技术摘要：
本发明是一种使焊接接头变幅疲劳性能与母材相同的焊缝形状设计方法。对于母材与焊缝都无裂纹，通过调整焊缝几何参数使焊缝与母材应力的比值等于焊缝熔敷金属与母材疲劳极限的比值、焊缝熔敷金属与母材抗拉强度的比值中较小的数值，实现焊缝与母材变幅疲劳等承载；对于  全部
背景技术：
开发高强钢是当前减轻钢结构重量并保证可靠性，应对资源和环境挑战的主要做 法。但是高强钢焊接接头承载能力(尤其是高周疲劳承载能力)低于母材，且脆断的倾向大， 极大的限制了高强钢在焊接结构中的应用。对于静载的情形，通过复杂的预热和后热工艺、 开发专用的焊接材料或者采用低匹配焊接接头静载等承载设计，都可实现焊接接头承载能 力与母材相同。但是对于工程广泛存在的疲劳载荷，尤其是变幅疲劳，尚没有合适的方法使 焊接接头承载能力与母材相同。由于疲劳载荷的特殊性，其对焊接缺欠更为敏感，然而即使 采用了严格的工艺和专用的焊接材料，焊接过程也不可避免的会产生各种缺欠，因此从接 头形状设计入手解决高强钢焊接接头疲劳性能低于母材的问题十分必要。与低匹配焊接接 头静载等承载设计不同，焊接接头的疲劳等承载设计时母材的承载能力是由载荷和寿命共 同表征的。对于常幅疲劳，母材的承载能力可由条件疲劳强度表征，但是焊接结构实际工况 往往是变幅疲劳，甚至载荷谱是不确定的，为接头设计带来极大不便。因此，研究载荷大小 对接头形状设计的影响，解决高强钢焊接接头变幅疲劳性能低于母材的问题，对于高强钢 在焊接结构中的应用具有重要意义。
技术实现要素：
本发明为使焊接接头变幅疲劳性能与母材相同，本发明提供了一种使焊接接头变 幅疲劳性能与母材相同的焊缝形状设计方法，本发明提供了以下技术方案： 一种使焊接接头变幅疲劳性能与母材相同的焊缝形状设计方法，当母材与焊缝都 无裂纹时，包括以下步骤： 步骤1：分别确定焊缝熔敷金属与母材疲劳极限的比值和焊缝熔敷金属与母材抗 拉强度的比值； 步骤2：根据焊缝熔敷金属与母材疲劳极限的比值和焊缝熔敷金属与母材抗拉强 度的比值，选取数值最小的广义匹配比，确定设计采用的载荷； 步骤3：当母材与焊缝都无裂纹时，确定满足疲劳等承载条件时焊缝区的工作应 力； 步骤4：根据不同接头形式和工况，通过解析、数值计算或经验方法确定接头几何 参数对焊缝区峰值应力的影响规律； 步骤5：计算满足疲劳等承载条件下焊缝区的工作应力时，焊缝接头焊趾的几何参 数； 步骤6：对步骤5中得到的焊缝接头焊趾的几何参数进行优化，使焊缝区的应力集 6 CN 111604614 A 说　明　书 2/15 页 中程度降到最低，则得到母材与焊缝都无裂纹时，焊接接头变幅疲劳性能与母材相同的焊 缝形状设计方案。 优选地，根据mW-mB取值的不同，疲劳等承载实现条件有不同的形式，其中mW为焊缝 金属材料参数，mB为母材材料参数； 当mW-mB＞0时，焊缝金属寿命和母材寿命的比值ρ随载荷P增加而递增，使ρ始终不 小于1，当P降低至使母材和焊缝的应力均为疲劳极限σr时，确定疲劳等承载条件,通过下式 表示疲劳等承载条件： 其中， 为焊缝与母材工作应力的比值， 和 分别为焊缝金属和母材的 疲劳极限强度； 当mW-mB＜0时，ρ随载荷P增加而递减，使ρ始终不小于1，当P增大至使母材和焊缝的 应力均为抗拉强度σb，确定疲劳等承载条件,通过下式表示疲劳等承载条件： 其中， 和 分别为焊缝金属和母材的抗拉强度； 当mW-mB＝0时，ρ不随载荷P变化，确定疲劳等承载条件，通过下式表示疲劳等承载 条件： 其中，CW为母材材料参数，CW为焊缝金属材料参数； 当母材与焊缝都无裂纹时，通过下式表示当母材与焊缝都无裂纹时的疲劳等承载 条件： 一种使焊接接头变幅疲劳性能与母材相同的焊缝形状设计方法，当母材与焊缝都 存在裂纹时，包括以下步骤： 步骤一：分别确定焊缝熔敷金属与母材应力强度因子门槛值的比值和焊缝熔敷金 属与母材临界应力强度因子的比值； 步骤二：根据焊缝熔敷金属与母材应力强度因子门槛值的比值和焊缝熔敷金属与 母材临界应力强度因子的比值，选取数值最小的广义匹配比，确定设计采用的载荷； 步骤三：当母材与焊缝都存在裂纹时，确定满足疲劳等承载条件时母材的应力强 度因子； 步骤四：当母材与焊缝都存在裂纹时，确定满足疲劳等承载条件的焊缝区的应力 强度因子； 步骤五：计算满足焊缝区的工作应力时，确定焊缝的几何参数； 步骤六：根据不同接头形式和工况，通过解析、数值计算或经验方法确定接头几何 7 CN 111604614 A 说　明　书 3/15 页 参数对焊缝应力强度因子的影响规律； 步骤七：根据步骤四中得到的应力强度因子，确定在满足步骤3中母材的应力强度 因子时焊缝接头焊趾的几何参数； 步骤八：对步骤七得到的焊缝接头焊趾的几何参数进行优化，使焊缝区的应力集 中程度降到最低，则得到母材与焊缝都存在裂纹时，焊接接头变幅疲劳性能与母材相同的 焊缝形状设计方案。 优选地，当 时，焊缝金属寿命和母材寿命的比值ρ随载荷P增加而递增， 使ρ始终不小于1，使得P降低至使母材和焊缝的应力强度因子均为应力强度因子门槛值即 可，确定疲劳等承载条件： 其中， 为焊缝与母材应力强度因子的比值； 和 分别为焊缝金属和 母材的应力强度因子门槛值； 当 时，焊缝金属寿命和母材寿命的比值ρ随载荷P增加而单调递减，使ρ 始终不小于1，使得P增大至使母材和焊缝的应力强度因子均为临界应力强度因子即可，确 定疲劳等承载条件： 当 时，焊缝金属寿命和母材寿命的比值ρ不随载荷P变化，确定疲劳等 承载条件： 最终确定当母材与焊缝都存在裂纹时的疲劳等承载，通过下式表示当母材与焊缝 都存在裂纹时的疲劳等承载条件： 优选地，当母材与焊缝都存在裂纹时，焊缝疲劳寿命用应力强度因子幅值ΔK表 征，根据帕瑞斯公式确定焊缝区应力强度因子，通过下式表示焊缝金属的应力强度因子： 其中，Y为形状因子，a为裂纹长度，P为载荷； 确定焊缝寿命，通过焊缝寿命表征满足疲劳等承载条件时焊缝区的应力强度因 子： 8 CN 111604614 A 说　明　书 4/15 页 其中，NW为焊缝区的应力强度因子， 为初始裂纹长度， 为临界裂纹长度； 当母材存在裂纹，同样通过母材寿命表征满足疲劳等承载条件时母材的应力强度 因子： 其中，NB为母材的应力强度因子。 一种使焊接接头变幅疲劳性能与母材相同的焊缝形状设计方法，当母材无裂纹， 焊缝存在裂纹时，包括以下步骤： S1、分别确定焊缝熔敷金属应力强度因子门槛值与母材疲劳极限的比值和焊缝熔 敷金属临界应力强度因子与母材抗拉强度的比值； S2、根据焊缝熔敷金属应力强度因子门槛值与母材疲劳极限的比值和焊缝熔敷金 属临界应力强度因子与母材抗拉强度的比值，选取数值最小的广义匹配比，确定设计采用 的载荷； S3、当母材无裂纹，焊缝存在裂纹时，确定满足疲劳等承载条件时焊缝区的应力强 度因子； S4、根据不同接头形式和工况，通过解析、数值计算或经验方法确定接头几何参数 对焊缝应力强度因子的影响规律； S5、根据S4中得到的应力强度因子，确定在满足S3中焊缝区的应力强度因子时焊 缝接头焊趾的几何参数； S6、对S5得到的焊缝接头焊趾的几何参数进行优化，使焊缝区的应力集中程度降 到最低，则得到母材无裂纹焊缝存在裂纹时，焊接接头变幅疲劳性能与母材相同的焊缝形 状设计方案。 优选地，当 时，焊缝金属寿命和母材寿命的比值ρ随载荷P增加而单调 递增，使ρ始终不小于1，使得P降低至使母材应力为疲劳极限，使焊缝的应力强度因子为应 力强度因子门槛值，确定疲劳等承载条件： 其中， 焊缝应力强度因子与母材应力的比值； 当 时，焊缝金属寿命和母材寿命的比值ρ随载荷P增加而单调递减，使ρ 始终不小于1，使得P增大至使母材应力为抗拉强度Rb，使焊缝的应力强度因子为临界应力 强度因子，确定疲劳等承载条件： 9 CN 111604614 A 说　明　书 5/15 页 当 时，ρ不随载荷P变化，确定疲劳等承载条件： 最终确定当当母材无裂纹，焊缝存在裂纹时的疲劳等承载，通过下式表示当母材 无裂纹，焊缝存在裂纹时的疲劳等承载条件： 本发明具有以下有益效果： 本发明对于母材与焊缝都无裂纹的焊接接头，通过调整焊缝几何参数使焊缝与母 材应力的比值等于焊缝熔敷金属与母材疲劳极限的比值、焊缝熔敷金属与母材抗拉强度的 比值中较小的数值，实现焊缝与母材变幅疲劳等承载；对于母材和焊缝都存在裂纹的焊接 接头，通过调整焊缝几何参数使焊缝与母材应力强度因子的比值等于焊缝熔敷金属与母材 应力强度因子门槛值的比值、焊缝熔敷金属与母材临界应力强度因子的比值中较小的数 值，实现焊缝与母材变幅疲劳等承载；对于母材无裂纹、焊缝存在裂纹的焊接接头，通过调 整焊缝几何参数使焊缝应力强度因子与母材应力的比值等于焊缝熔敷金属应力强度因子 门槛值与母材疲劳极限的比值、焊缝熔敷金属临界应力强度因子与母材抗拉强度的比值中 较小的数值，实现焊缝与母材变幅疲劳等承载。 保持安全裕度不变，采用变幅疲劳等承载设计可以降低母材厚度，实现轻量化；保 持母材厚度不变，采用变幅疲劳等承载设计可以增大安全裕度，提高承载能力。 常幅疲劳和静载都为变幅疲劳的特例，因此变幅疲劳等承载设计结果也可用于承 受常幅疲劳和静载的情形，其用于静载时，接头的断裂模式为全面屈服断裂，属于延性断 裂，是安全的断裂模式。 附图说明 图1为当母材与焊缝都无裂纹时方法流程图； 图2为当母材与焊缝都存在裂纹时方法流程图； 图3为当母材无裂纹，焊缝存在裂纹时方法流程图。