焊接结构文献综述

前言：结构可靠性问题是焊接结构安全使用的关键，而疲劳断裂可靠性又是可靠性问题

中最为敏感和突出的部分，多年来国内外学者对此进行了大量有效的研究，取得了丰硕

的成果，但近年来概率断裂力学和相应的概率损伤分析技术的成形和发展则对结构疲劳

断裂可靠性的研究注入了新的生命力，特别是计算机模拟方法为可靠性分析节约了大量

的人力和物力。

1.从结构可靠性问题提起

固体力学及其相关疲劳断裂力学、实验力学的发展，始终和结构的可靠度问题相联系在

一起，它们用于保证设计具有足够的强度、刚度和稳定性，使之不发生静强度、动强度

、环境强度、疲劳强度、疲劳断裂等各种形式的破坏，并保证结构不因变形而降低功

能

或功能失效。早期的强度准则通常是确定性的，它的结论只有“是”、“否”两种，即

结构“会发生破坏（失效）”或“不发生破坏（失效）”。给出这种结论的前提条件是

结构所受的载荷及工作条件是确定的，对应的材料特性和结构特性也是确定的，然而，

实际上某种结构型号的各个具体结构的材料特性、几何形状、尺寸大小加工、装配状况

都会有一定的差异，所受载荷与工作条件也不尽相同，因此，这些因素均是不确定性的

、随机的。我们要回答的问题应该是“结构在整个使用过程中不发生破坏（失效）的可

能性有多大”。这就是结构可靠性问题。定义整个结构不发生破坏（失效）的概率为可

靠度，研究结构可靠性的目的就是确定结构的可靠性问题。多年来大量工程经验说明，

疲劳断裂就是结构破坏或失效的最重要的形式，因而对结构疲劳断裂可靠性程度的研究

已有几十年的历史，而且是近二三十您来固体力学领域最活跃的研究方向之一，也是工

程技术发展的重要方向。

2.疲劳可靠性理论、结构安全寿命准则

由于结构在使用过程中承受的载荷基本上属于随时间变化的交变载荷，而结构不同程度

地存在着毛刺、圆角、轴肩等几何不连续部位以及机加工、焊接，热加工工艺等因素造

成的应力集中，使得结构主要以疲劳断裂的形式失效。因而疲劳断裂问题是结构失效中

最重要的形式，在二十世纪初就开始受到工程界和学术界的重视。

2.1机械零件疲劳可靠性理论

早期疲劳问题的研究，都是针对机械零件进行，在建立材料S-N|曲线与疲劳极限等寿命

曲线和影响零件强度的因素基础上，用零件疲劳极限除以对应的安全系数作为疲劳许用

应力，以所受交变应力最大值小于疲劳许用应力作为疲劳强度准则，也就是说，当使用

这个准则时（或者判据），则认为零件不会发生疲劳破坏。但是，这种简单的方法无法

给出机械零件不发生疲劳破坏的概率，不可能进行确切的疲劳可靠性评估。为了解决上

述机械零件疲劳可靠性问题，近十年来，国内外学者引入了疲劳载荷（应力）的分布和

材料或构件的疲劳强度特性的分布，建立了疲劳强度干涉模型，并由只考虑疲劳应力幅

值分布和指定均值下材料疲劳强度幅值分布间的一维干涉模型发展到同时考虑均值与幅

值分布的二维疲劳强度干涉模型。如果取疲劳强度为疲劳极限，疲劳干涉理论可确定机

械零件不发生疲劳破坏的概率，即元限寿命的可靠度（通常被称为存活率）。

2.2现代结构疲劳可靠性理论与结构安全寿命准则

上述研究针对的是机械零件，我们可以把它称之为机械零件疲劳可靠性理论。但对大部

分工程工程结构而言，像机械零件那样，要求其寿命达到所谓的“无限寿命”，必将导

致结构重或尺寸的增加而使其整体性能下降，这显然是不合理的，也是没必要的。因此

，现代结构疲劳理论的重点是研究结构达到指定使用时间（寿命）的可靠度（存活率与

置信度）和指定可靠度要求所对应的寿命，称之为安全寿命。安全寿命t对应的存活率p

的定义是：结构达到使用时间t时不发生疲劳破坏的概率。而置信度r的定义则为：“结

构达到使用时间t时不发生疲劳破坏的概率为p”这一事件的概率。用安全寿命达到设计

使用寿命作为疲劳可靠性要求的准则，称为安全寿命准则。为了确定安全寿命而发展了

材料P-S-N曲线理论、疲劳载荷谱编制技术，疲劳累积损伤理论（如线性累计损伤理论-

Miner理论）和计算疲劳寿命的名义应力法、局部应力法和用于连接的应力严重系数法。

用结构全尺寸试验确定和验证结构的安全寿命，是结构疲劳可靠性的重要组成部分。结

构的安全寿命中的试验寿命除以疲劳分散因数。国内外学者用概率统计理论推倒出的疲

劳分布规律公式已被广泛采用。疲劳可靠性理论的研究是将疲劳学与概率统计理论相结

合而形成的疲劳应力统计学。由大量试验和应用结果的统计检验表明，疲劳寿命分布可

以相当好地用对数正态分布和分布（双参数或三参数）描述，这就构成了疲劳寿命可靠

性分析的基本前提。 当结构只采用安全寿命准则进行疲劳设计和定寿时，所谓的“寿

命”是指总寿命，即结构从开始使用直至疲劳断裂所经历的使用时间。结构的安全性完

全靠安全总寿命的可靠度要求所保证。而当引入了损伤容限设计概念后，安全寿命准则

由安全总寿命准则转化为安全裂纹形成寿命准则，总寿命转换为裂纹达到可检裂纹尺寸

所对应的裂纹形成寿命。这是一次质的飞跃，因为用安全总寿命准则进行结构设计导致

的最终结果是不安全，而用安全裂纹形成寿命准则进行结构设计是偏于安全的。

3.断裂力学与损伤容限分析

疲劳断裂的过程实际是结构的微小缺陷不断扩展直至达到断裂的临界条件而使结构断裂

的过程。在上述疲劳理论的分析中，因为无法描述这种裂纹从微观（或细观）缺陷发展

至实现裂纹直至断裂的规律，所以只能笼统地假定一种疲劳损伤，而且将其线性化，并

把疲劳破坏的过程视为疲劳损伤的累积过程，这是不科学的。如果以裂纹作为损伤而建

立起描述含裂纹（缺陷）体的应力应变场的方法，提供含裂纹体的断裂准则，给出裂纹

扩展规律，那么疲劳裂纹过程将得到真实准确的描述。这就是断裂力学兴起的背景。人

们曾设想，如果从细观、宏观相结合的角度，建立其微观和宏观断裂力学的完整体系，

那么疲劳断裂过程的准确描述问题将得到突破。然而多年研究表明，虽然对微裂纹（缺

陷）规律规律的微、细观研究也有不少进展，但距离成熟可用仍有相当大的距离，但宏

观断裂力学，特别是线弹性断裂力学却已建立起完整的学科体系。它可以针对已具有宏

观可检的裂纹（如零点几毫米以上），准确地描述裂纹尖端应力场，通过断裂准则计算

临界裂纹尺寸或临界载荷，并建立裂纹扩展规律及裂纹扩展寿命的计算方法。在工程中

曾不止一次地发生结构在其设计安全寿命期内过早发生断裂的惊人事件，就其原因，主

要是存在结构漏检的宏观缺陷（裂纹）所至。而设计过程中，用于确定安全寿命所需要

的材料构件）疲劳特性曲线或全尺寸疲劳试验均取自无裂纹总体，如果有个小构件在出

厂时或修理后存在漏检的较大缺陷（裂纹），其实际寿命当然会小于“无裂纹总体”的

安全寿命。为了解决上述这一重大问题和事实，以断裂力学为理论基础，建立了损伤容

限设计准则。假定构件出厂时或修理后就存在有一定的尺寸的初始裂纹，采用断裂力

学

方法计算构件的断裂裂纹尺寸和裂纹扩展寿命，从而提出检查周到，并对结构关键危险

部位按此检查周期进行裂纹探测，既可保证结构不发生灾难性破坏。引入损伤容限设计

准则后，可将裂纹扩展全过程分为两部分：裂纹到达可检尺寸（即用超声波探伤等无损

检测设备进行检测，无损检测设备的灵敏度决定了可检尺寸）之前的寿命称之为裂纹形

成寿命；裂纹从可检裂纹尺寸开始到断裂的寿命称之为裂纹扩展寿命，按照安全寿命/

损伤容限准则，可用裂纹形成寿命确定使用寿命，而用裂纹扩展寿命确定检查周期，结

构的使用安全主要由损伤容限设计与分析来保证。

4.可靠度理论、概率断裂力学与概率损伤容限分析

上述断裂力学所研究和建立的准则、规律及方法均是确定性的，因此，称之为确定性断

裂力学（DFM）以其为基础建立的损伤容限分析的临界裂纹尺寸、剩余强度及裂纹扩展寿

命也均具有中值含义。用中值裂纹扩展寿命除以指定的分散因数所得的检查周期难以反

映不结构决定裂纹扩展寿命的诸多因素所具有的分散性。而用此时得到的检查周期去指

导不同结构结构的检查、维修，因不确定性的缘故，可能会造成灾难性的事故。实际上

，就一种构件的每个结构而言，其承受的载荷——时间历程、全寿命期内所受的最大载

荷、确定临界裂纹尺寸的材料断裂韧度（或KR曲线）、描述裂纹扩展速率的曲线、乃至

结构产生的裂纹形态，均是随机的。为了解决上述不确定性因素的问题，考虑各种因素

的概率特性而建立起的概率断裂力学（PFM）就成为准确地描述结构剩余强度与裂纹扩展

规律可靠性的理论基础。而建立在概率断裂力学基础上的概率损伤容限分析技术，则可

以准确地定量评定结构剩余强度的可靠度，指定裂纹扩展寿命对应的可靠度和指定可靠

度对应的安全裂纹扩展寿命——检查周期。概率损伤容限分析方法不仅可用于结构指定

裂纹部位的剩余强度，裂纹扩展寿命可靠性评定，而且可用于综合考虑各个可能出现裂

纹部位的含多裂纹结构剩余强度与裂纹扩展寿命的可靠性评定。

总结

本人基于概率断裂力学（PFM）思想和蒙特卡洛模拟方法的基础上，使所有参量随机化，

通过VB编程，取得具有模拟可靠性分析的软件，进行裂纹可靠性分析。即指定使用时间

（裂纹扩展寿命t）或循环寿命N所对应的结构安全可靠度分析，其方法可在建立裂纹扩

展寿命分析的基础上，建立裂纹扩展寿命干涉模型，再直接由裂纹尺寸分布与临界裂纹

尺寸分布加于干涉来确定安全可靠度。计算方法通过蒙特卡洛模拟法，在计算机上通

过

模拟理论和软件编程得以实现。最后绘制P——N曲线，指定可靠度确定检查周期，并进

行安全分析。

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