的强度评估。

2 驮背运输车油缸支座焊缝强度分析

2.1 油缸支座几何结构与受力特点

公铁联运驮背运输车是为运输公路货车而设计的铁路专用车辆[11]，其油缸支座是结构中的关键承载件之一，材料为耐候钢Q450NQR1。油缸支座结构模型和受力示意见图4，其中：FH1和FH2分别为向右和向左的水平力;FV1和FV2分别为向下和向上的垂向力;

FD为导向轮载荷。油缸支座在滑台上移动时，导向轮起导向作用。在正常条件下，支座结构主要在4个位置受到载荷作用，导向轮没有明显受力，即

FD可以忽略不计。然而，由于制造误差等因素，

在驮背运输车装卸过程中，导向轮与导轨之间可能产生巨大的接触力，导致油缸支座变形，进而受力状态恶化。因此，为保证驮背运输车的运营安全，本文考虑导向轮载荷FD，并通过对结构中关键焊缝进行强度分析，估算导向轮载荷的极限值。

2.2 接头材料性能拉伸试验

利用式（1）计算焊缝截面的应力，但强度判据一般采用母材的极限强度。实际工程结构中焊接接头一般属于高配型，即焊材强度高于母材强度，因此强度判据偏保守。为验证这一点，分别利用母材和焊材金属试件测定其实际极限强度。母材和焊材试件的几何尺寸与实物分别见图5～8。

母材板厚为6.0 mm，母材试件编号为P1～P5，焊材试件编号为B1～B4。

采用拉伸试验得到母材和焊材金属试件的极限拉伸强度，见图9。

由此可知，母材试件平均极限拉伸强度为560 MPa，大于其名义拉伸强度（550 MPa），因此可使用名义拉伸强度进行强度评估。根据Eurocode 3标准，耐候钢Q450NQR1材料可取β=1.0，因此式（1）右侧的许用应力为440 MPa。焊材金属试件的平均极限拉伸强度为606 MPa，大于母材试件，因此该焊接接头是典型的高配接头。

2.3 关键焊缝截面的结构应力计算与强度评估

根据油缸支座受力状态和有限元计算结果可知，图4中导向轮板与板1、板1与板2之间的焊接接头（分别称为接头1和接头2）最为关键。2个接头有限元模型和焊缝几何尺寸见图10。板2和导向轮板厚度分别为30和40 mm，无法焊透。

为提高计算精度，便于焊缝关键截面的结构应力计算，整体结构采用精细的实体单元进行建模，其中焊接接头的2个板之间只通过焊缝单元连接，见图11，计算截面均起始于焊根。根据结构受力特点，可以判断接头中较危险的焊缝，对各个截面进行结构应力计算和强度评估。结合图10中焊缝的几何尺寸可知，2条焊缝的最小截面都不是截面1，而是在焊缝内部，但是最小截面与截面1的计算面积差别很小，因此为便于研究，采用截面1代替最小截面进行评估。

导向轮载荷是未知的，需要反复试算，直到薄弱截面的組合应力接近或达到许用应力。经过多次计算，得到导向轮载荷为30 t时各截面的应力分布，见图12～15，其中剪切应力为x和y方向剪切应力膜应力分量平方和的根。

最大组合应力出现在焊缝2的截面1上，为403 MPa，已经接近根据Eurocode 3标准计算得到的许用应力（440 MPa），如果再考虑一定的安全系数，可以估算得到导向轮载荷极限值约为30 t。沿焊缝长度方向，应力的分布很不均匀，采用通用公式难以计算得到。在2条焊缝的截面1上，组合应力和法向应力非常接近，表明该截面的强度由法向应力主导;在2条焊缝的截面2上存在较大的剪切应力，考虑到组合应力公式中剪切应力项的因数为3，可认为该截面的强度由剪切应力主导，应当关注该截面的剪切承载能力。

3 结 论

（1） 网格不敏感结构应力法中结构应力的膜应力分量与Eurocode 3标准中的焊缝应力定义一致，可以用于非熔透焊缝的静力强度评估。

（2） 焊缝不同截面上的应力状态差异很大，有的以法向应力为主，有的以剪切应力为主。同时，在复杂工程结构中，焊缝长度方向的应力分布很不均匀，应当利用数值方法进行应力计算和强度评估。

（3） 在30 t导向轮载荷作用下，油缸支座的最大焊缝组合应力出现在焊缝2的截面1上，接近于许用应力，因此可以估算得到导向轮载荷的极限值约为30 t。

参考文献：

[1] 赵磊， 张昭， 王松， 等. 燃油箱吊座焊缝的强度和疲劳有限元分析[J]. 计算机辅助工程， 2015， 24（1）：
7-11. DOI：
10.13340/j.cae.2015.01.002.

[2] 薛宁鑫， 程亚军， 张春玉. 复杂焊接结构焊缝强度评估方法及应用[J]. 大连交通大学学报， 2020， 41（4）：
14-18. DOI：
10.13291/j.cnki.djdxac.2020.04.004.

[3] 方洪渊. 焊接结构学[M]. 北京：
机械工业出版社， 2008：
158.

[4] Eurocode 3：
Design of steel structures：
Part 1-8：
Design of joints：
ENV 1993-1-8：
1992[S].

[5] NIE C G， DONG P S. A traction stress based shear strength definition for fillet welds[J]. Journal of Strain Analysis for Engineering Design， 2012， 47（8）：
562-575. DOI：
10.1177/0309324712456646.

[6] 聂春戈， 魏鸿亮， 董平沙， 等. 基于结构应力方法的正面角焊缝抗剪强度分析[J]. 焊接学报， 2015， 36（1）：
70-74.

[7] DONG P. A robust structural stress method for fatigue analysis of offshore/marine structures[J]. Journal of Offshore Mechanics and Arctic Engineering， 2005， 127（1）：
68-74. DOI：
10.1115/1.1854698.

[8] DONG P S， HONG J K， DE JESUS A M P. Analysis of recent fatigue data using structural stress procedure in ASME Div 2 rewrite[J]. Journal of Pressure Vessel Technology， 2007， 129（3）：
355-362. DOI：
10.1115/1.2748818.

[9] 兆文忠， 魏鸿亮， 方吉， 等. 基于主S-N曲线法的焊接结构虚拟疲劳试验理论与应用[J]. 焊接学报， 2014， 35（5）：
75-78.

[10] 梁树林， 聂春戈， 王悦东， 等. 焊缝疲劳寿命预测新方法及其在焊接构架上的应用[J]. 大连交通大学学报， 2010， 31（6）：
29-34.

[11] 侯广慧， 于跃， 阮洪生. 自装卸式驮背运输车的液压系统设计[J]. 机电工程技术， 2020， 49（11）：
217-219. DOI：
10.3969/j.issn.1009-9492.2020.11.066.

（编辑 章梦）

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