基于疲劳传感器的大型桥梁载荷谱检测研究

提出基于同一倍增器上双疲劳计的桥梁载荷谱检测方法,将疲劳传感器上两个疲劳计以不同方向粘贴得到不同放大系数,由恒幅标定数据和等效原理用插值方法得到复杂加载下疲劳响应计算方法,并根据桥梁载荷谱的瑞利分布特点,得到该分布下的疲劳响应计算方法.采用倍增器的双疲劳计结构设计,利用疲劳计响应的非线性特性,得到疲劳传感器电阻变化与桥梁瑞利载荷谱的对应关系.本文疲劳试验表明,试验载荷谱与预测载荷谱相当吻合,所设计的疲劳传感器性能良好,能够满足桥梁疲劳载荷检测要求.该传感器的检测原理提供了一种新的工程疲劳检测方法,它较目前采用的其它方法效率高、精度好,适用于长期疲劳监测.     

应变倍增器研制及应用

设计了一种结构独特、机械放大率高的应变倍增器,从而使工程结构表面应变放大到疲劳寿命计门槛值以上,满足了大型工程结构长寿命、低应力工作特点的寿命检测要求。该元件采用了弓形弹性元件与硅橡胶预应力组合结构,它具有简单紧凑、刚度低、可靠性好,使用方便的特点。并可同时利用其上安装的疲劳寿命计进行倍增系数标定和疲劳寿命检测。静载试验和理论分析表明,这种应变倍增器具有良好的线性响应和重复稳定性。疲劳试验研究表明,在疲劳寿命计工作寿命内,器件无疲劳破坏情况,且其疲劳响应性能可用已有的标定数据放大相应的倍增系数得到,能满足各种大型工程结构疲劳损伤监测的要求。     

气动环境下结构噪声载荷谱编制方法

目前针对既受气动静压力又受声载荷的结构,试验考核时大部分是静强度与声疲劳寿命分开考核,但是气动静压产生的拉伸平均应力会影响结构的声疲劳寿命,本研究提供一种气动环境下结构噪声载荷谱编制方法,将气动静压对结构寿命的影响等效到声载荷中,便于在实验室中进行疲劳寿命验证。通过有限元研究了气动静压对结构振动特性和响应特性的影响,计算得到了不同压力情况下结构的振动特性,并且得到了气动静压与声载荷联合作用下结构的响应,根据相应材料的随机S-N曲线计算得到不同静压下结构的声疲劳寿命,得出了气动静压达到一定值会严重影响结构声疲劳寿命的结论。随后利用修正Goodman公式将平均应力非零状态的动应力转化为零平均应力时的动应力,然后根据损伤等效关系将气动静压对结构寿命的影响等效到声载荷中。研究给出了气动环境下结构噪声载荷谱编制方法。     

环境载荷下漂浮软管的疲劳寿命分析

海上漂浮软管是浮式生产储卸油装置上外输系统的关键设备.漂浮软管结构复杂且常年漂浮于海面上,极易受到风、浪、流等环境载荷的作用产生疲劳破坏而造成原油泄漏.首先,采用ABAQUS软件,建立了软管的有限元模型,得到了漂浮软管在弯矩和内压作用下的有限元结果;其次,采用水平方向的Morison方程和风载荷来描述漂浮软管在海面上复杂的载荷情况;再次,将静力学分析结果导入到FE-Safe疲劳分析软件中,将节点应力结果作为时间载荷历程,乘以相应的载荷倍数,得到疲劳分析的载荷谱,载入此载荷谱计算,得到了漂浮软管的寿命分布云图,其最小寿命满足工程要求;最后,分析了内压对疲劳寿命的影响,结果表明,一定大小的内压能提高软管的疲劳性能.     

FATIGUE LIFE ANALYSIS OF BONDED OFFSHORE LOADING HOSE UNDER ENVIRONMENTAL LOADS1)

海上漂浮软管是浮式生产储卸油装置上外输系统的关键设备.漂浮软管结构复杂且常年漂浮于海面上,极易受到风、浪、流等环境载荷的作用产生疲劳破坏而造成原油泄漏.首先,采用ABAQUS软件,建立了软管的有限元模型,得到了漂浮软管在弯矩和内压作用下的有限元结果;其次,采用水平方向的Morison方程和风载荷来描述漂浮软管在海面上复杂的载荷情况;再次,将静力学分析结果导入到FE-Safe疲劳分析软件中,将节点应力结果作为时间载荷历程,乘以相应的载荷倍数,得到疲劳分析的载荷谱,载入此载荷谱计算,得到了漂浮软管的寿命分布云图,其最小寿命满足工程要求;最后,分析了内压对疲劳寿命的影响,结果表明,一定大小的内压能提高软管的疲劳性能.     

挖掘机工作载荷谱识别方法研究

为了快速准确地识别挖掘机等工程机械的工作载荷谱，基于时域内动应变响应与载荷的关系，提出一种新的工作载荷谱识别方法．首先，采集工作中的挖掘机结构上若干测点工作应变谱；其次建立有限元模型，通过有限元方法计算挖掘机在各种可能外载的单位载荷下的应变；最后，建立实测响应与数值模拟测点单位应变之间的关系，通过时间迭代求解结构响应与载荷间关系的线性方程组得到工作载荷谱．为说明方法的实用性和有效性，通过在结构上选择的7个基底测点的假设应变谱和数值模拟单位应变，获得挖掘机样机的工作载荷谱．文章最后讨论了在本文所提方法基础之上求解结构关键位置疲劳应力的方法．     

随机振动载荷动力学等效的一种工程实现方法

利用实验室振动加载技术来等效模拟实际工况的随机振动载荷,以研究结构的振动环境适应性,是工程界通用的做法。文中讨论了随机振动载荷动力学等效的过程与方法,针对小阻尼稀疏模态结构,给出了基于结构振动响应等效的随机振动载荷等效关系的工程应用表达式和评价等效载荷对疲劳损伤影响的方法。简支梁数值模拟表明,通过文中方法设计的等效随机振动载荷,不仅可以获得变化不大的结构响应,而且疲劳损伤等效结果也可以满足工程应用精度要求。     

金属疲劳中的累积损伤理论

飞机疲劳寿命的估算是飞机结构设计者甚为关注的问题。设计者迫切的希望能运用现有的科学理论水平和设计经验对飞机寿命进行精确的予计。然而,飞机结构疲劳寿命的估算,不是一件容易的事情,首先必须有一个合适的累积损伤理论,使运用这个理论估算构件的损伤不致过高或过低。其次,估算寿命还必须有精确的S—N资料、合适的载荷谱,而要得到精确的S—N资料和合适的载荷谱,又必须正确予计飞机的环境和使用状况。      

激光多普勒测振仪在炸药加载冲量测量中的应用

在采用炸药加载模拟锥壳结构遭受X射线辐照的结构响应实验中,利用激光多普勒测振仪测量了锥壳表面特征点的水平方向速度曲线.并从载荷的侧向余弦分布特点出发,推导了根据锥壳刚体运动的质心水平方向初速计算加载比冲量峰值的公式.同时根据锥壳表面的质点运动特征,提出了截取结构响应基本结束之后的曲线段进行算术平均,通过理论计算修正得到锥壳刚体运动的质心水平方向初速的数据处理方法.最后给出并分析了测量结果,结果表明采用激光多普勒测振仪可以测量炸药加载下结构的刚体运动速度,从而可进一步计算分析结构受到的载荷大小,其精度可以满足工程测量的要求.     

交通载荷作用下跨海桥梁-电缆组合结构随机振动分析

电缆沿桥跨海铺设是海缆铺设的一种新的形式, 针对由汽车和列车交通载荷诱发的沿跨海桥梁敷设电缆的振动问题, 建立了桥梁-电缆的整体组合结构分析模型, 将汽车和列车的作用载荷简化为移动的随机集中载荷序列, 发展虚拟激励法(pseudo-excitation method, PEM)用于分析移动随机载荷作用下电缆位移和应力响应的标准差及演变功率谱 (power spectral density, PSD), 并研究了汽车和列车运行速度对电缆动力响应标准差的影响. PEM将移动随机载荷问题转化为特定频率简谐移动载荷作用下的动力响应分析, 能够计算得到与Monte Carlo (MC) 方法非常吻合的电缆动力响应标准差, 但所需的时域响应分析次数远少于MC方法. 数值结果表明, 随着汽车和列车运行速度的提升, 电缆位移和应力标准差呈现增大的趋势; 在汽车和列车交通载荷作用下, 铝护套的位移标准差和功率谱的值比缆芯要大, 这可能会使得电缆的疲劳破坏首先发生在铝护套层, 本文工作对电缆沿桥跨海铺设实际工程具有一定的借鉴意义.      

Determination of effective stress range and its application on fatigue stress assessment of existing bridges

This paper presents a unified approach on determination of the effective stress range based on equivalent law of strain energy and fatigue damage model, so as to provide an efficient approach for accurately assessing effective fatigue stress of existing bridge under traffic loading. A new theoretical framework to relate variable- and constant-amplitude fatigue is proposed in this paper. Different formulation for calculating effective stress range can be derived by the proposed theory, which include the effective stress range by the root mean square, by Miner's law and a new effective stress range based on the nonlinear fatigue damage model. Comparison of the theoretical results of fatigue damage under the effective stress range of the variable-amplitude stress spectrum and experimental data of fatigue damage under realistic traffic loading has confirmed the validity of the proposed theory. As a way to relate variable-amplitude fatigue data with constant-amplitude data, the effective stress range provides the most convenient way for evaluating fatigue damage under variable-amplitude loading. The proposed theory is then applied to provide an efficient approach for accurately assessing fatigue damage of existing bridges under traffic loading, in which online strain history data measured from bridge structural health monitoring system is available. The proposed approach is applied to evaluate the effective stress range for the purpose of the fatigue analysis of a deck section of a long-span steel bridge––the Tsing Ma Bridge in Hong Kong.     

斜拉桥主梁模型承载性能试验研究

通过对斜拉桥主梁模型在不同工况及施加横向预应力方案的电测试验,得出了主梁的应力分布规律。试验结果表明,箱梁的撑杆和横向预应力的设计,对箱梁顶板的应力状态有很大影响。施加斜索力后,箱梁顶板的横向拉应力均小于1MPa,除横向预应力作用区域外,箱梁顶板的纵向应力为均匀分布的压应力,若在所有撑杆截面施加横向预应力,则撑杆只出现压应力。文中的试验数据可为优化结构、不同设计方案的选择提供理论根据。同时设计了对模型施加预应力的方法,解决了模型预应力的模拟问题。     

一种考虑非比例附加损伤的多轴低周疲劳模型

在实际工作环境中,机械结构往往承受着多轴非比例循环载荷.相比多轴比例循环加载,多轴非比例循环加载由于产生了附加强化现象,造成机械结构疲劳寿命下降.通过分析薄壁圆筒管件在非比例加载工况下应力应变变化规律和发生破坏位置,本文基于临界面法提出一种考虑多轴非比例附加损伤的疲劳模型.该模型将最大剪切应变幅平面作为临界面,提出一个新的附加强化因子,结合临界面上切应变幅和正应变幅组成新的多轴疲劳损伤参量.此参量不仅考虑了非比例加载下临界面上正应变幅和切应变幅对材料造成的疲劳损伤,还考虑到应变路径的变化和材料非比例加载敏感特性对材料疲劳寿命的影响.考虑到实际情况下模型所需材料附加强化系数有时难以获得的情况,给出了材料附加强化系数的有关近似计算公式.只需要材料基本力学参数便可得到材料附加强化系数,方便工程实际应用.采用8种材料的多轴疲劳寿命数据对提出的新模型进行检验,结果表明所提出的新模型与传统多轴疲劳模型相比预测寿命精度更高.      

基于应变能的复杂应力场低周疲劳分析

塑性应变能使材料微观组织结构发生不可逆变化,从而引起等效宏观应力,该应力随循环加载而增大．假定材料疲劳源处破坏是由最大拉应力引起的,最大等效宏观应力与外加应力叠加达到材料本征断裂应力时形成微裂纹．微裂纹引起上述两部分应力变化,继续加载直至宏观裂纹出现,从而得到材料的疲劳寿命．本文所建立的多轴疲劳寿命公式包含材料参数、拉应力以及塑性应变能等,以上数据可通过单轴疲劳数据和有限元方法获得．通过对SM45C材料的计算验证,表明该模型对多轴随机应变加载低周疲劳寿命,具有良好的预测结果．     

Assurance of reliable time limits in fatigue depending on choice of failure simulation: Energy density versus stress intensity

The principle of least variance is applied to evaluate the reliability of the design conditions of the Runyang cable-stayed bridge. Monitored fatigue load in service data are analyzed in conjunction with the specimen fatigue crack growth data for bridge steel. Aside from size differences, the interactive effects of material behavior with load amplitude and frequency would vary with the depicted physical model for the reliability of life prediction. Based on the same crack growth history in time or cycle, the two choice selected for comparison are stress intensity factor (SIF) range, and the strain energy density (SED) range. Reliability is found to depend on the trade off between load amplitude and frequency. Considered are high-amplitude; low-frequency and low-amplitude; high-frequency. In each case, the chances are the reliable time span of fatigue crack growth will not coincide with the useful portion of bridge life, simply because the load frequency must be anticipated as an educated estimate. It is subject to change. Conversion of the crack length fatigue cycle history to the corresponding time history requires the specification of load frequency that can set the time span of the useful life. This is demonstrated for the Runyang bridge, where approximately 30 MPa and 8 MPa would correspond to the high and low fatigue load, respectively.Significant variances were found for the SIF and SED models. The difference can be attributed to the inclusion of the mean stress in the SED that is more forgiving since it accounts for both the stress and strain effects, in contrast to the SIF model that leaves out the strain and the mean stress. Since the principle of least variance refers to the average of the R-integrals, the results based on the linear sum (LS) and root mean square (RMS) will differ quantitatively, but not qualitatively. The obvious mismatch of the fatigue load used to determine the material property and that for the bridge design can be adjusted and absorbed into the appropriate choice for the load frequency, a compensating factor not realized up to now. To this end, the weighted functions in the R-integrals further emphasize long run effects of the least variance reliability analysis. Attention is called to Changeability in addition to determinability and probability for predicting the time to failure. That is to better anticipate the change in the fatigue load frequency, to which the assistance of health monitoring should provide.     

Q235钢缺口试样拉压低循环疲劳的实验研究

以Q235钢制U型缺口板试样为研究对象,用有限元方法计算其缺口根部等效应变幅对应的试样标距段位移,以此控制试验机进行拉压循环疲劳试验。然后用局部应力应变法对试验测得的寿命结果进行分析。结果表明：无论用有限元还是修正Neuber公式计算缺口根部的应力应变,局部应力应变法的疲劳寿命评估只适用于缺口半径较大的试样;对缺口半径较小试样的估计寿命明显低于实测值,且有限元法比修正Neuber法更保守。进而又对试样缺口区域应变梯度的影响进行了探讨：参照有限元计算的应变梯度,利用Taylor模型估算了缺口根部的屈服应力和流动应力;在此基础上重新计算应变分布并估计试样的疲劳寿命,结果证实考虑应变梯度影响可改善缺口试样的疲劳寿命估计。     

Fatigue criteria for integrity assessment of long-span steel bridge with health monitoring

A structural health assessment (SHA) methodology is developed using data acquired from structural health monitoring (SHM) system installed on long-span bridges. A set of fatigue criteria has been proposed for pre-determining the global state of the bridge structure failure due to fatigue. This involves finding the threshold of fatigue initiation, below which the rate of fatigue damage may be undetectable under current technology or it is economically unfeasible. The state-of-art for large structures corresponds to the initiation of macro-cracks caused by the accumulation of damage generated by actual service loads for the case of bridges. In what follows, consideration is given to developing fatigue crack growth criterion based on the concept of the continuum damage mechanics (CDM). Fatigue accumulative is included in the model where a fatigue limit for multi-axial stress state is considered. The proposed criterion advocates the evolution of micro-crack growth up to the stage of macro-crack formulation. Considered are the loading histories that correspond to normal traffic loading for highways and railways, incidental or accident loadings such as those caused by typhoons and effective environmental loadings. The potential sites of damage are determined are discussed. The proposed criterion is applied to analyze the fatigue damage of the Tsing Ma Bridge with online strain history data acquired by the SHM system that is permanently installed in the bridge.     

基于实测数据的扁平钢箱温度梯度疲劳应力谱分析方法

为研究扁平钢箱梁温度疲劳应力谱,以南溪长江大桥悬索桥主梁为研究对象,基于温度传感器长期实测数据,筛选实测数据的日温度极值,运用广义极值模型描述季节极值概率分布并采用极值外推方法得到设计基准期极值模型。引入拉丁超立方抽样(LHS)法对极值模型进行抽样,得到日温度极值样本。结合日温度极值样本和正弦函数模型,构建服役期内关注点的温度时程曲线。基于有限元ANSYS软件平台,分析不同温度梯度下关注点的应力效应,回归温度梯度与疲劳应力的线性关系式,依据温度梯度时程曲线与线性关系式模型,采用雨流计数法得到钢箱梁温度梯度疲劳应力谱。研究表明,模拟抽样生成的温度样本数据符合温度场的季节变化特征,样本概率模型与实测数据概率模型相对吻合。关注点温度梯度疲劳应力谱能够为扁平钢箱梁疲劳寿命设计提供参考。