前言

2005年某铁路客车转向架焊接构架上一条焊缝疲劳开裂的事故，就险些瘫痪了那年的中国铁路春运，这件事使我切身体会到：“疲劳隐患就藏在焊接接头的细节之中。”

在很长的一段时期里，焊接结构疲劳强度的理论问题一直很难解决，著名的英国焊接研究所T.R.Gurney博士在他1979年出版的《焊接结构的疲劳》（Fatigue Of Welded Structures）专著中也曾这样说过：“实际结构和工程构件的疲劳强度是不能用理论的方法求出来的。”多年后在一次国际会议上，当董平沙教授第一次提出具有网格不敏感特征的结构应力法，并展示了其应用效果时，参会的焊接结构疲劳领域的权威专家最初反应竟然是：“这方法好得不真实甚至反科学”（It’s too good to be true and against science！）

然而，世界上一切客观事物的演变都受自身的内在规律所支配，而每个规律的被揭示，都是人们认知客观事物的一次进步，人们认知的局限性终将被超越，这是科学进步的历史必然。对焊接结构疲劳强度理论的认知，也有这样的一个过程。

董平沙教授“十年磨一剑”，基于焊接结构的疲劳失效机理，终于从理论上破解了这个工程界难题，发明了基于结构应力评估焊接结构疲劳寿命的理论与方法。在2007年更新后的美国ASME标准第5章中，基于焊接结构疲劳失效机理而提出的计算模型，使得原本一个很复杂问题的描述，竟然变得就像牛顿定律那样的简洁。2005年，美国时代杂志在评价他的这一发明时，称其“将一个猜测的游戏变成了可以明确证明的科学”。2015年，在芬兰赫尔辛基国际焊接学会（IIW）第一次设立终身成就奖时，全球仅有五人获此殊荣，而董平沙教授是其中之一，真乃实至名归！

复杂与简单的辩证法就是如此，一个看似相当复杂的问题，看透了实质之后，道理真的很简单。

回想起2008年，我带着对传统方法的许多困惑通过电子邮件结识了董平沙教授，十几封往来邮件终于促成了2009年6月董平沙教授从美国来到大连交通大学的第一次学术演讲。他不顾时差导致的旅途疲劳，连续五个整天由浅入深的演讲内容令参会者耳目一新，其精彩之处更令我拍案叫绝，也难怪有人会后竟然十分感慨地对我说：“直到今天，才发现原来的前进方向错了。”

而从那一年起，董平沙教授就不断地为我和我们的团队带来更新的研究成果与学术思想。这正是：“好雨知时节，当春乃发生，随风潜入夜，润物细无声”。随后几年里，我跟随他数次深入到国内多家轨道车辆制造工厂考察，在他的一次次的答疑解惑中，我渐渐地悟出：焊接结构的疲劳问题本质上应该是一类力学问题，董平沙教授得知我的这一感悟后又添加了三个字：应该是“复杂的”力学问题，这三个字，更是入木三分！

既然是一个力学问题，我就有了点信心，同时也是一种责任感的驱使，我与我的优秀门生李向伟博士（也是董平沙教授的博士后），一起邀请董平沙教授参加本书的撰写，董平沙教授不仅欣然同意，而且还应允贡献出他最新的研究成果。于是在董平沙教授的大力支持下，历时两年，经反复推敲与修改，终于成稿。

构思本书的思路是：以基础知识为铺垫，先进入名义应力领域；然后以焊接结构疲劳问题的特殊属性为导引，迈进结构应力领域。在这个领域内，考虑到结构应力法的重要性，交代了结构应力是如何基于力的平衡理念从非线性应力中被分解出来的，以及结构应力网格不敏感与物理存在的证明。接着以断裂力学理论为工具，详细地介绍了基于焊接结构疲劳失效机理而建立的主 S-N 曲线公式的积分演变过程，以及执行该公式的标准步骤。然后考虑到设计阶段的需求，有针对性地推出了几项实用技术，其中包括焊接接头应力因数计算技术、识别与缓解应力集中的刚度协调技术、设计阶段可用的虚拟疲劳试验技术，以及模态与频域的结构应力技术。第10章给出的含初始裂纹的寿命预测技术、低周疲劳、多轴疲劳以及内涵更深邃的结构应变法，则是董平沙教授的最新研究成果，最后结合实际案例证明了结构应力法在工程应用中的有效性。

当前，除美国ASME BPVC Ⅷ-2-2015标准以外，结构应力法正在被世界上越来越多的国家作为标准来执行，虽然本书的案例大多来自于中国轨道交通装备制造企业，但是本书的核心内容“结构应力法”在焊接结构抗疲劳设计领域是具有理论共性的。结构应力法在国外的应用不局限于轨道交通制造行业，例如法国在2013年就基于结构应力法为其船舶与海洋的焊接结构设计颁布了设计指导：《网格不敏感方法应用指南》（Guide for Application of The Mesh-Insensitive Methodology）。

在国内，以轨道交通装备企业为例，随着高速动车组的“引进、消化、吸收、再创新”，企业的一些决策部门投入了大量的资金购置了疲劳试验设备，建设了一批大型疲劳试验台，在硬件条件上，他们的工作已经与世界接轨，可是在理论接轨这个问题上，他们是否也给予了足够的重视呢？

我国已经规划了《中国制造2025》，制造大国要转变为制造强国，这就要求我们一定要在内涵更新上下功夫，而在焊接结构抗疲劳设计的内涵更新上，位于上游的理论更新至少与位于下游的试验手段的硬件更新同等重要，只有充分认识到这一点，才能做到真正与世界接轨。

本书共11章，其中第3章、第5章、第6章、第10章由董平沙教授编写，其余各章由兆文忠、李向伟编写。在编写过程中，大连交通大学的谢素明教授、方吉博士对本书均有贡献。我的另外一名博士——清华大学的崔晓芳博士后参加了本书的审阅，也提出了许多修改建议，在这里一并表示感谢。

最后，还有一点需要特别声明，因认知水平有限，书中内容难免有所疏漏，请读者予以批评指正。

兆文忠