基于结构应力的焊接接头多轴高周疲劳寿命估算

本文对承受弯扭组合载荷下的焊接接头危险点焊趾处进行了疲劳应力分析。结合结构应力考察了在比例载荷和非比例载荷下焊趾处临界面上的应力分量;建立了基于结构应力和修改的Wohler曲线法的临界面上多轴疲劳寿命估算方法;采用该方法对某管板焊接接头进行了多轴估算,将评定结果与文献中的疲劳试验数据做了比较,同包括欧洲钢结构规范3在内的其他的多轴疲劳评定方法相比,本文提出的多轴寿命估算结果最好,而且该方法具有网格划分不敏感性。     

谐振载荷作用下工程结构振动疲劳寿命预估的损伤力学-有限元法

建立了预估谐振载荷作用下结构振动疲劳寿命的损伤力学-有限元方法。首先根据损伤热力学原理,构建了损伤演化方程,建立光滑试件在恒幅应变交变载荷作用下寿命预估方法;进一步由损伤力学守恒积分原理,得到恒幅重复载荷作用下应力与寿命的关系式;然后根据标准件疲劳试验结果,拟合得到损伤演化方程中的材质参数;最后利用APDL语言编程对ANSYS软件进行了二次开发,借助ANSYS软件对谐振载荷作用下结构振动疲劳裂纹萌生寿命进行预估。作为算例,本文利用该方法预估了LC9CgS1铝合金梁谐振载荷作用下疲劳裂纹萌生寿命。     

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。     

考虑载荷流泄时盾构机T形焊接结构疲劳可靠性分析

T形焊接结构是盾构机刀盘的关键结构之一,焊接处裂纹在亚临界的扩展是其疲劳失效的关键因素。文章考虑载荷流泄情况下,基于概率断裂力学的一次二阶矩方法提出了一种新的结构疲劳可靠性分析方法。将该方法应用到某盾构机T形焊接结构,给出了考虑与不考虑载荷流泄两种情况下结构疲劳可靠性计算结果,并用Monte Carlo方法验证了文章方法的有效性;利用最小二乘法拟合出了载荷流泄系数对该T形焊接结构疲劳可靠性的影响曲线,将该曲线划分了三个区域：即高、中、低疲劳失效区。结果表明在考虑和不考虑载荷流泄时,T形焊接结构的疲劳失效概率分别是8.2644e-05和3.4314e-04,即载荷流泄能一定程度上提高了结构的疲劳可靠度;实际工程在盾构机T形焊接结构疲劳可靠性设计时,T形焊接结构的厚度作为一个设计变量,而低失效区可以作为一个可靠度约束条件。研究成果为实际工程上盾构机刀盘的维修、检验计划和设计都有一定的理论指导意义。     

整体复合材料结构分层疲劳全寿命预测方法研究

基于粘聚区模型的观点,认为外载荷作用下整体复合材料结构各元件变形均累积于连接界面,则界面分层扩展可用位移间断δ的演化来表征.以此为基础,建立常幅载荷下分层界面损伤-寿命与应变能释放率-寿命之间的联系,将准静态载荷下的位移间断分为三种情形.提出四个假设,分层疲劳全寿命由基体裂纹形成寿命NM、分层开始寿命ND和分层扩展到一定尺寸寿命Nc三部分组成.给出了变幅载荷下界面损伤累积的计算方法和分层疲劳全寿命预测流程.最后,通过两个算例预测常幅和变幅载荷下复合材料分层疲劳全寿命,计算结果与试验结果一致,表明了本文方法的合理性.     

焊接结构焊缝疲劳寿命的灵敏度分析

焊接结构的疲劳寿命对整体结构的安全可靠性起着至关重要的作用,影响焊接疲劳寿命的因素很多,利用灵敏度分析来确定各参数对焊接疲劳寿命的影响是一项调整、优化设计方案的重要手段.本文基于结构应力法,对焊接结构的疲劳寿命进行了灵敏度分析,建立了结构应力、疲劳寿命对设计参数的灵敏度方程,计算结果与全局差分法进行了比较,文中算例验证了本文灵敏度分析的正确性,为进一步对焊接结构疲劳寿命进行优化设计提供了理论基础和技术支持.     

焊接接头低周疲劳裂纹扩展的统计分析与可靠性最弱环模型

在相同的试验条件下,对１６ＭｎＲ压力容器用钢焊接接头焊缝区、热影响区和母材区,分别做了１５ 根试样的低周疲劳试验,获得了三个区的低周疲劳寿命分布与裂纹扩展规律。试验表明,Ｐａｒｉｓ公式中的两个参数ｍ 和ｃ 分别服从正态分布和对数正态分布,ｍ 和ｌｏｇ ｃ 呈现统计线性关系。根据文中的统计结果,采用蒙特卡洛法对给定的两个裂纹长度间的扩展寿命进行了预测,预测结果与试验结果符合良好。文中还对焊接接头三个区的低周疲劳寿命进行了统计分析,获得了相应的概率密度函数,初步提出了整个焊接接头的可靠性最弱环模型。     

焊接接头热影响区的海水腐蚀疲劳裂纹扩展速率

本文采用T型板状焊接接头试件承受弯曲循环载荷进行空气中和海水自由腐蚀条件下的疲劳裂纹扩展试验(海水中试验条件为R=0-0.1,加载频率0.2Hz,海水温度20℃±1℃),得到了海上平台钢E36-Z35焊接接头热影响区在空气中和海水中裂纹扩展速率da/dN～AK曲线和Paris公式中相应的C和m值,并进行了讨论. 应用本文得到的试验数据,用断裂力学方法对板状焊接接头在空气中和海水中自由腐蚀条件下的疲劳裂纹扩展寿命进行了估算,结果表明,在适当考虑裂纹起始寿命的情况下,用断裂力学方法估算的疲劳裂纹扩展寿命与试验结果相当符合.文中还讨论了初始裂纹尺寸的选取对估算裂纹扩展寿命的影响.     

残余应力对含裂纹缺陷管道疲劳寿命的影响

针对焊缝区含表面轴向裂纹管道的疲劳寿命问题,探究管道在内压波动下裂纹扩展的规律。建立了焊缝区裂纹仿真模型。采用ABAQUS有限元软件的多层生死单元技术计算了长输管道X80钢的残余应力场。将焊接残余应力场作为裂纹扩展分析的初始应力场导入裂纹仿真模型,结合该软件的扩展有限元法(XFEM)和二次开发计算了在焊接残余应力下裂纹扩展的规律。结果表明:由于焊接残余应力的影响,热影响区含裂纹缺陷的X80管道疲劳寿命明显降低,降低幅度约达40%;裂纹长度对管道的疲劳寿命影响不显著,裂纹深度对其有一定影响,而应力比影响最大,且应力比R=0.1最为显著。     

铁电材料的疲劳失效行为

在航空航天、核能发电等重大装备技术领域, 作为高温传感/驱动/能量收集器件的敏感材料——铋层状结构铁电(BLSF)陶瓷在复杂载荷环境下的疲劳失效问题严重限制着器件寿命和可靠性的提高. 本文以BLSF陶瓷的应用需求为背景, 围绕铁电材料的疲劳裂纹扩展与电畴极化翻转及其相互作用机制等关键问题, 综述了铁电材料在热、力、电三种载荷及其耦合作用下疲劳失效行为的研究现状, 并根据当前铁电材料的一些新发展、新应用对其未来研究方向进行了展望, 旨在为高性能、长寿命铁电/压电器件设计提供参考.      

Fatigue life evaluation by weight functions for orthotropic bridge decks

This paper is concerned with the prediction of fatigue crack propagation in welded orthotropic decks for road and railway steel bridges. The analysis makes use of a weight function (WF), that provides effective evaluation of the stress intensity factor (SIF) for any crack length and loading condition. The WF was determined by a hybrid (numerical/analytical) technique and verified with numerical results. The fatigue life were estimated for different initial crack lengths and loading cycles. Endurance limits were obtained to establish in-service inspection schedule of the structure. The effect of weldment residual stress on the fatigue life was also analyzed. It was shown that the WF technique provides an expedient evaluation of these effects, also accounting for non-linear (contact) phenomena.     

欧洲近海结构用钢研究计划的进展

欧洲近海结构用钢研究计划在第一阶段(1975—80年)关于海洋焊接结构在疲劳载荷下工作性能的研究基础上,于1981—87年继续进行了第二阶段的研究工作。参加国家有欧洲经济共同体6国及挪威、加拿大等。本文综合报道第二阶段研究情况与主要成果,内容包括:板厚对疲劳强度的影响,焊后改进技术与腐蚀疲劳,疲劳载荷及变幅疲劳试验,疲劳分析的断裂力学方法,某些管节点的应力分析等;并对研究计划的背景及今后研究工作的方向作了介绍。     

估算变幅疲劳寿命的等效折算法

介绍了估算变幅疲劳寿命的等效折算法。该法的主要思想是通过特定的等效寿命函数,依次将变幅疲劳中的各级循环次数均等效折算为某一循环下的已耗寿命,即将变幅疲劳转化为等幅疲劳,来估算其寿命。给出了两种形式的等效寿命函数,一种考虑了变幅疲劳的加载次序效应,另一种则适用于加载次序效应不强的随机性谱载。四种材料的实际评估结果显示,无论对于分级加载还是随机性谱载,该法的寿命预测精度均明显高于同类型的其它五种方法。该法仅依赖于等幅试验数据,不含任何待定参数,计算简单,适合于工程运用。     

Accumulative damage near crack tip for welded bridge members: fatigue life determination

The behavior of crack growth for the fatigue damage accumulation near tip where damage is most severe is analyzed. Fatigue life is assessed for the welded members of bridges under traffic loading. Two parts are considered. They consist of the development of a fatigue damage accumulation model for welded bridge members and a method for calculating the stress intensity factor that is needed for evaluating the fatigue life of welded bridge members with cracks. Based on the concept of continuum damage accumulation and fatigue and fatigue crack growth relations, results are obtained to describe the relationship between the cracking count rate and the effective stress intensity factor. Crack growth and fatigue life are found for two types of welded members assisted by using fatigue experimental results. The stress intensity factors are modified by correcting for the geometric shape of the welded members in order to reflect the influence of the weldment and geometry. This is accomplished via the stress intensity factor. The calculated and measured fatigue lives were generally in good agreement for the initial cracking conditions of two types of welded members widely used in steel bridges.     

焊趾表面裂纹的形态发展曲线与疲劳寿命预测

以作者建立的焊地椭圆表面裂纹应力强度因子数据库以及复杂应力场中焊践半随圆表面裂纹前缘应力强度因子分布计算的基本模式法为基础上,给出了复杂应力场中焊践表面表纹在疲劳扩展过程中形态变化规律及寿命的工程分析方法。     

基于疲劳传感器的桥梁载荷谱检测研究

设计了一种结构独特的应变增幅器,使疲劳计的响应灵敏度大大提高,从而使疲劳计较高响应门槛值能与结构高周疲劳情况相匹配,扩展了疲劳计的应用范围,满足了桥梁工程结构疲劳检测要求.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.采用增幅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.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.疲劳实验表明,实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、满足桥梁疲劳载荷检测要求.     

高周疲劳的损伤-硬化模型

两级循环加载条件下,材料的剩余寿命强烈地依赖于加载历史。究其原因,不同加载历史将引起材料的微结构发生不同的变化,使得材料的硬化效果和变形行为表现出明显的差异,从而影响了损伤的演化过程。本文引入硬化状态变量来表征加载历史对疲劳损伤演化过程的影响。通过对两级循环加载下损伤演化规律和剩余寿命的研究,认为在两级（或多级）加载条件下,材料的损伤演化和剩余寿命强烈地依赖于加载历史造成的损伤和硬 化状态。     

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.     

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．