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序
目次
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《焊接結構抗疲勞設計——理論與方法》介紹了焊接結構疲勞評估的一種新方法——結構應力法，其中包括網格不敏感的力學屬性以及識別焊縫上應力集中的特殊功能；推導了可評估焊縫疲勞壽命的主S-N曲線公式；討論了焊後殘餘應力的位移控制屬性；給出了結構應力法在焊接結構抗疲勞設計中的應用技術，包括焊接接頭應力因數計算技術、識別與緩解應力集中以獲得焊接接頭*好疲勞行為的實用技術、虛擬疲勞試驗技術、模態與頻域的結構應力技術，以及含初始裂紋的壽命預測技術、多軸與低周疲勞的壽命預測技術等。
名人/編輯推薦
董平沙教授發明的用結構應力法評估焊接結構疲勞壽命，被譽為將一個猜測的遊戲變成了可以明確證明的科學。2017年，兆文忠、李向偉、董平沙三位作者共同編寫的《焊接結構抗疲勞設計——理論與方法》一書出版，書中介紹了結構應力法的理論與疲勞評估方法及相關的研究工作。這本書得到了業界的廣泛好評，同時，有讀者提出希望能介紹得更詳細、更深入一些，以幫助他們更全面、更深刻地理解焊接結構抗疲勞設計的理論與方法中的一些精髓，為此，作者對書中的一些內容進行必要的補充與更新，於2021年6月出版了《焊接結構抗疲勞設計——理論與方法》第2版。
第2版將Paris裂紋擴展公式與壽命積分的內容整理為獨立的一章，從理論上對這個問題給出更詳細的討論；新增了關於焊接殘餘應力的特殊性的內容，從理論上對焊接結構殘餘應力的特殊性再次進行深入討論；在一些章節中增加了作者相關研究中獲得的體驗，其中包括獲得焊接接頭*好疲勞行為的“三階段遞進執行法”及若干案例；在第1版介紹有限元方法的基礎上，增加了一些關於應力計算奇異性的討論，其目的是説明讀者更好地理解結構應力法的網格不敏感的學術與工程價值。
第2版將Paris裂紋擴展公式與壽命積分的內容整理為獨立的一章，從理論上對這個問題給出更詳細的討論；新增了關於焊接殘餘應力的特殊性的內容，從理論上對焊接結構殘餘應力的特殊性再次進行深入討論；在一些章節中增加了作者相關研究中獲得的體驗，其中包括獲得焊接接頭*好疲勞行為的“三階段遞進執行法”及若干案例；在第1版介紹有限元方法的基礎上，增加了一些關於應力計算奇異性的討論，其目的是説明讀者更好地理解結構應力法的網格不敏感的學術與工程價值。
序
本書自2017年6月由機械工業出版社出版以來，得到了讀者的充分肯定，借此機會，對廣大讀者及出版社的同志表示感謝。
時間過得真快，該書問世轉眼四年了。這期間，一些讀者閱讀後希望我們再增加一些內容，以説明他們更全面、更深刻地理解焊接結構抗疲勞設計的理論與方法中的一些精髓，鑒於此，在出版社的鼓勵下，本書原三位作者決定邀請我團隊中的四個骨幹，一起對書中的一些內容進行必要的補充與更新。
補充與更新的原則是：第1版的撰寫框架不做任何改動，只是在基礎理論方向上進行了深化，在實際應用方向上進行了拓寬。
1）將Paris裂紋擴展公式與壽命積分的內容整理為獨立的一章，這是因為在董平沙教授的結構應力法問世之前，許多研究人員一直試圖將斷裂力學理論直接用於計算焊縫的疲勞壽命，在他們看來，這是順理成章的一件事，然而事情並不順利。由於這是一個非常基礎性的問題，因此從理論上對這個問題給出更詳細的討論是必要的。
2）新增的另外一章是關於焊接殘餘應力的特殊性的內容。雖然在第1版中，我們已經討論過這方面的問題，但是在這個問題上，目前仍然有較多的困惑，例如，有人認為：如果焊後殘餘應力高達材料的屈服強度，那麼它怎麼還有能力再承受外加的載荷而繼續工作呢？為了澄清這類認識誤區，從理論上對焊接結構殘餘應力的特殊性再次進行深入討論也是必要的。
3）對其他一些章節的內容也進行了有針對性的更新，其目的是將我們在相關研究中獲得的體驗與大家分享，其中包括獲得焊接接頭最好疲勞行為的“三階段遞進執行法”及若干案例。
4）在第1版介紹有限元方法的基礎上，增加了一些關於應力計算奇異性的討論，其目的是説明讀者更好地理解結構應力法的網格不敏感的學術與工程價值。
荀子說：“善學者盡其理，善行者究其難。”這句話，是我與我的團隊於2019年8月在機械工業出版社出版的另外一本書《工程結構性能的數值分析與實例》中送給讀者的一句贈言，現在我也將這個贈言送給致力於焊接結構抗疲勞設計的各位同仁，衷心希望各位在我國由“製造大國”走向“製造強國”的進程中，“究其難”“盡其理”。
最後要指出，書中關於焊接結構殘餘應力特殊性的討論內容，是董平沙教授親自敲定的，而其餘內容的添加，則是在董平沙教授的悉心指導下，由我和其他作者共同完成的。
兆文忠
時間過得真快，該書問世轉眼四年了。這期間，一些讀者閱讀後希望我們再增加一些內容，以説明他們更全面、更深刻地理解焊接結構抗疲勞設計的理論與方法中的一些精髓，鑒於此，在出版社的鼓勵下，本書原三位作者決定邀請我團隊中的四個骨幹，一起對書中的一些內容進行必要的補充與更新。
補充與更新的原則是：第1版的撰寫框架不做任何改動，只是在基礎理論方向上進行了深化，在實際應用方向上進行了拓寬。
1）將Paris裂紋擴展公式與壽命積分的內容整理為獨立的一章，這是因為在董平沙教授的結構應力法問世之前，許多研究人員一直試圖將斷裂力學理論直接用於計算焊縫的疲勞壽命，在他們看來，這是順理成章的一件事，然而事情並不順利。由於這是一個非常基礎性的問題，因此從理論上對這個問題給出更詳細的討論是必要的。
2）新增的另外一章是關於焊接殘餘應力的特殊性的內容。雖然在第1版中，我們已經討論過這方面的問題，但是在這個問題上，目前仍然有較多的困惑，例如，有人認為：如果焊後殘餘應力高達材料的屈服強度，那麼它怎麼還有能力再承受外加的載荷而繼續工作呢？為了澄清這類認識誤區，從理論上對焊接結構殘餘應力的特殊性再次進行深入討論也是必要的。
3）對其他一些章節的內容也進行了有針對性的更新，其目的是將我們在相關研究中獲得的體驗與大家分享，其中包括獲得焊接接頭最好疲勞行為的“三階段遞進執行法”及若干案例。
4）在第1版介紹有限元方法的基礎上，增加了一些關於應力計算奇異性的討論，其目的是説明讀者更好地理解結構應力法的網格不敏感的學術與工程價值。
荀子說：“善學者盡其理，善行者究其難。”這句話，是我與我的團隊於2019年8月在機械工業出版社出版的另外一本書《工程結構性能的數值分析與實例》中送給讀者的一句贈言，現在我也將這個贈言送給致力於焊接結構抗疲勞設計的各位同仁，衷心希望各位在我國由“製造大國”走向“製造強國”的進程中，“究其難”“盡其理”。
最後要指出，書中關於焊接結構殘餘應力特殊性的討論內容，是董平沙教授親自敲定的，而其餘內容的添加，則是在董平沙教授的悉心指導下，由我和其他作者共同完成的。
兆文忠
目次
第2版前言
第1版前言
主要符號表
第1章 引論
1.1 焊接結構抗疲勞設計過程中的認識誤區
1.2 編寫本書的基本目的
參考文獻
第2章 預備知識
2.1 金屬疲勞的基本原理
2.2 焊接接頭的基本術語
2.3 焊接接頭與焊接結構的定義
2.4 焊接結構與焊接接頭的疲勞載荷
2.5 焊接接頭工作應力的定義
2.6 S-N曲線及其內涵
2.7 Miner線性疲勞損傷累積基本理論及其內涵
2.8 Miner線性疲勞損傷累積基本理論應用實例
2.9 本章小結
參考文獻
第3章 Paris裂紋擴展公式與壽命積分
3.1 斷裂力學理論概述
3.1.1 裂紋擴展的基本類型
3.1.2 應力強度因數的定義與內涵
3.1.3 Paris裂紋擴展公式
3.2 Paris裂紋擴展公式與S-N曲線的推導
3.3 傳統的基於斷裂力學理論直接計算焊縫疲勞壽命的難點
3.4 本章小結
參考文獻
第4章 焊接結構疲勞強度問題的特殊性
4.1 焊接接頭的幾何不連續性
4.2 焊接接頭的疲勞破壞模式
4.3 焊接接頭S-N曲線的特殊性
4.3.1 母材的屈服強度對焊接接頭疲勞強度的影響
4.3.2 焊接接頭S-N曲線具有相同的斜率
4.4 焊接接頭殘餘應力對疲勞壽命的影響
4.5 本章小結
參考文獻
第5章 焊後殘餘應力的特殊性
5.1 材料的屈服強度及其特點
5.1.1 材料的屈服強度
5.1.2 材料彈塑性問題的本構關係
5.1.3 彈塑性分析的一個簡單實例
5.1.4 內力與應力的物理屬性
5.2 焊接熱過程產生殘餘應力的機理
5.2.1 焊接熱過程與殘餘應力
5.2.2 殘餘應力發展過程的熱力學模型
5.3 焊後殘餘應力的位移控制屬性
5.4 有焊後殘餘應力的焊接構件的繼續承載問題
5.5 焊後熱處理去除殘餘應力的認識誤區與澄清
5.5.1 焊後熱處理與去除殘餘應力
5.5.2 焊後熱處理去除殘餘應力的案例
5.6 本章小結
參考文獻
第6章 焊接結構抗疲勞設計與評估的傳統方法
6.1 鋼結構的抗疲勞設計與評估標準
6.1.1 英國BS 7608標準的名義應力法
6.1.2 國際焊接學會（IIW）的名義應力法
6.2 鋁結構的抗疲勞設計與評估標準
6.3 專用結構的抗疲勞設計與評估
6.4 基於熱點應力的抗疲勞設計與評估
6.5 傳統方法的工程應用
6.5.1 模組功能設計
6.5.2 實施案例
6.6 傳統評估方法的工程應用局限性
6.7 本章小結
參考文獻
第7章 結構應力的定義及其內涵
7.1 有限元方法的基礎知識
7.2 有限元法與應力集中的計算
7.3 結構應力的定義與計算
7.4 結構應力的力學解釋與存在的試驗證明
7.5 本章小結
參考文獻
第8章 主S-N曲線
8.1 基於結構應力的K值評估
8.1.1 無缺口效應的K值求解
8.1.2 有缺口效應的K值求解
8.2 特徵深度與缺口應力強度放大因數
8.2.1 特徵深度
8.2.2 缺口應力強度放大因數
8.3 兩階段裂紋擴展模型
8.4 等效結構應力和主S-N曲線計算公式
8.5 ASME標準中焊接結構的疲勞壽命評估
8.6 本章小結
參考文獻
第9章 焊接接頭抗疲勞設計
9.1 標準接頭與非標準接頭的定義
9.2 BS 15085-3：2007的焊接接頭設計完整性流程
9.3 焊接結構與焊接接頭疲勞載荷的獲取
9.3.1 焊接結構疲勞載荷的獲取
9.3.2 焊接接頭疲勞載荷的獲取
9.4 確認應力因數的兩種技術
9.4.1 基於名義應力計算應力因數
9.4.2 基於結構應力計算應力因數
9.4.3 隨機載荷作用時應力狀態的確認
9.5 焊接接頭的最好疲勞行為
9.5.1 最好疲勞行為的定義
9.5.2 最好疲勞行為的獲得方法
9.5.3 好與不好疲勞行為的案例
9.6 剛度不協調的工程案例
9.7 本章小結
參考文獻
第10章 基於結構應力的虛擬疲勞試驗技術
10.1 基於結構應力的虛擬疲勞試驗技術平臺
10.2 虛擬疲勞試驗的實例
10.2.1 某軌道貨車三軸焊接構架的虛擬疲勞試驗
10.2.2 某軌道客車轉向架焊接構架的虛擬疲勞試驗
10.2.3 某鋁合金焊接車體的虛擬疲勞試驗
10.3 本章小結
參考文獻
第11章 模態結構應力與頻域結構應力
11.1 模態結構應力的定義與計算
11.1.1 模態的基礎知識
11.1.2 模態結構應力的計算公式
11.1.3 模態結構應力的計算實例
11.2 頻域結構應力的定義與應用
11.2.1 隨機振動基礎知識
11.2.2 頻域結構應力的推導及疲勞評估
11.2.3 頻域結構應力計算實例
11.3 本章小結
參考文獻
第12章 結構應力法的其他研究成果
12.1 剩餘壽命評估及等效初始裂紋替代法
12.2 多軸疲勞問題的MLP法
12.2.1 多軸應力狀態
12.2.2 PDMR方法
12.2.3 MLP方法
12.2.4 MLP方法的物理解釋
12.2.5 Sonsino和Kueppers的試驗
12.3 低周疲勞問題的結構應變法
12.3.1 偽彈性應力與LCF資料的處理
12.3.2 結構應變法與低周疲勞
12.3.3 基於LCF測試資料的驗證
12.4 基於等效結構應變參數的統一方程
12.4.1 結構應力與結構應變的比較
12.4.2 主應變-壽命曲線
12.5 本章小結
參考文獻
第13章 結構應力法的工程應用實例
13.1 SAE“疲勞挑戰”實例
13.1.1 基於結構應力的焊縫疲勞開裂位置預測
13.1.2 基於主S-N曲線的焊縫疲勞
第1版前言
主要符號表
第1章 引論
1.1 焊接結構抗疲勞設計過程中的認識誤區
1.2 編寫本書的基本目的
參考文獻
第2章 預備知識
2.1 金屬疲勞的基本原理
2.2 焊接接頭的基本術語
2.3 焊接接頭與焊接結構的定義
2.4 焊接結構與焊接接頭的疲勞載荷
2.5 焊接接頭工作應力的定義
2.6 S-N曲線及其內涵
2.7 Miner線性疲勞損傷累積基本理論及其內涵
2.8 Miner線性疲勞損傷累積基本理論應用實例
2.9 本章小結
參考文獻
第3章 Paris裂紋擴展公式與壽命積分
3.1 斷裂力學理論概述
3.1.1 裂紋擴展的基本類型
3.1.2 應力強度因數的定義與內涵
3.1.3 Paris裂紋擴展公式
3.2 Paris裂紋擴展公式與S-N曲線的推導
3.3 傳統的基於斷裂力學理論直接計算焊縫疲勞壽命的難點
3.4 本章小結
參考文獻
第4章 焊接結構疲勞強度問題的特殊性
4.1 焊接接頭的幾何不連續性
4.2 焊接接頭的疲勞破壞模式
4.3 焊接接頭S-N曲線的特殊性
4.3.1 母材的屈服強度對焊接接頭疲勞強度的影響
4.3.2 焊接接頭S-N曲線具有相同的斜率
4.4 焊接接頭殘餘應力對疲勞壽命的影響
4.5 本章小結
參考文獻
第5章 焊後殘餘應力的特殊性
5.1 材料的屈服強度及其特點
5.1.1 材料的屈服強度
5.1.2 材料彈塑性問題的本構關係
5.1.3 彈塑性分析的一個簡單實例
5.1.4 內力與應力的物理屬性
5.2 焊接熱過程產生殘餘應力的機理
5.2.1 焊接熱過程與殘餘應力
5.2.2 殘餘應力發展過程的熱力學模型
5.3 焊後殘餘應力的位移控制屬性
5.4 有焊後殘餘應力的焊接構件的繼續承載問題
5.5 焊後熱處理去除殘餘應力的認識誤區與澄清
5.5.1 焊後熱處理與去除殘餘應力
5.5.2 焊後熱處理去除殘餘應力的案例
5.6 本章小結
參考文獻
第6章 焊接結構抗疲勞設計與評估的傳統方法
6.1 鋼結構的抗疲勞設計與評估標準
6.1.1 英國BS 7608標準的名義應力法
6.1.2 國際焊接學會（IIW）的名義應力法
6.2 鋁結構的抗疲勞設計與評估標準
6.3 專用結構的抗疲勞設計與評估
6.4 基於熱點應力的抗疲勞設計與評估
6.5 傳統方法的工程應用
6.5.1 模組功能設計
6.5.2 實施案例
6.6 傳統評估方法的工程應用局限性
6.7 本章小結
參考文獻
第7章 結構應力的定義及其內涵
7.1 有限元方法的基礎知識
7.2 有限元法與應力集中的計算
7.3 結構應力的定義與計算
7.4 結構應力的力學解釋與存在的試驗證明
7.5 本章小結
參考文獻
第8章 主S-N曲線
8.1 基於結構應力的K值評估
8.1.1 無缺口效應的K值求解
8.1.2 有缺口效應的K值求解
8.2 特徵深度與缺口應力強度放大因數
8.2.1 特徵深度
8.2.2 缺口應力強度放大因數
8.3 兩階段裂紋擴展模型
8.4 等效結構應力和主S-N曲線計算公式
8.5 ASME標準中焊接結構的疲勞壽命評估
8.6 本章小結
參考文獻
第9章 焊接接頭抗疲勞設計
9.1 標準接頭與非標準接頭的定義
9.2 BS 15085-3：2007的焊接接頭設計完整性流程
9.3 焊接結構與焊接接頭疲勞載荷的獲取
9.3.1 焊接結構疲勞載荷的獲取
9.3.2 焊接接頭疲勞載荷的獲取
9.4 確認應力因數的兩種技術
9.4.1 基於名義應力計算應力因數
9.4.2 基於結構應力計算應力因數
9.4.3 隨機載荷作用時應力狀態的確認
9.5 焊接接頭的最好疲勞行為
9.5.1 最好疲勞行為的定義
9.5.2 最好疲勞行為的獲得方法
9.5.3 好與不好疲勞行為的案例
9.6 剛度不協調的工程案例
9.7 本章小結
參考文獻
第10章 基於結構應力的虛擬疲勞試驗技術
10.1 基於結構應力的虛擬疲勞試驗技術平臺
10.2 虛擬疲勞試驗的實例
10.2.1 某軌道貨車三軸焊接構架的虛擬疲勞試驗
10.2.2 某軌道客車轉向架焊接構架的虛擬疲勞試驗
10.2.3 某鋁合金焊接車體的虛擬疲勞試驗
10.3 本章小結
參考文獻
第11章 模態結構應力與頻域結構應力
11.1 模態結構應力的定義與計算
11.1.1 模態的基礎知識
11.1.2 模態結構應力的計算公式
11.1.3 模態結構應力的計算實例
11.2 頻域結構應力的定義與應用
11.2.1 隨機振動基礎知識
11.2.2 頻域結構應力的推導及疲勞評估
11.2.3 頻域結構應力計算實例
11.3 本章小結
參考文獻
第12章 結構應力法的其他研究成果
12.1 剩餘壽命評估及等效初始裂紋替代法
12.2 多軸疲勞問題的MLP法
12.2.1 多軸應力狀態
12.2.2 PDMR方法
12.2.3 MLP方法
12.2.4 MLP方法的物理解釋
12.2.5 Sonsino和Kueppers的試驗
12.3 低周疲勞問題的結構應變法
12.3.1 偽彈性應力與LCF資料的處理
12.3.2 結構應變法與低周疲勞
12.3.3 基於LCF測試資料的驗證
12.4 基於等效結構應變參數的統一方程
12.4.1 結構應力與結構應變的比較
12.4.2 主應變-壽命曲線
12.5 本章小結
參考文獻
第13章 結構應力法的工程應用實例
13.1 SAE“疲勞挑戰”實例
13.1.1 基於結構應力的焊縫疲勞開裂位置預測
13.1.2 基於主S-N曲線的焊縫疲勞
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