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1. 焊接结构抗疲劳设计过程中的认识误区
从结构制造特点的角度看，由于焊接结构具有连接性好、重量轻、易于加工、便于采用自动化生产等优点，在长期承受静态或动态载荷的复杂装备领域得到广泛应用，特别是焊接工艺技术的不断推陈出新，更是显著地提升了焊接结构在这些产品中的应用地位。但是焊接结构还有不足的一面，即：承受动载荷的焊接接头，由于其几何不连续性而导致应力集中，因而焊接结构成了产品结构可靠性的薄弱环节之一。
面对焊接结构疲劳失效的问题，多少年来包括轨道车辆在内的各个制造行业一直在努力治理，并取得了一定进展，确保了焊接结构的服役安全，但目前依然存在一些认识上的误区，如果我们能够从这些这些认识误区中尽快地走出来，效果将可能更加显著。
误区一：将金属材料抗疲劳强度设计的理论与方法不加区分地用于焊接结构
该认识误区是理论层面的。以原铁道部1996年颁布的《铁道车辆强度设计及试验鉴定规范》(TB/T 1335—1996)标准为例，在这个标准的“车辆主要零部件疲劳强度评估方法”一节中，首先指出：“本方法是铁道车辆主要承载零部件或构件的疲劳分析指南，适用于各型铁道车辆主要承载零部件的疲劳评估”，可见该标准的内容并不区分被评估的对象是否为焊接结构。在该书的后面也将提到，焊接结构抗疲劳设计的理论与方法与金属材料疲劳强度设计的理论与方法的不同，其原因是它们的疲劳破坏机理是有明显区别的，因此二者不可互相替代。在定义疲劳寿命时，该标准认为疲劳寿命是“构件疲劳裂纹萌生寿命与裂纹扩展寿命之和”，然而在焊接结构的疲劳开裂过程中裂纹萌生对疲劳寿命的贡献是可以忽略的。
在使用名义应力法时，该标准写明要以材料的S-N曲线为基础，然而焊接结构的疲劳试验数据已经表明：焊接接头母材的S-N曲线数据不能代替焊接接头的S-N曲线数据，其原因也是它们具有不同的力学破坏机理。
在评估疲劳寿命时，该标准使用的是考虑应力比R的“修正Goodman图”，即认为疲劳强度随不同的R值变化。后来铁道部又颁布《200km/h及以上速度级铁道车辆强度设计及试验鉴定暂行规定》，然而在这个新的规定中依然将用于金属材料疲劳的理论与方法用于焊接结构。事实上，英国焊接研究所的疲劳试验数据早已证明，修正的Goodman图用来处理焊接结构的疲劳问题是不恰当的，理由是由于焊接残余应力的存在，平均应力对焊接接头寿命的影响基本看不到，而金属材料的疲劳则不是这样。
正是由于理论认识上的误导，国内轨道车辆制造工厂的有些设计人员或者决策部门在力图提高焊接结构的抗疲劳能力时，常倾向于选用屈服强度高的母材，他们误认为提高屈服强度母材的焊接接头的抗疲劳能力也必然高。对于金属疲劳问题，这个观点是成立的，例如文献《抗疲劳设计——方法与数据》中曾用试验数据证明了“材料的疲劳强度与材料的抗拉强度之间有着较好的相关性”，甚至给出了一个近似估算公式。然而对于焊接结构来说，该观点是不成立的。英国标准BS76081993《钢结构疲劳设计与评估实用标注》已经用数据明确证明，标准中所提供的S-N曲线数据对屈服强度低于700MPa,例如屈服强度为345MPa的Q345钢与屈服强度为435MPa的Q435钢，它们的S-N曲线数据是没有区别的。关于这一点，国际焊接学会在2008年的标准中，甚至将这个屈服强度范围提高到960MPa。
关于这个问题在后面的章节中将有详细的讨论，这里仅简单地给出它的基本理由：疲劳载荷相同、几何形状也相同的焊接接头的抗疲劳能力仅有产生的应力集中控制，而应力集中的高或者低不由母材的屈服强度控制。
误区二：将焊接结构的疲劳失效问题归结为焊接质量问题
该认识误区是责任层面上的，即习惯于将焊接结构的疲劳失效主要归结为焊接质量的问题，习惯于从制造质量角度寻找问题发生的原因。
在过去很长的一段时间里有过这样的教训，焊接质量很差，焊接缺陷严重导致的一些焊缝在短时间内发生疲劳失效。在吸取质量上的教训之后，现阶段焊接质量已经有了明显的改善，但是疲劳失效问题还是继续发生，例如图1-1所示的某动车组设备舱裙板焊接支架上焊缝的疲劳开裂，就是其中的一个典型案例。经过非常严格的检查未发现该处焊接质量的任何问题，然而服役不久该结构还是出现了疲劳失效问题。这个案例表明：将应力集中产生的原因简单地归结为焊接质量的问题是不恰当的，应力集中可以产生于制造阶段，也可以产生于设计阶段，不同阶段应该有不同的责任，虽然逻辑上责任问题不是一个科学问题，但是责任不清导致治理上的错位也不可掉以轻心。
图1-1 舱裙板支架焊缝疲劳开裂
误区三:焊接结构内部的残余应力对疲劳寿命有重要影响
该认识误区是关于焊接残余应力影响的问题，即认为焊接结构内部存在复杂的残余应力，且这个残余应力对疲劳寿命是有重要影响的，可以这个影响究竟有多大又难以可靠估计。
关于焊接结构残余应力本身，国内外许多焊接专家的著作中对残余应力产生的机制都有过详细的阐述，一致认为焊接结构内部存在着相当复杂的残余应力是焊接结构工艺热过程的必然结果。然而谈到残余应力对疲劳寿命或者疲劳失效到底有什么影响时，英国焊接研究所的T.R.Gurney博士在他的专著《焊接结构的疲劳》中曾有这样一段精彩的描述：“把焊接结构发生的破坏，归咎于残余应力的影响，这种看法并没有几年，但是最近的研究已经趋向于要证明这种观点是一个误解，即使在某些情况下残余应力无疑会有危害，但它们并不总是负主要责任。”
焊接结构的残余应力峰值可以达到材料的屈服强度，由于构件类型、焊接工艺、装配顺序及夹具等影响，残余应力常表现为复杂的分布形式，在进行疲劳评估时，定量计算残余应力的影响在工程上是很困难的，替代的方法是确保疲劳性能测试数据包含残余应力的影响（例如S-N曲线数据），这通常要求试件的具有足够的尺寸，这在常用的国际规范和标准中，如EN标准、BS标准、IIW标准以及ASME标准，S-N曲线数据中已经包含了残余应力的影响，这样无须再次单独处理残余应力对疲劳评估结果的影响。
鉴于焊接结构残余应力与疲劳失效的关系是一个争议不断的话题，董平沙教授对此有过深入的研究并给出了结论：“如果有合适的S-N曲线数据，残余应力对焊接结构疲劳的影响并不需要单独考虑。”关于这个观点，本书后面的章节有较详细的介绍。这里需要强调的是，同样是应力，但是外载荷控制的应力与位移控制的残余应力对裂纹扩展的影响不在一个数量级上，后者远小于前者，如果理解了美国ASME BPVC Ⅷ-2-2015中给出的疲劳寿命估算公式推导过程，残余应力的贡献是几乎看不到的。
误区四：对于焊接结构的疲劳问题.只重视验证.不重视设计
该认识是逻辑层面上的，即能用否用辩证的眼光看待疲劳寿命数值仿真与台架疲劳试验二者之间的关系。
类似于轨道车辆产品的研发阶段是“设计、制造、验证”，可以把这三个阶段比喻为一条河流的“上游、中游、下游”。
由于形成焊接结构的热物理行为相当复杂，致使一些决策者认为疲劳失效隐患存在与否的检查手段只能是台架上的疲劳验证试验验证。事实上，对台架上的疲劳试验的重视确实是非常必要的，但是还应当看到它的“下游”属性，在仅有设计图样的上游设计阶段，如果设计不当，应力集中之类的疲劳隐患就可能隐藏其中，一旦发生这种“上游污染”，“下游治理”的代价将是很大的，图1-1给出的焊缝疲劳开裂就是典型的“上游污染”、“下游治理”案例。
当然，焊接结构疲劳寿命的估算结果是概率意义上的统计，由于在数值仿真建模的过程中一些影响因素被简化或者忽略，这就导致了仿真计算结果与实际情况的相对误差。但在建模过程中如果能抓住主要矛盾，基于仿真设计结果的“设计方案相对比较重选优”则有明确的意义，如果计算手段更科学一些，优选出来的设计方案将更有工程价值。例如研究人员曾为某轨道客车的焊接构架创建了一个计算模型，然后计算得到了134条焊缝焊趾上的疲劳损伤，并通过比较识别了哪些焊缝焊趾上的疲劳损伤比较大，然后基于识别结果对设计进行了修改。修改以后焊接结构的应力集中得到明显的缓解，从而实现了这样的闭环。如果在设计阶段坚持这样做，“上游应力集中污染”的程度将会显著降低或者归零，而能做到这点，除了要有科学的方法之外，还需要辩证的眼光看待疲劳寿命数值仿真与台架疲劳试验这二者之间的互补关系。
1.2 编写本书的基本目的
1981年，徐灏教授在他的专著中指出：“疲劳强度设计”是建立在实验基础上的一门科学，对于疲劳设计问题来说，这个见解无疑是相当深刻的，对于焊接结构的疲劳强度设计问题可能是这样的。1979年，T.R.Gurney博士给出的结论是：焊接结构的疲劳强度是不能用理论的方法求解出来的，换言之，他认为焊接结构的疲劳强度设计也只能建立在试验的基础上。有这种想法的学者还有，这也从侧面反映了寻找焊接结构疲劳强度问题的理论解是及其困难的。
然而数学家认为，实际上的食物是有可能用数学方程来描述的，科学的发展验证了这一预言。2007年美国ASME标准进行了更新，在更新版本的第5章给出了董平沙教授关于焊接结构疲劳寿命评估的理论与方法，经过近十年的努力，董平沙教授终于在焊接结构疲劳寿命计算领域实现了数学家的预言。
2015年最新出版的ASME BPVC Ⅷ-2-2015沿用了2007年ASME标准中关于焊接结构疲劳寿命评估的内容。ASME标准的内容是公开的，这为我国密切关注焊接结构疲劳寿命计算理论的人们提供了“引进、消化、吸收、再创新”的窗口，通过这个窗口帮助读者消化其理论，并试图将其转化为解决实际问题的能力，这就是本书编写的第一个目的。
本书在理论介绍方面遵循的是由浅入深的递进原则，将首先介绍一些相关的基础知识。在讨论焊接结构疲劳失效问题之前，将简要介绍一些与疲劳相关的基础知识。在讨论S-N曲线内涵的同时，简要讲解Miner疲劳损伤累积原理的内涵。在讨论网格不敏感结构应力之前，简要地说明一些有限元领域的基础知识。在讨论结构应力法的理论内涵之前，简要地交代一些与断裂力学相关的基础知识，然后重点介绍结构应力法的来龙去脉，以及基于结构应力的主S-N曲线公式的理论推演。最后，介绍了董平沙教授的最新研究成果，其中包含处理多轴疲劳问题的MLP方法、处理低周疲劳的结构应变法，以及内涵更深邃的主结构应变法。客观地说，如果我们掌握了这样一个完整的理论体系，处理复杂的工程问题时就不会被复杂的表面现象所迷惑。
当前，我国轨道车辆制造行业还引进了一些其他类似的标准，由于这些标准的疲劳数据是基于名义应力的，因此可将这些定义为第一类。美国ASME BPVC Ⅷ-2-2015标准中的结构应力法有别于传统的名义应力法，因此该标准定义为第二类。本书对第一类标准的工程适用性与局限性进行了梳理归纳，基于这个梳理归纳，如果能让读者对第二类标准中的新知识发生过程有个的理解，那么本书的第二个目的也就达到了。
编写本书的第三个目的是：在理论消化的基础上，试图帮助相关的设计人员在焊接结构的设计阶段有具体的方法可用。无科学的、系统的、简洁的方法可用，一直是设计人员难于开展焊接结构抗疲劳设计的一个紧迫问题，如果这第三个目的能够实现，那么从“发现应力集中”入手，到“缓解应力集中”落脚，从而形成了闭环的设计理念，就不至于像悬于空中的楼阁。为达到这一目的，本书提供了两类技术，一是服务于接头设计的技术，二是服务于结构系统层面的平台技术。关于接头设计技术，本书将通过欧洲的另一标准EN15085中的应力因数的计算为引导，通过具体案例分别给出实施第一类标准与第二类标准的具体步骤，这也是服务于焊接接头抗疲劳设计的参考模板。关于结构系统层面的平台技术，则是基于结构应力的虚拟疲劳试验理念，本书除了给出虚拟疲劳试验的关键技术之外，还用代表性的工程案例给出了示范。
本书关于模态结构应力、频域结构应力概念的提出，使结构应力法的工程应用更加的广泛，给出的案例让读者进一步认识到，沿着结构应力法的理论路线继续前进，焊接结构疲劳失效问题的学术研究依然有较大的空间。
本文摘自兆文忠、李向伟、董平沙《焊接结构抗疲劳设计理论与方法》第一章引论。等效结构应力法在07年被引入ASME Ⅷ-2到现在已经有十多年了，在压力容器工程设计中用的其实不多，因为ASME Ⅷ-2提供了三种并列的方法，三选其一即可，等效结构应力法属于比较新的方法，工程师更熟悉传统的弹性总应力法。等效结构应力法的应用需要采用通用有限元程序联合专用的疲劳分析程序实现，比如ANSYS+FE SAFE或者ABAQUS+FE SAFE，或者自己编写相关的后处理程序，国内相关高校（轨道车辆与工程力学方向）也都有自己编写的疲劳分析程序，不过对压力容器应力分析设计工程师来说还是有困难的，这对该方法的普及应用是不利的。
不清楚新版压力容器分析设计标准为什么没有引入等效结构应力法，毕竟这个方法更加科学。比较有意思的是这个方法被国内的轨道车辆行业专家兆文忠发现之后很快被引入应用起来，对轨道车辆抗疲劳设计技术的进步起了很大的推动作用，应该说应用已经很成熟了。等效结构应力疲劳分析后处理程序国内本身有现成的，压力容器行业自己开发难度也不大（工程力学硕研难度），比如在NSAS基础上加入等效结构应力疲劳分析模块实现一般开孔等效结构应力疲劳分析，ANSYS结合在线付费的疲劳分析模块实现等效结构应力疲劳分析，不需要额外购买FE SAFE。互联网+的时代，很多问题都可以很好的解决。或者锅容委组织人员开发相关程序，在行业内推广以及培训。管道行业和压力容器行业常用美国PRG公司开发的Nozzle Pro是支持管口、鞍座等结构的等效结构应力疲劳分析的，不过这个软件其实比较符合管道行业的习惯，不太符合压力容器应力分析设计的习惯。
ASME Ⅷ-2三种疲劳分析方法中的第一种是弹性总应力法，采用光滑杆件疲劳曲线结合焊缝表面疲劳强度减弱系数适用焊缝，是目前压力容器业内最常用的方法，也是被新版分析设计标准所引用的。尽管等效结构应力法更科学，但是在压力容器行业的实际使用很少，应该说极少见（工作8年就碰到1次）。
光滑杆件疲劳曲线结合焊缝表面疲劳强度减弱系数用于焊接件疲劳分析的方法在原理上有不足，不过要知道现行JB4732和07版之前ASME Ⅷ-2的中焊接件和母材采用的都是光滑杆件疲劳曲线（没有焊缝表面疲劳强度减弱系数），60年代到现在，大量的疲劳容器采用这种方法进行设计，所以要对这个方法有信心，对标准有信心。对于重要的设备，可以考虑用包括ASME Ⅷ-2等效结构应力法在内的其他方法再验算一下，一般情况用弹性总应力法即可，毕竟已经用了那么多年了。
目前常见的内平齐接管疲劳分析按照现行JB4732一般不考虑焊缝表面疲劳强度减弱系数，或者说全都是按1.0考虑，按照现行ASME Ⅷ-2和国标分析设计标准征求意见稿接管筒体焊缝处的弹性总应力要再乘以Kf，一般是1.5~1.7，疲劳寿命会低不少，那么是不是说以前的疲劳分析都不安全呢？我们不能单纯从理论判断，不能只能看到方法的缺点，也要结合实践去判断，应该说弹性总应力还是可靠的，不然ASME Ⅷ-2也不会到现在还有这种方法。
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