結(jié)構(gòu)疲勞分析的方法和應(yīng)用

2017-02-27  by:CAE仿真在線  來源:互聯(lián)網(wǎng)

1)擾動(dòng)應(yīng)力;

2)足夠多的循環(huán)。如過不具備這兩個(gè)條件,設(shè)計(jì)過程中就沒有必要考慮結(jié)構(gòu)的疲勞問題。

目前,對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行疲勞分析主要有兩種途徑:

1)利用有限元分析軟件直接對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行疲勞分析,最終求得結(jié)構(gòu)的疲勞壽命;

2)根據(jù)不同的疲勞工況,利用有限元軟件分析計(jì)算出結(jié)構(gòu)應(yīng)力的變化,然后將其與利用規(guī)范計(jì)算出的許用疲勞應(yīng)力相比較,看是否滿足要求。對(duì)于前者,最為關(guān)鍵的是定義輸入載荷譜或應(yīng)力譜,而當(dāng)結(jié)構(gòu)的工況相對(duì)較為復(fù)雜時(shí),載荷譜或應(yīng)力譜的定義過程就相當(dāng)于后者的前期處理過程;同時(shí),客戶一般會(huì)在協(xié)議中指定結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)必須參考的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范,所以為了更好地滿足客戶的需求,建議結(jié)構(gòu)疲勞計(jì)算時(shí)采用后者的方法。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行疲勞分析時(shí)一般包括以下五個(gè)方面:

結(jié)構(gòu)所承受的載荷可以分為三種:

1)基本載荷,主要指設(shè)備在正常工作情況下通常出現(xiàn)的載荷(如結(jié)構(gòu)自重、物料載荷、永久性動(dòng)載等);

2)附加載荷,主要指設(shè)備運(yùn)行或停止時(shí)可能斷續(xù)出現(xiàn)的載荷(如設(shè)備工作風(fēng)載、摩擦阻力、運(yùn)行阻力、非永久性動(dòng)載等);

3)特殊載荷,是指在設(shè)備工作和非工作狀態(tài)時(shí)不應(yīng)產(chǎn)生,但又無法避免的載荷(如非工作風(fēng)載、結(jié)構(gòu)碰撞、地震載荷等)。疲勞計(jì)算時(shí)只需考慮基本載荷,而且對(duì)于物料載荷或其它的基本載荷,有的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范中還規(guī)定了疲勞計(jì)算時(shí)載荷的縮小系數(shù)。

同一結(jié)構(gòu),所考慮的疲勞載荷不同時(shí),其循環(huán)次數(shù)也不盡相同,這主要是因?yàn)椴煌钠谳d荷產(chǎn)生的原因是不同的。例如,對(duì)于堆取料機(jī)來說,考慮物料載荷的擾動(dòng)影響時(shí)是指傳送皮帶上物料的有無,而考慮永久性動(dòng)載的擾動(dòng)影響時(shí)則是指設(shè)備在工作過程中的正常啟、制動(dòng),即便是同一結(jié)構(gòu)的同一載荷,針對(duì)不同的工作工藝流程,其循環(huán)次數(shù)也是不同的。所以,設(shè)備的工作工藝流程是不同載荷循環(huán)次數(shù)計(jì)算的決定性因素。當(dāng)載荷的循環(huán)次數(shù)確定后,首先應(yīng)該判斷其對(duì)結(jié)構(gòu)的循環(huán)擾動(dòng)作用是否足夠多,當(dāng)循環(huán)次數(shù)N≤103(104)(低周疲勞)時(shí),無需對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行疲勞校核。

工程中的鋼結(jié)構(gòu)多為焊接結(jié)構(gòu),構(gòu)件的疲勞強(qiáng)度除取決于結(jié)構(gòu)使用的材料外,還與接頭的形狀和制造方法密切相關(guān)。被連接件的形狀和連接方法會(huì)影響到應(yīng)力集中的形成,從而使構(gòu)件的疲勞強(qiáng)度大為降低。不同的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范在經(jīng)過大量試驗(yàn)的前提下,給出了針對(duì)不同的焊接接頭形式的構(gòu)件疲勞強(qiáng)度(圖1,為AS4100-1998標(biāo)準(zhǔn)中所列舉的針對(duì)載荷循環(huán)次數(shù)為2×106構(gòu)件的焊接形式及其許用應(yīng)力幅值,左邊的數(shù)字便為其疲勞強(qiáng)度值,單位為MPa)。因此,如何根據(jù)結(jié)構(gòu)的實(shí)際焊接形式恰當(dāng)?shù)貙?duì)照標(biāo)準(zhǔn)中的焊接類型來確定結(jié)構(gòu)具體部分的疲勞強(qiáng)度值,也需要一定經(jīng)驗(yàn)的積累。

圖1 構(gòu)件不同焊接形式的疲勞強(qiáng)度

結(jié)構(gòu)按不同計(jì)算工況用有限軟件計(jì)算完畢后,在后處理中可以選擇的應(yīng)力有很多種,究竟以哪種應(yīng)力作為疲勞強(qiáng)度校核時(shí)的參考應(yīng)力很值得探討。在美國鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范中明確提出,對(duì)于整個(gè)應(yīng)力范圍內(nèi)全部承受壓應(yīng)力的結(jié)構(gòu),無需考慮結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度,因?yàn)檫@種情況下裂紋不會(huì)擴(kuò)展出焊縫殘余拉應(yīng)力以外的范圍。由此,應(yīng)力的取值應(yīng)該區(qū)分出正負(fù)值,所以原則上來說,針對(duì)不同的結(jié)構(gòu)部位,只有主應(yīng)力才能夠嚴(yán)格地區(qū)分出結(jié)構(gòu)局部承受的應(yīng)力是拉應(yīng)力還是壓應(yīng)力。按板殼單元計(jì)算結(jié)構(gòu)的應(yīng)力時(shí),還有點(diǎn)的應(yīng)力應(yīng)該取值于板的頂面、中位面還是底面的問題。由于板殼的同一點(diǎn)在同一工況下當(dāng)其在頂面上表現(xiàn)拉應(yīng)力時(shí),而底面上則可能表現(xiàn)為壓應(yīng)力,所以對(duì)于同一點(diǎn),校核其疲勞強(qiáng)度時(shí),該點(diǎn)的最大應(yīng)力及最小應(yīng)力值的取面應(yīng)該保持一致。

就目前不同的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范來說,疲勞計(jì)算常用方法可分為兩種:1)應(yīng)力比法,一般無較大殘余應(yīng)力的結(jié)構(gòu),如已消除殘余應(yīng)力的焊接結(jié)構(gòu)或用螺栓、鉚釘?shù)冗B接的非焊接結(jié)構(gòu)適合用應(yīng)力比法確定其疲勞特性(目前采用應(yīng)力比法的有GB3811、ISO5049、FEM,DIN,BS等規(guī)范)。2)應(yīng)力幅法,對(duì)有較大焊接殘余應(yīng)力、較多焊接初始缺陷的焊接結(jié)構(gòu), 應(yīng)力幅法比應(yīng)力比法更能反映其疲勞的實(shí)際狀態(tài)(目前采用應(yīng)力幅法的有GB50017、AS、AISC等規(guī)范)。

由二者的名稱,明顯可以看出其區(qū)別所在,應(yīng)力比法疲勞強(qiáng)度確定的關(guān)鍵是結(jié)構(gòu)某點(diǎn)最小主應(yīng)力與最大主應(yīng)力的比值,而應(yīng)力幅法疲勞強(qiáng)度確定的關(guān)鍵是結(jié)構(gòu)某點(diǎn)最大主應(yīng)力與最小主應(yīng)力的差值。采用應(yīng)力比法確定結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度具有代表性的標(biāo)準(zhǔn)是FEM起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范和ISO5049移動(dòng)式連續(xù)散料搬運(yùn)設(shè)備鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范;而采用應(yīng)力幅法確定其疲勞強(qiáng)度具有代表性的標(biāo)準(zhǔn)是AS4100-1998和GB50017-2003鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范。

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