導(dǎo)讀：筆者之前曾寫(xiě)過(guò)一系列文章，簡(jiǎn)要介紹了結(jié)構(gòu)應(yīng)力方法在評(píng)價(jià)焊接接頭疲勞壽命中的應(yīng)用，包括：

基于結(jié)構(gòu)應(yīng)力方法的焊接結(jié)構(gòu)疲勞評(píng)估及實(shí)例分析(上篇)

基于結(jié)構(gòu)應(yīng)力方法的焊接結(jié)構(gòu)疲勞評(píng)估及實(shí)例分析(下篇)

焊接疲勞：我所理解的“網(wǎng)格不敏感-結(jié)構(gòu)應(yīng)力方法”

這些文章介紹了焊接接頭疲勞行為相對(duì)于傳統(tǒng)材料疲勞行為的特殊性，利用名義應(yīng)力和結(jié)構(gòu)應(yīng)力方法評(píng)估焊接接頭疲勞壽命的共性與區(qū)別，并且通過(guò)具體實(shí)例介紹了利用二維有限元模型計(jì)算結(jié)構(gòu)應(yīng)力的具體方法及預(yù)測(cè)壽命與實(shí)驗(yàn)壽命的對(duì)比。

然而，影響焊接接頭疲勞壽命的因素很多，諸如整體焊接結(jié)構(gòu)形式、接頭形式、載荷與約束條件、接頭/結(jié)構(gòu)尺寸、母材/熱影響區(qū)/焊接材料行為、接頭殘余應(yīng)力狀態(tài)、接頭局部幾何形貌、焊接方法、焊接參數(shù)等等，不一而足。很多讀者對(duì)如何評(píng)估不同因素對(duì)焊接接頭疲勞壽命影響一直存有疑慮。

鑒于目前數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)方法和物理驅(qū)動(dòng)方法在學(xué)術(shù)/工程界被廣泛應(yīng)用和討論，筆者在此也打算從這兩個(gè)熱門(mén)概念入手，淺談一下“結(jié)構(gòu)應(yīng)力-主SN曲線方法”是如何對(duì)焊接接頭疲勞壽命的諸多影響因素進(jìn)行考量的。本文的下篇將沿著這一思路給出的筆者對(duì)結(jié)構(gòu)應(yīng)力發(fā)展歷程和未來(lái)方向的一些思考。文章觀點(diǎn)僅代表筆者一些不成熟的思考，意在拋磚引玉，希望同行們多多批評(píng)指正，不吝賜教。

一、影響焊接接頭疲勞的因素

如引言所述，影響焊接接頭疲勞壽命的因素很多，但大體上可分為兩類：

1)通過(guò)影響焊接接頭局部應(yīng)力，也就是疲勞破壞的“驅(qū)動(dòng)力”來(lái)影響接頭壽命。這類因素包括但不限于整體結(jié)構(gòu)的形式，局部接頭形式，載荷大小、加載形式，接頭受到的邊界約束，接頭局部幾何形貌，殘余應(yīng)力等。

2)通過(guò)影響接頭/熱影響區(qū)材料性能，也就是材料對(duì)疲勞破壞的“抵抗力”來(lái)影響接頭壽命。這類因素包括但不限于母材/焊材的選擇等。有些因素則從兩方面影響焊接接頭的疲勞壽命。例如焊接方法、焊接參數(shù)的選擇可能會(huì)影響接頭局部幾何形貌，殘余應(yīng)力狀態(tài)，從而影響接頭局部的應(yīng)力狀態(tài)(即疲勞“驅(qū)動(dòng)力”)，另一方面，它們還會(huì)對(duì)焊接材料/熱影響區(qū)材料的性能產(chǎn)生影響(即疲勞破壞的“抵抗力”)。面對(duì)如此繁多復(fù)雜的影響因素，如何評(píng)估它們對(duì)焊接接頭疲勞壽命的影響一直是業(yè)界關(guān)注的焦點(diǎn)。

二、數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)/物理驅(qū)動(dòng)模型

圖 1 理想化的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)/物理驅(qū)動(dòng)模型

本節(jié)借用目前非常熱門(mén)的兩個(gè)概念——數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模型和物理驅(qū)動(dòng)模型，嘗試說(shuō)明定量描述影響焊接疲勞因素的方法：

1、數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模型

如圖 1左側(cè)所示，考慮一個(gè)理想化的極端情況：如果有一個(gè)海量的焊接疲勞數(shù)據(jù)集，數(shù)據(jù)集中的每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)都包含了一個(gè)焊接接頭的所有詳細(xì)信息(包括接頭形式、載荷邊界條件、材料、殘余應(yīng)力狀態(tài)、焊接方法等)及對(duì)應(yīng)的疲勞壽命。這樣可以通過(guò)這個(gè)海量的數(shù)據(jù)集訓(xùn)練一個(gè)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模型。數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模型的輸入就是可能影響接頭疲勞壽命的所有因素，輸出就是接頭的疲勞壽命。數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模型的特點(diǎn)是完全不需要知道這些因素影響接頭壽命的物理機(jī)制(因此有時(shí)又被稱為黑盒模型)，只要數(shù)據(jù)量足夠龐大，并且每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)記錄的信息足夠詳盡，模型就可以預(yù)測(cè)接頭疲勞壽命。然而在應(yīng)實(shí)際應(yīng)用中純數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模型面臨兩大難題：1)接頭疲勞數(shù)據(jù)成本極高，沒(méi)有可以用于訓(xùn)練數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模型的足夠疲勞數(shù)據(jù);2)很多疲勞數(shù)據(jù)包含的信息不全，例如，大多數(shù)疲勞數(shù)據(jù)不會(huì)記錄(甚至不會(huì)測(cè)量)接頭各個(gè)區(qū)域的詳細(xì)材料性質(zhì)、殘余應(yīng)力狀態(tài)、局部幾何形貌等。

2、物理驅(qū)動(dòng)模型

與數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模型相對(duì)的另外一個(gè)極端就是純物理驅(qū)動(dòng)模型，如圖 1右側(cè)所示。如果知道圖 1中每一個(gè)因素對(duì)接頭疲勞壽命影響的物理機(jī)制，并且可以通過(guò)數(shù)學(xué)模型定量描述這些影響，則可以得到一個(gè)純物理驅(qū)動(dòng)模型。在理想情況下，甚至不需要任何疲勞數(shù)據(jù)，只要能精確給出描述接頭狀態(tài)的所有參數(shù)，就可以通過(guò)該物理驅(qū)動(dòng)模型預(yù)測(cè)疲勞壽命。純物理模型在實(shí)際應(yīng)用中也會(huì)遇到很多困難，例如很多影響因素的物理機(jī)制尚不清楚，更談不上定量描述。另外也很難精確給出描述接頭狀態(tài)的所有參數(shù)。

3、數(shù)據(jù)/物理驅(qū)動(dòng)模型小結(jié)

鑒于上述分析，純數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)/物理驅(qū)動(dòng)模型都很難直接用于對(duì)焊接接頭疲勞壽命的預(yù)測(cè)。一個(gè)理想的方法是找到一種能夠結(jié)合物理驅(qū)動(dòng)模型及數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模型各自的優(yōu)點(diǎn)的折衷手段。例如可以根據(jù)物理/力學(xué)的基本原理對(duì)機(jī)理明確并且相對(duì)主要的因素進(jìn)行描述;而對(duì)影響機(jī)理尚不明確或很難簡(jiǎn)單定量描述的影響因素通過(guò)數(shù)據(jù)模型進(jìn)行“黑盒”處理。

三、“結(jié)構(gòu)應(yīng)力-主SN曲線法”與數(shù)據(jù)/物理驅(qū)動(dòng)模型

根據(jù)筆者觀察，“結(jié)構(gòu)應(yīng)力-主SN曲線法”本質(zhì)上是一種結(jié)合了物理驅(qū)動(dòng)和數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)特點(diǎn)的焊接接頭疲勞壽命預(yù)測(cè)方法，下文將對(duì)此觀點(diǎn)進(jìn)行詳細(xì)論述。

1、結(jié)構(gòu)應(yīng)力方法中的“物理驅(qū)動(dòng)模型”：等效結(jié)構(gòu)應(yīng)力參數(shù)

結(jié)構(gòu)應(yīng)力方法是對(duì)整體焊接結(jié)構(gòu)的有限元分析結(jié)果進(jìn)行隔離體分析，利用平衡等效和功等效原理計(jì)算得到的接頭焊趾或焊根位置沿厚度方向的膜應(yīng)力和彎曲應(yīng)力。(結(jié)構(gòu)應(yīng)力定義及計(jì)算方法可參見(jiàn)基于結(jié)構(gòu)應(yīng)力方法的焊接結(jié)構(gòu)疲勞評(píng)估及實(shí)例分析(下篇))

圖2 利用結(jié)構(gòu)應(yīng)力法(等效結(jié)構(gòu)應(yīng)力參數(shù))預(yù)測(cè)接頭疲勞壽命示意圖

由于結(jié)構(gòu)應(yīng)力參數(shù)是基于有限元分析結(jié)果計(jì)算得到，因此它可以直接刻畫(huà)諸如結(jié)構(gòu)形式、接頭形式、載荷/邊界條件等因素對(duì)接頭疲勞壽命的影響，因?yàn)檫@些因素的效果都隱含在有限元分析結(jié)果中。而等效結(jié)構(gòu)應(yīng)力參數(shù)又在結(jié)構(gòu)應(yīng)力參數(shù)基礎(chǔ)上引入了厚度修正，所以可以直接體現(xiàn)尺寸效應(yīng)對(duì)接頭疲勞的影響。綜上所述，結(jié)構(gòu)應(yīng)力方法通過(guò)定義等效結(jié)構(gòu)應(yīng)力參數(shù)，以一種“物理驅(qū)動(dòng)”的方式，刻畫(huà)了結(jié)構(gòu)形式、接頭形式、載荷/邊界條件和尺寸效應(yīng)對(duì)接頭疲勞壽命的影響，如圖 2所示。

2、結(jié)構(gòu)應(yīng)力方法中的“數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模型”：主S-N曲線

如4.1節(jié)所述，等效結(jié)構(gòu)應(yīng)力參數(shù)并不能直接描述諸如材料行為、服役環(huán)境、接頭殘余應(yīng)力狀態(tài)、接頭局部幾何、焊接方法、焊接參數(shù)等因素對(duì)焊接結(jié)構(gòu)疲勞行為的影響。那結(jié)構(gòu)應(yīng)力方法是如何反映這些因素的影響呢?答案是通過(guò)“主S-N曲線”利用“數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)”的模式把這些因素對(duì)接頭疲勞壽命的影響進(jìn)行考慮。主S-N曲線的形成過(guò)程如下：1)將美國(guó)機(jī)械工程師學(xué)會(huì)(ASME)標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)采納1200多組足尺寸焊接接頭疲勞數(shù)據(jù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析，算出每個(gè)接頭在疲勞載荷下對(duì)應(yīng)的等效結(jié)構(gòu)應(yīng)力范圍;2)將等效結(jié)構(gòu)應(yīng)力范圍作為縱坐標(biāo)，疲勞壽命作為橫坐標(biāo)，繪制到對(duì)數(shù)坐標(biāo)系中;3)對(duì)形成的數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行回歸分析，得到主S-N曲線。主S-N曲線包括中值曲線及不同誤差帶對(duì)應(yīng)的疲勞曲線，如圖 3所示。

圖 3- 主S-N曲線，曲線橫軸是焊接接頭的疲勞壽命，縱軸是等效結(jié)構(gòu)應(yīng)力參數(shù)

由于主S-N曲線涵蓋1200多組各類型足尺寸鋼接頭疲勞數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的接頭殘余應(yīng)力狀態(tài)、焊接方法、焊接參數(shù)、焊縫/熱影響區(qū)材料性質(zhì)各不相同，然而這些數(shù)據(jù)在等效結(jié)構(gòu)應(yīng)力參數(shù)的描述下都可以合并為一系列主S-N曲線。因此主S-N曲線本質(zhì)上是通過(guò)“數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)”的方式，將接頭殘余應(yīng)力狀態(tài)、焊接方法、焊接參數(shù)、焊縫/熱影響區(qū)材料性等復(fù)雜因素對(duì)焊接接頭疲勞的影響都考慮在內(nèi)了，這些因素對(duì)接頭疲勞壽命的影響都包含在主S-N曲線的誤差帶之中。除了鋼接頭之外，結(jié)構(gòu)應(yīng)力方法還提供了鋁合金接頭的主S-N曲線。值得說(shuō)明的是目前存在各種類型，各種復(fù)雜度的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模型，包括但不限于各種類型的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型、決策樹(shù)模型、核方法、高斯方法等。然而最簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模型就是回歸分析/曲線擬合模型。目前結(jié)構(gòu)應(yīng)力方法采取的是最初等的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模型，即通過(guò)回歸分析得到的主S-N曲線。隨著數(shù)據(jù)科學(xué)的發(fā)展，也可以建立更復(fù)雜有效的數(shù)據(jù)模型，對(duì)主S-N曲線乃至結(jié)構(gòu)應(yīng)力方法進(jìn)行改進(jìn)。

四、風(fēng)電焊接結(jié)構(gòu)疲勞分析案例公開(kāi)課

本文從影響焊接接頭疲勞壽命的因素入手，分別介紹了在理想情況下數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模型和物理驅(qū)動(dòng)模型對(duì)這些因素的處理方式，并指出了實(shí)際情況下兩者的面臨的困境。隨后從數(shù)據(jù)/物理驅(qū)動(dòng)的角度對(duì)結(jié)構(gòu)應(yīng)力方法進(jìn)行了分析，指出“結(jié)構(gòu)應(yīng)力-主S-N曲線方法”本質(zhì)上是一種物理驅(qū)動(dòng)/數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)相結(jié)合的模型。該方法通過(guò)計(jì)算等效結(jié)構(gòu)應(yīng)力參數(shù)，通過(guò)物理驅(qū)動(dòng)的方式，顯示地刻畫(huà)了整體結(jié)構(gòu)形式、接頭形式、載荷/邊界效應(yīng)、尺寸效應(yīng)對(duì)接頭疲勞壽命的影響;通過(guò)對(duì)大量足尺寸接頭疲勞數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，得到主S-N曲線，以數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)方式對(duì)接頭殘余應(yīng)力狀態(tài)、接頭局部幾何、焊接方法、焊接參數(shù)等因素對(duì)接頭疲勞壽命的影響進(jìn)行了隱式的，黑箱化的處理。

然而結(jié)構(gòu)應(yīng)力方法一直在發(fā)展中，本文的下篇將沿著數(shù)據(jù)/物理驅(qū)動(dòng)模型這一思路回顧結(jié)構(gòu)應(yīng)力方法的發(fā)展歷程，并指出結(jié)構(gòu)應(yīng)力方法仍可以完善的地方及未來(lái)可能的發(fā)展方向。

再次強(qiáng)調(diào)，本文屬于一家之見(jiàn)，難免存在偏頗，希望同行多多指教，共同進(jìn)步。

審核編輯：湯梓紅