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钎缝/焊缝接头的疲劳评价方法:三级应力口径、等效结构应力法与自建 S-N

大纲的完整展开版——讲师授课蓝本 / 学员自学材料

J5-07 钎缝/焊缝接头的疲劳评价方法:三级应力口径、等效结构应力法与自建 S-N

项 内容
课程代码 J5-07
所属板块 J 仿真分析 CAE · J5 结构/热应力/疲劳 FEA
难度 L3 专家
时长 4.0~4.5 小时(5 讲 + 1 次全链实操)
适合对象 结构/仿真(CAE)工程师中做接头与钎缝寿命评价的人;以及评审接头疲劳报告的可靠性与试验工程师。⛔ 不面向只做母材静强度校核的岗位
前置 J5-06 结构 FEA 建模方法基础:单元、约束、本构与结果可信度 结构 FEA 建模方法基础 · J5-01 换热器/冷板结构强度与耐压 FEA 换热器/冷板结构强度与耐压 FEA。体系外须自备:S-N 与 Miner 的概念层认识(方法本体在 J5-02 热应力、热变形与热疲劳仿真/J5-03 振动、模态与随机振动疲劳/I6-01 振动、热冲击与压力脉冲耐久设计)、工程数理统计(最小二乘回归、对数正态、单侧容许限)、至少一次用求解器做过接触或子模型分析的操作经验
本讲义定位 这是一条接头处的专用评价路径,⛔ 不是疲劳方法本体课。它从「该点已判为奇异、一次静强度评定已完成」处接手,交付的是「送进疲劳方法的应力幅按哪级口径取、配哪条曲线、那条曲线怎么来」这三件事,以及一份能被评审采信的报数格式

引言

0.1 这门课要接的,是一条在三门课之间断掉的链

做完 J5-01 换热器/冷板结构强度与耐压 FEA(耐压)、J5-02 热应力、热变形与热疲劳仿真(热循环)、J5-03 振动、模态与随机振动疲劳(随机振动)三门课之后,一个真实的问题仍然没有答案:这条钎缝到底能跑多少个循环。

断点不在任何一门课里,而在它们中间。三门课各自都做对了自己那一段:J5-01 换热器/冷板结构强度与耐压 FEA 明确判定钎缝填角根部是应力奇异、⛔ 该处应力不作疲劳输入,并把它转出去;J5-02 热应力、热变形与热疲劳仿真 在钎缝与焊趾处只做方案间的相对排序,明说绝对寿命不在它的射程里;J5-03 振动、模态与随机振动疲劳 立下「母材段与接头段⛔ 不共用一条曲线」的纪律,同样把接头曲线的取法转出去。三门课都把接头交了出去,而接住它的那门课此前不存在。

⚠ 还有一处更隐蔽的断链要在这里说清楚:J5-01 换热器/冷板结构强度与耐压 FEA 把「疲劳压力循环工况」写成「转入 J5-02 热应力、热变形与热疲劳仿真/J5-03 振动、模态与随机振动疲劳 校核」——而 J5-02 热应力、热变形与热疲劳仿真 通篇是热循环、J5-03 振动、模态与随机振动疲劳 通篇是随机振动,两门都没有压力循环这一段。⇒ 压力循环下接头的仿真侧评价,从本课入;载荷谱侧仍归 I6-01 振动、热冲击与压力脉冲耐久设计,试验侧仍归 L1-03 密封、耐压、爆破与泄漏试验/L1-04 振动、热冲击与耐久台架试验。

⇒ 所以本课的位置很窄,也很硬:它只解决三个问题——① 送进疲劳方法的那个应力幅,按哪一级口径取;② 配哪一条 S-N 曲线;③ 那条曲线在铝钎焊接头上根本查不到时,怎么自己标一条出来。方法本体(S-N、Miner、平均应力修正)⛔ 不在本课,载荷谱与台架⛔ 不在本课,工艺与缺陷⛔ 不在本课。

0.2 这门课⛔ 不覆盖什么 · 栏一(不讲哪些题目,每样带去向)

应力奇异的一般识别、沿壁厚应力线性化与 Pm/Pb/F 分解、单元与约束选型、模型内部可信度 → J5-06 结构 FEA 建模方法基础:单元、约束、本构与结果可信度(本课从「该点已判为奇异」处接手,只给奇异点的疲劳出口);S-N/ε-N/Coffin-Manson/Miner 累积损伤/平均应力修正(Goodman、Gerber)等疲劳方法本体 → J5-02 热应力、热变形与热疲劳仿真(热循环)、J5-03 振动、模态与随机振动疲劳(随机振动)、I6-01 振动、热冲击与压力脉冲耐久设计(损伤累积与折减纪律)、G2-07 换热器芯体强度、耐压与热疲劳设计(换热器部件设计侧算例);载荷谱提取与雨流计数、台架当量循环数、DVP&R 编排与试验执行 → I6-01 振动、热冲击与压力脉冲耐久设计(载荷侧)、L1-03 密封、耐压、爆破与泄漏试验(耐压/压力循环/爆破/检漏)、L1-04 振动、热冲击与耐久台架试验(振动/热冲击/耐久),本课只向试验侧提「要什么试件、多少件、哪几个应力级」;钎焊缺陷机理、形貌反查与无损检测判读 → H2-05 钎焊接头缺陷(虚焊/漏焊/腐蚀)与失效分析、H2-06 钎焊质量检测与无损探伤,焊缝缺欠等级与验收判据 → H3-05 焊缝缺欠分级、验收判据与连接工艺的特殊过程认可(WPS/PQR·AWS/CQI-9);熔焊接头的静强度折减取值与热影响区软化带位置 → H3-06 铝弧焊(TIG/MIG/CMT)与焊接接头静强度:热管理件的结构焊路线,焊接工艺本身(搅拌摩擦焊/激光焊的参数窗口与缺陷谱)→ H3-01 搅拌摩擦焊/激光焊在热管理中的应用;接头几何与填角的设计对策(圆角、边板应力释放槽、流程布置、可钎焊性几何)→ G2-07 换热器芯体强度、耐压与热疲劳设计;预测寿命与台架的相关性判据、标定与放行流程 → J7-01 仿真—试验相关性验证(Correlation);求解器菜单路径与单元编号 → 各求解器现行版本手册。

0.3 这门课⛔ 不覆盖什么 · 栏二(⛔ 真正不给的数)

① 任何 FAT 等级数值——薄壁异质钎缝在分级表里没有对位等级、没有标定依据,照查等于拿别人的试件替自己的件背书(第 2 讲写死判据)。② 许用应力、安全系数与目标裕量——限值归 J5-01 换热器/冷板结构强度与耐压 FEA 与客户规范。③ 「通用折减系数」——折减系数必须自标、且必须标注取值寿命(第 5 讲给定法,⛔ 不给数)。④ 单侧容许限系数 k_tol 的数表——它随样本量、目标存活率与置信水平变化,取值按所用统计方法与现行标准表确认,本课只给它在算式里的位置与方向。⑤ 未取得原文的标准条款内容——本课涉及的三类标准(焊接接头疲劳评定推荐做法、压力容器规范里的弹性应力分析疲劳评定路线、疲劳试验数据统计分析方法)本课未逐条核过原文,只写「它管什么、去哪查」,版次一律以发布方现行目录为准、引用前须核。⑥ 课内全部算例数字均为教学假设值,⛔ 不对应任何平台、任何牌号、任何供应商产品,⛔ 禁止照抄取用;有意义的是各项之间的比值与方向。

0.4 符号表:本课全程不改,且有三处与同板块其他课刻意不同

本课与 J5-01 换热器/冷板结构强度与耐压 FEA/J5-02 热应力、热变形与热疲劳仿真/J5-03 振动、模态与随机振动疲劳/J5-06 结构 FEA 建模方法基础:单元、约束、本构与结果可信度 共用一批字母。⚠ 有三处是真冲突,本课在这里一次性钉死,后面不再重复:

符号 本课含义 单位 ⚠ 跨课口径提醒
σ_nom 名义应力口径下的应力:只含总体几何的宏观薄膜应力,⛔ 不含焊缝局部效应;取远场毛截面口径 MPa 与 J5-01 换热器/冷板结构强度与耐压 FEA 的 σ_nom(应力集中系数的分母,远场名义薄膜应力、毛截面)同口径,可直接互用
σ_hs 热点应力:含结构不连续引起的放大,⛔ 排除焊趾局部缺口效应;由表面外插得到 MPa ⚠ J5-02 热应力、热变形与热疲劳仿真 里「热点」另有一义=温度峰值处(一个位置)。本课的「热点」一律指应力口径,全课不裸写「热点」二字,一律写「热点应力口径」
σ_ntc 缺口应力:把焊趾/填角的实际圆角也算进去的局部应力 MPa 本课首定
σ_s 结构应力 = σ_mem + σ_ben,由节点力反算 MPa 本课首定
σ_mem 由节点力反算的膜应力(沿壁厚均匀分量) MPa ⛔⛔ 本课不写 σ_m:那个符号在同板块已被两义占用——J5-02 热应力、热变形与热疲劳仿真 里 σ_m = 一个循环内的平均应力((σ_max+σ_min)/2),J5-01 换热器/冷板结构强度与耐压 FEA 公式栏原写法里 σ_m = Pm(一次总体薄膜应力)。⇒ 本课的膜应力一律写 σ_mem,⛔ 三者不得互代
σ_ben 由节点力矩反算的弯曲应力(壁面处线性分量) MPa 本课首定;⛔ 别缩写成 σ_b(那容易被读成抗拉强度)
r_b 载荷弯曲比 = σ_ben/σ_s 无量纲 本课首定
f_n 焊趾截面上单位焊线长度的法向节点力合力 N/mm ⛔ 本课不写 F:J5-06 结构 FEA 建模方法基础:单元、约束、本构与结果可信度 把 F 钉死为峰值应力(应力分类里的那一档)
M_l 同一截面上单位焊线长度的弯矩 N·mm/mm 本课首定
t 壁厚(也是外插取点的基准长度) mm 承 J5-06 结构 FEA 建模方法基础:单元、约束、本构与结果可信度:t 是壁厚,⛔ 不是时间
h 单元特征尺寸 mm 承 J5-06 结构 FEA 建模方法基础:单元、约束、本构与结果可信度:h 是单元尺寸,⛔ 不是对流换热系数
λ 奇异指数(σ_peak ∝ h^(−λ) 的拟合指数) 无量纲 承 J5-06 结构 FEA 建模方法基础:单元、约束、本构与结果可信度:λ 是奇异指数,⛔ 不是导热系数
σ_peak 焊趾处的节点峰值应力(在奇异点上⛔ 不是物理量) MPa 承 J5-06 结构 FEA 建模方法基础:单元、约束、本构与结果可信度
Δσ 应力范围 = σ_max − σ_min = 2σ_a MPa ⛔⛔ 本课的 S-N 自变量是应力范围 Δσ,⛔ 不是应力幅 σ_a。J5-03 振动、模态与随机振动疲劳 的 Basquin 式写作 σ_a^m·N = C,自变量是半幅值。两者差整整 2 倍——在 m = 4 的曲线上,2 倍应力对应 16 倍寿命。⇒ 引一条曲线之前必须先问「它的横轴是范围还是幅」,⛔ 不许凭符号长相猜
σ_a 应力幅(半幅值)= Δσ/2 MPa 承 J5-03 振动、模态与随机振动疲劳;本课只在做换算与跨课对接时出现
R_σ 应力比 = 同一位置、同一评定量在一个循环内的应力最小值 ÷ 最大值 无量纲 承 J5-01 换热器/冷板结构强度与耐压 FEA 的写法与定义。⚠ J5-03 振动、模态与随机振动疲劳 把同一个量写作 R——同量异形,定义一致,可直接互用
N 循环次数 次 —
m S-N 曲线在双对数坐标下斜率的绝对值(取正) 无量纲 承 J5-03 振动、模态与随机振动疲劳(那里也取正)。⚠ 本课⛔ 不使用 Basquin 常数 C,改用回归截距 a——因为 C 的数值随横轴口径(Δσ 还是 σ_a)整体平移 2^m 倍,跨课引用极易出错
a 双对数回归的截距:lg N = a − m·lg Δσ 里的 a 无量纲 本课首定
s_lgN 对数寿命残差标准差 无量纲 本课首定
k_tol 单侧容许限系数,随样本量 n、目标存活率 P_surv、置信水平 P_conf 变化 无量纲 本课首定;⛔ 与 k_joint 是两个量
P_surv 目标存活率 % 承 J5-03 振动、模态与随机振动疲劳 的概念口径
P_conf 置信水平 % 承 J5-03 振动、模态与随机振动疲劳:存活率与置信度是两件事,必须分别声明
N_design 设计(下限)曲线给出的许用循环数 次 本课首定
k_joint 接头/热影响区疲劳折减系数(>1) 无量纲 ⛔ 与 J5-01 换热器/冷板结构强度与耐压 FEA/H3-06 铝弧焊(TIG/MIG/CMT)与焊接接头静强度:热管理件的结构焊路线 的 σ_HAZ 不是一件事:那是静强度许用值,本课的 k_joint 折减的是疲劳曲线,⛔ 两者不得互相代用
N_target 取值寿命(报 k_joint 时必须一并标注) 次 本课首定
D Miner 累积损伤 无量纲 承 J5-02 热应力、热变形与热疲劳仿真/J5-03 振动、模态与随机振动疲劳

⚠ 这张表里最贵的两行是 σ_mem 与 Δσ。它们的共同点是:写错了不会报错——σ_m 三义混用只会让下游读出一个方向不明的数,Δσ 与 σ_a 混用只会让寿命差一个数量级,而两者在报告上长得一模一样。

三级应力口径分账示意图。左侧画一个 T 形焊接接头的局部剖面:一块水平母板与一块竖直板,两者交界处画出焊缝三角形填角,填角与母板相交处标注焊趾。剖面上方叠一条应力沿板面分布的曲线,从远场平缓段一路向焊趾方向抬升,在焊趾处急剧上翘并画成虚线且不封口,虚线旁标注「加密不收敛,非物理量」。曲线上用三条不同颜色的水平参考线截出三段高度:最低那条标注名义应力 σ_nom,说明只含总体几何的宏观薄膜应力;中间那条标注热点应力 σ_hs,说明含结构不连续放大但排除焊趾局部缺口效应;最高那条标注缺口应力 σ_ntc,说明把焊趾实际圆角也算进去。右侧配一列三个横向长条,等高并列,每条被分成左右两块:左块写这一级应力算进去的部分、右块写剩下那部分被记进了哪一条 S-N 曲线里。第一条左块写宏观薄膜、右块写结构不连续加缺口效应全部记在名义应力 S-N 里;第二条左块写宏观加结构不连续、右块写缺口效应记在热点应力 S-N 里;第三条左块写宏观加结构不连续加缺口、右块写只剩材料与工艺分散记在缺口应力 S-N 里。三条长条总长完全相等,右侧一行大字写:三条一样长,三级口径不是三个精度档,是三种分账方式。图底一条横带写:同一接头三级口径算出的应力可以差数倍,而它们各自都对,差别在于剩下那部分被记进了曲线里。本图为定性示意,纵轴不设刻度,不得据图读取任何应力数值。
图1 这张图要读出三件事:一,三条长条一样长——三级口径⛔ 不是三个精度档,是三种分账方式;二,每一级「没算进应力里」的那部分没有消失,它被记进了对应那条 S-N 曲线里;三,焊趾处那段虚线不封口,说明缺口口径在奇异点上取不到数——这正是第 3 讲要给出的出口。⛔ 本图为定性示意,⛔ 纵轴不设刻度,⛔ 不得据图读取任何应力数值。

0.5 全课的一条主线:口径与曲线必须成对

如果这门课只能记住一句话,是这一句:应力口径与 S-N 曲线必须成对,混用即错,而且两个方向的错法后果相反。

它之所以是主线,是因为后面四讲全部是它的推论:第 2 讲问「热点应力口径怎么取、它的配套曲线体系(FAT 分级)在什么条件下能借」;第 3 讲问「奇异点上取不到应力时,用什么量代替」;第 4 讲问「取这个量需要的网格,怎么合法地放进一个算得起的模型里」;第 5 讲问「配套曲线根本查不到时,怎么自己标一条」。

⇒ 一条实用的自查:拿到任何一个接头寿命数字,先不看它多大,先问它的应力是哪一级口径、曲线是哪一级标定的。这两句答不上来,那个数字连被评审判对错的资格都没有——它既不能被证实,也不能被证伪。


按任务导航

⚠ 这门课⛔ 不必通读。左列是真实任务,中列是直接去的那一讲,右列是那一讲会用到的前置。

手上的任务 直接读 需要的前置
评审一份接头疲劳报告,判那个寿命数能不能采信 第 1 讲 1.4~1.6(四项声明)+ 第 1 讲 1.3(两个错向) 无(这是全课最独立的一段)
一块搅拌摩擦焊/激光焊冷板的封道焊要算寿命,想知道能不能直接查等级表 第 2 讲 2.5~2.7(三问判据与适用边界) 第 1 讲 1.2(三级口径的定义)
焊趾处网格一加密应力就往上跑,报告没法交 第 3 讲全讲(节点力法)+ 第 3 讲 3.6(与线性化的分工) J5-06 结构 FEA 建模方法基础:单元、约束、本构与结果可信度 第 7 讲的奇异识别
整芯体模型算不起焊趾级网格 第 4 讲全讲(子模型三条判据) 第 3 讲 3.4(焊线要定义成节点路径)
铝钎焊接头查不到任何可用曲线 第 5 讲全讲(自建 S-N) 第 1 讲 1.4、第 3 讲 3.5(失效边界)
上游要一个「钎缝折减系数」填进耐久计算书 第 5 讲 5.8(k_joint 定法)+ 关键公式详解第 ④ 式 第 5 讲 5.5(设计下限曲线)
想知道自己该向试验方要什么试件、要多少件 第 5 讲 5.2、5.5、5.6 第 1 讲 1.4(报数纪律)
手上是压力循环工况,不知道该找哪门课 本讲义引言 0.1 + 小结衔接表 无

⛔ 本课不覆盖——⚠ 本课的边界声明在 §0.2「这门课⛔ 不覆盖什么」,分栏一(不讲哪些题目,每样带去向)与栏二,逐条带课号。⇒ 那一节是唯一事实来源,⛔ 本节不另写一份。要点:应力奇异识别与应力线性化 → J5-06 结构 FEA 建模方法基础:单元、约束、本构与结果可信度;疲劳方法本体(S-N/ε-N/Coffin-Manson/Miner/平均应力修正)→ J5-02 热应力、热变形与热疲劳仿真/J5-03 振动、模态与随机振动疲劳;载荷谱 → I6-01 振动、热冲击与压力脉冲耐久设计;试验侧 → L1-03 密封、耐压、爆破与泄漏试验/L1-04 振动、热冲击与耐久台架试验;工艺与缺陷⛔ 不在本课。


第 1 讲 三级应力口径的分层与「口径—曲线成对」纪律

1.1 先把这一讲的位置说清楚

本讲⛔ 不讲怎么算应力,讲的是算出来的那个数是什么意思。它是全课唯一一讲不涉及具体操作的,也是唯一一讲脱离软件仍然完全成立的——因为它管的是账怎么分。

⚠ 本讲从一个已经完成的动作处接手:那个点已经按 J5-06 结构 FEA 建模方法基础:单元、约束、本构与结果可信度 的三套系统加密网格判过是集中还是奇异,一次静强度评定已经做完。本讲⛔ 不重讲奇异识别,⛔ 不重讲线性化。

1.2 三级口径:不是三个精度档,是三种分账方式

绝大多数人第一次接触名义/热点/缺口三级应力时,会自动把它们理解成「粗、中、细」三个精度档,并顺理成章地得出结论:能算细的就算细的。这个理解是错的,而且它错得很自然——因为三个词听上去确实像一条精度梯度。

真实的分层是这样的:

  • 名义应力口径(σ_nom):只含总体几何引起的宏观应力。它按毛截面的远场薄膜应力取,⛔ 不含焊缝的任何局部效应。它可以在一个完全没有建出焊缝的壳模型上取到。
  • 热点应力口径(σ_hs):含结构不连续(板边、开孔、搭接错位、附加板端部)引起的应力放大,但排除焊趾处那个局部圆角造成的缺口效应。它要求模型建出结构不连续,但⛔ 不要求建出焊趾圆角。
  • 缺口应力口径(σ_ntc):把焊趾/填角的实际圆角也建出来并算进去。它要求模型有真实圆角,且网格能分辨那个圆角。

⇒ 关键在于:同一个接头,三级口径算出来的应力可以差数倍,而它们各自都是对的。差别不在准确度,在于剩下那部分集中被记到哪里去了——名义口径把结构不连续与缺口效应一起记进了名义应力 S-N 曲线;热点口径把缺口效应记进了热点应力 S-N 曲线;缺口口径把两者都算进了应力里,剩给曲线的只有材料与工艺分散。

三条账加起来一样长(图1 右侧那三条等长长条画的就是这件事)。精度梯度这个理解之所以危险,是因为它会让人以为「口径可以升级、曲线不用换」——而那正是下一节要拦的动作。

1.3 全课第一条硬判据:口径与曲线必须成对,两个错向后果相反

每一级口径必须配同一级口径标定的 S-N 曲线,混用即错。这句话本身不难接受,难的是它的两个方向后果相反,而人们往往只感觉到其中一个。

错向 A:把热点应力(或缺口应力)送进名义应力 S-N。结构不连续的放大被计入了两遍——一遍在应力里(因为你算了),一遍在曲线里(因为那条曲线是用不含放大的名义应力标定的,放大已经被吸收进它的位置里了)。后果是双重计入,寿命偏保守,保守到这个件永远不合格。⇒ 现场表现是:改设计、加厚、加筋,怎么改都不过,而台架上那个件其实好好的。

错向 B:把名义应力送进热点应力(或缺口应力)S-N。集中被漏掉一遍——应力里没算,曲线里也没有(因为那条曲线假定你已经把集中算进应力了)。后果是寿命偏乐观,方向偏危险。⇒ 现场表现是:报告全绿,件在台架上漏。

⚠ 最容易被忽略的一点:很多人默认「口径混用只会偏保守」,理由是「多算一遍总比少算一遍安全」。这个默认在错向 A 上成立,在错向 B 上完全反过来。而错向 B 恰恰更常见——因为名义应力是最容易取到的那一个(一个粗壳模型就能给),而接头曲线是最容易在手边找到的那一个(分级表里一大堆)。两个「最容易」凑在一起,就是错向 B。

还有一个变形,也归错向 B:把焊趾处的节点峰值应力(σ_peak,一个在奇异点上根本不收敛的数)送进母材 S-N。这一次错的不止是级别,还错了对象——母材曲线连接头的存在都不知道。这正是 J5-02 热应力、热变形与热疲劳仿真、J5-03 振动、模态与随机振动疲劳 两门课已经点名的那个断点。⚠ 有一种「补救」要在这里拦下:用母材曲线再加一个安全系数。⛔ 它补不上——口径与曲线不成对时误差是数量级级的,而安全系数那点倍数落在个位数上。

1.4 口径的选择判据只有两条,第二条经常被跳过

选哪一级口径,判据只有两条,⛔ 不是三条也⛔ 不是凭经验:

  1. 该级集中能不能被网格与建模方式分辨。壳模型分辨不出焊趾圆角,就不可能走缺口口径;模型里没建出搭接错位,就不可能走热点应力口径。
  2. 有没有同口径的 S-N 曲线可用。

第二条经常被跳过,因为它在软件里没有对应的按钮。⇒ 结果是一路把应力算得越来越细,最后发现没有一条曲线接得住它。没有对应曲线时,再精细的应力也落不成寿命——它只能作方案间的排序量。

⚠ 这条判据直接决定了本课后面两讲的分叉:第 2 讲要判「热点应力口径的配套曲线体系(FAT 分级)能不能借」,第 5 讲要处理「借不到就自己标」。它们是同一个问题的两个出口,⛔ 不是两个独立话题。

1.5 报数纪律:四项声明,缺一项这个数字就没有被判对错的资格

任何接头疲劳结果,必须同时声明四件事:

# 声明项 缺了它,读者不知道什么
① 应力口径(名义/热点应力/缺口/结构应力,以及取法与网格规则) 不知道这个应力数里含了哪些集中、漏了哪些
② S-N 曲线来源及其标定口径(含横轴是应力范围 Δσ 还是应力幅 σ_a) 不知道曲线里已经吸收了哪些集中,⇒ 判不了有没有重复计入或漏计
③ 存活率 P_surv 与置信水平 P_conf 不知道这是「一半的件」还是「绝大多数件」的寿命
④ 应力比 R_σ 与平均应力的处理方式 不知道这条曲线标定时的载荷状态,⇒ 判不了能不能用在当前工况上

⚠ 承 J5-03 振动、模态与随机振动疲劳 的两条补充,本课全部沿用:存活率与置信度是两件事(前者说「多少比例的件能活过这个寿命」,后者说「基于这批样本,我对上面那句话有多确定」),声明了前者没声明后者,那条下限曲线的位置仍然是未知的;安全系数加在应力上、存活率加在寿命分布上,⛔ 不能用「乘个系数」去替代存活率的声明。

⚠ 本课再补一条自洽性检查:四项写齐了还不够,它们必须彼此自洽。最常见的不自洽是①与②打架——口径栏写着「热点应力,0.4t/1.0t 外插」,来源栏却是一条母材曲线;四行都填了,四行互相矛盾。⇒ 填完四项,从上往下读一遍,看第二行认不认第一行。

1.6 一个能立刻用起来的评审动作

评审一份接头疲劳报告,⛔ 不必先看模型。按下面的顺序问四句,多数问题在第二句之前就暴露了:

  1. 「这个应力是哪一级口径?」——答不出「名义/热点应力/缺口/结构应力」四个词之一,后面不用问了。
  2. 「这条曲线是用哪一级口径标定的?横轴是应力范围还是应力幅?」——答「手册上查的」不算答案,⚠ 横轴口径尤其要问,它值 2^m 倍。
  3. 「存活率和置信度各是多少?」——答「用的中值曲线」等于承认按 50% 存活率设计。
  4. 「标定时的 R_σ 是多少?当前工况的 R_σ 是多少?两者不同的话怎么处理的?」——内压脉动是 R_σ ≈ 0 的载荷,直接套对称循环曲线是 J5-01 换热器/冷板结构强度与耐压 FEA 已点名的实错。
口径与曲线配对矩阵图。主体是一个二乘二的方阵,横轴表示所用的应力口径、分两列,左列标注名义应力口径、右列标注热点应力或缺口应力口径;纵轴表示所配的 S-N 曲线标定口径、分两行,上行标注名义应力标定曲线、下行标注热点应力或缺口应力标定曲线。左上格与右下格用绿色描边,格内各写一个对勾并写正确、口径与曲线成对。右上格用橙色底,格内标注错向 A,并写三行小字:热点应力送进名义曲线、结构不连续被计入两遍、寿命偏保守到件永远不合格;格右侧引出一支向上的箭头标注偏保守方向,箭头旁一行小字写现场表现是怎么改都不过而台架上件是好的。左下格用红色底,格内标注错向 B,并写三行小字:名义应力送进热点曲线、集中被漏掉一遍、寿命偏乐观方向偏危险;格右侧引出一支向下的箭头标注偏危险方向,箭头旁一行小字写现场表现是报告全绿而件在台架上漏。矩阵下方另画一个独立的横条,不属于矩阵,用红色描边,写焊趾节点峰值应力送进母材曲线,并注明这一支不止级别错还错了对象,因为母材曲线连接头的存在都不知道;横条右端写归入错向 B 且更严重。图右侧一列纵向文字写:两个方向后果相反,而人们默认混用只会偏保守,这个默认只在错向 A 上成立。本图为定性示意,不含任何应力或寿命数值,不得据图取值。
图2 这张图要读出的结论是:口径混用的两个方向后果相反——⛔ 不是「都偏保守」。★ 更要记住的是右下角那条独立横条:把焊趾峰值应力送进母材曲线,是本课最常撞见的一种,它同时错了级别与对象。⛔ 本图为定性示意,⛔ 不含任何应力或寿命数值,⛔ 不得据图取值。

1.7 母材段与接头段必须分段评价

同一个零件上,母材段与焊缝/钎缝段用两套曲线:母材段可用母材 S-N(这条纪律 J5-03 振动、模态与随机振动疲劳 已立),接头段必须同时换成接头应力口径与接头 S-N。⚠ 口径与曲线成对更换,⛔ 不许只换一半——只换曲线不换口径,或只换口径不换曲线,都会掉回 1.3 的两个错向里去。

交界处怎么办:按较严的一侧取。⛔ 不得为了「统一」把整件套一条曲线——那是把一个分段问题当成了报表格式问题。

⚠ 分段的边界在哪里,本课不给一个通用距离。可操作的做法是:沿着接头曲线的适用范围反推——接头曲线标定时试件上被认为「属于接头」的那一段有多长,你的分段边界就画在那里;⛔ 拿不到这个信息时,把边界画宽一点(多算一点接头段)是偏保守的方向。

1.8 本讲接住的两条断链,以及本讲不接的那些

接住的第一条:J5-01 换热器/冷板结构强度与耐压 FEA 的「疲劳压力循环工况转入 J5-02 热应力、热变形与热疲劳仿真/J5-03 振动、模态与随机振动疲劳 校核」——这是一条死链(那两门课分别是热循环与随机振动,均无压力循环内容)。⇒ 压力循环下接头的仿真侧评价由本课接住;载荷谱侧归 I6-01 振动、热冲击与压力脉冲耐久设计,试验侧归 L1-03 密封、耐压、爆破与泄漏试验/L1-04 振动、热冲击与耐久台架试验。

接住的第二条:J5-06 结构 FEA 建模方法基础:单元、约束、本构与结果可信度 那条「奇异处改用结构应力/网格不敏感法」的指路牌——方法本体在本课第 3 讲。

⛔ 本讲不接的:S-N/ε-N/Coffin-Manson/Miner 累积损伤/平均应力修正的方法本体(→ J5-02 热应力、热变形与热疲劳仿真、J5-03 振动、模态与随机振动疲劳、I6-01 振动、热冲击与压力脉冲耐久设计、G2-07 换热器芯体强度、耐压与热疲劳设计);应力奇异的一般识别、沿壁厚线性化与 Pm/Pb/F 分解、单元与约束选型(→ J5-06 结构 FEA 建模方法基础:单元、约束、本构与结果可信度)。本课从「该点已判为奇异、一次静强度评定已完成」处接手。

四项声明卡片示意图。整体画成一张报告卡片的样式,卡片顶部标题写接头疲劳评价四项声明,副标题写缺一项这个数字连被评审判对错的资格都没有。卡片主体是四行,每行左侧一个编号圆圈与声明项名称、右侧一列写缺了它读者不知道什么。第一行写应力口径,括注含取法与网格规则,右侧写不知道这个应力数里含了哪些集中、漏了哪些。第二行写 S-N 曲线来源及其标定口径,括注含横轴是应力范围还是应力幅,右侧写不知道曲线里已经吸收了哪些集中,因而判不了有没有重复计入或漏计;这一行右端另挂一个小方框用橙色描边写横轴口径值 2 的 m 次方倍。第三行写存活率与置信水平,右侧写不知道这是一半的件还是绝大多数件的寿命;这一行下方挂一行小字写存活率与置信度是两件事必须分别声明。第四行写应力比与平均应力处理方式,右侧写不知道曲线标定时的载荷状态因而判不了能不能用在当前工况上。四行下方画一条竖直的双向箭头把第一行与第二行连起来,箭头旁写自洽性检查:第二行认不认第一行,并举例写口径栏写热点应力而来源栏是母材曲线,四行都填了四行互相矛盾。卡片底部一条横带写两条不可互换:安全系数加在应力上,存活率加在寿命分布上。本图为定性示意,卡片内不含任何实际数值,不得据图取值。
图3 这张图要读出的结论是:这四项⛔ 不是报告的格式要求,是让一个寿命数字可被判对错的最小信息集。★ 最容易漏的是第二行括注里那半句——横轴是应力范围还是应力幅,它值 2^m 倍;★ 而最容易「填齐了仍然错」的是①与②不自洽。⛔ 本图为定性示意,⛔ 卡片内不含任何实际数值,⛔ 不得据图取值。

后面还有 4 讲正文 · 关键公式 · 案例拆解 · 常见误区 · 动手做

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