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^[12]，对疲劳强度设计问题来说，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更是这样。1979年，T.R.Gurney博士给出的结论是：焊接结构疲劳强度是不能用理论的方法求出来的，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基础上。有这种想法的学者还有很多，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极其困难的^[9]。

在焊接结构抗疲劳设计领域，1993年英国提出了BS 7608标准，1998年国际焊接学会（IIW）提出了类似的文件，在包括近年更新的版本中，人们看到的依然是疲劳试验数据的积累，这在一定程度上解决了一系列工程问题，但是实验室试验数据的有限性与工程需求多样性的矛盾依然存在。

然而数学家认为，世界上的事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章中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^[11]，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标准，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，这就成了编写本书的第一个目的。

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，将简要地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，简要地讲解迈纳尔（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，其中包括处理多轴疲劳问题的MLP方法、处理低周疲劳问题的结构应变法，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，因此可将这些标准定义为第一类。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，因此将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新知识的发生过程有个递进的理解，那么编写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，就不至于像高悬于空中的楼阁。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外一个标准EN15085^[13]中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。而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，还用有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。