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.     

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。     

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。     

谱载荷下疲劳寿命的累积破坏率法研究

提出一种新的估算谱载荷下疲劳寿命的方法,即累积破坏率法,该方法根据等幅试验结果,推导出母体的特性,从而利用累积破坏率法估算谱载荷下的疲劳寿命,该方法简便实用,其预测能力明显优于其它方法。     

用概率推断法确定多工况二维疲劳设计谱的载荷最大值

对各工况下的二维疲劳载荷,采用权系数的方法,合成并获得了多工况下的二维载荷联合概率密度函数。并由超越概率10-6对载荷进行外推,研究了确定多工况下二维疲劳设计谱中载荷最大值的概率推断——最速下降法的计算方法和步骤。实例的分析与比较,说明该方法是合理的和准确的,并由载荷最大值的分级和计算,编制了多工况下的8×8的二维疲劳设计谱。     

谱载荷下疲劳裂纹扩展随机规律的实验研究

简要介绍了谱载荷下疲劳裂纹扩展试验的理论基础、方法和过程。讨论了各种数据处理方法对参数估计的影响,研究了疲劳裂纹扩展的随机规律。由试验得到的疲劳裂纹扩展试验数据估计了裂纹扩展方程的参数,计算出结构可靠度曲线,通过对试验结果的分析难证了以下结论：以时间为参量的裂纹扩展随机过程模型和以裂纹长度为参量的模型在一定条件下是统一的;数据处理方法的选择与可靠性分析的结果有密切的联系;裂纹扩展寿命受裂纹扩展队机     

原始载荷谱下拖拉机半轴的疲劳寿命预测

采用ＳＮ－２５拖拉机半轴的疲劳寿命表达和Ｍｉｎｅｒ定则,预测了半轴在其原始载荷谱下的疲劳寿命,预测结果与用户使用调查结果相符合。     

滚圈疲劳损伤危险点应力-时间历程数值模拟

为了更加科学准确地编制滚圈疲劳损伤危险点的疲劳载荷谱,以广泛应用于大型回转窑的箱型滚圈为研究对泉,对滚圈进行了力学分析.确定了滚圈与筒体、托轮接触的边界条件.综合考虑力和温度的影响因素,建立了滚圈托轮的接触体系模型.针对孔缘危险点,分别作滚圈最低点的孔中心处于0°、3.75°、7.5°三个时刻的稳态热力耦合有限元分析,选取滚圈圆周方向上的应力作为疲劳载荷谱的载荷应力,得出了孔缘危险点的疲劳载荷谱,该载荷谱反映出了温度和截面周期性变化对应力状态的影响,为后续的滚圈强度与疲劳寿命分析提供依据.     

焊接结构长寿命区疲劳累积损伤的概率模型

根据焊接结构在各种随机谱载荷下长寿命区疲劳试验的有关资料,对变幅载荷下焊接结构在长寿命区疲劳累积损伤的分布规律进行了统计分析,根据长寿命区疲劳高度离散性的特点,提出了一种变标准差的概率设计模型。     

磨损加疲劳载荷下的协同疲劳行为

自行研制的摩擦磨损装置与轴向疲劳试验机相互配合,实现GDL-1钢试样在疲劳应力(240~280 MPa)及接触载荷(30 N)作用下摩擦磨损疲劳试验.通过对磨损层厚度的分析,研究试样承受摩擦磨损载荷及拉压疲劳载荷双重作用下的疲劳寿命变化,用SEM扫描电镜观察分析次表层内疲劳裂纹扩展的演变过程,并采用Hertz线弹性理论和Smith接触理论计算分析摩擦表面以下切应力值.结果表明:在磨损疲劳载荷作用下,形变层的流变作用将显著影响疲劳小裂纹扩展方向,渐趋于切应力方向,从而提高试样疲劳寿命.在此基础上,建立了在摩擦磨损疲劳载荷下疲劳裂纹扩展模型.此外,计算可知在距表层深度0.03 mm处切应力最大,0.18 mm以内材料产生塑性变形,导致形变层的形成.     

基于实测荷载的铁路钢桁梁桥疲劳可靠性评估

为了对钢桁梁桥疲劳进行评估,引入可靠性理论,提出了基于实测荷载的桥梁疲劳可靠性评估方法。根据某铁路钢桁梁桥实测车辆荷载数据,建立了随机车辆荷载模型。并在考虑车辆荷载随机性的基础上,结合Monte-Carlo法与有限元,分析了钢桁梁桥构件疲劳应力谱,计算了构件疲劳可靠性随时间的变化,并探讨了车辆荷载及荷载效应变异性对构件疲劳可靠性的影响,最后采用β约界法与静力分析法对钢桁梁桥系统疲劳可靠性进行了研究。结果表明,基于随机车辆荷载的构件疲劳应力谱呈现单峰分布;构件疲劳可靠性随运营时间的增加而减小;车辆荷载的增长及荷载效应变异性的增加对构件疲劳可靠性影响较大,当车辆荷载增长率和等效应力变异系数分别增加到5%时,构件疲劳寿命大幅减小;β约界法结合静力分析法可快速确定钢桁梁桥失效模式,桥梁系统疲劳寿命小于构件疲劳寿命。总的来看,基于实测荷载的钢桁梁桥疲劳可靠性评估方法能有效地利用监测数据,对桥梁疲劳评估具有良好的适用性。     

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。     

基于韧性耗散模型的损伤定量分析方法

材料的静力韧性便于工程测量,对疲劳损伤较其它宏观损伤变量更敏感。本文以材料静力韧性为宏观损伤变量,依据疲劳过程中金属材料韧性随疲劳循环加载而变化的实验结果的规律分析,得到了应力和循环数表达的损伤演化方程和损伤累积模型。该模型能较好地反映加载顺序的影响。推导出该疲劳损伤累积模型在多级加载下的递推公式。经四种金属材料疲劳试验数据验证结果表明,该模型预测疲劳寿命是较为满意的。由于疲劳试验数据分散性大,结果有待进一步验证。     

铝合金切口件在四组变幅载荷下3.5%NaCl溶液中腐蚀疲劳裂纹起始寿命试验研究与估算模型

试验研究了铝合金切口件在4组变幅块谱下、3．5％NaCl溶液中腐蚀疲劳裂纹起始寿命．结果表明，变幅载荷谱中的大超载会显著延长腐蚀疲劳裂纹起始寿命，并且加载顺序具有明显的影响．根据反映大小载荷交互作用的超载腐蚀疲劳裂纹起始寿命曲线和Miner累积损伤定则，建立了变幅载荷下切口件腐蚀疲劳裂纹起始寿命估算模型，应用该模型估算的结果与试验结果相吻合．     

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。     

一种估算谱载疲劳裂纹起始寿命的方法

提出了一种估算谱载疲劳裂纹起始寿命的等效载荷法，该法在变幅载荷的均方根算式中引入加权因子和修正系数来分别反映不同载荷变程和平均应力对变幅疲劳寿命的影响，并用相应获得的等幅载荷取代变幅载荷来估算谱载下的疲劳裂纹起始寿命．该法仅依赖于材料的等幅S-N曲线和单轴力学性能，不含任何待定参数，使用方便；两种材料3种谱载下15组变幅疲劳试验数据的评估结果显示，该法的平均寿命预测精度分别较同类型的Miner法则、修正Miner法则、均方根法提高了99．1％，24．6％和50．0％。     

钢纤维聚合物高强混凝土疲劳性能的实验研究

钢纤维聚合物高强混凝土(SPHC)是本课题组最近研发的新型混凝土桥梁结构材料。为了探明SPHC的疲劳性能,本文采用对比分析的方法,对实桥上应用的SPHC及其静力学性能相近的C60混凝土的疲劳性能展开实验研究,得到了这两种材料的S-N实验曲线。研究结果表明,与C60混凝土相比,SPHC材料由于掺入了钢纤维和聚合物乳胶,增加了韧性及抗裂性能,使其抗疲劳性能得到了大幅度的提高。该新材料的实桥应用,将有效地提高桥梁结构的疲劳寿命。     

基于SWT方法的钢绞线索微动疲劳特性分析

为得到钢绞线索丝间接触区的应力场分布并预测微动疲劳裂纹萌生位置和微动疲劳寿命，本文利用参数化方法建立了精细化的钢绞线拉索有限元模型，包括整索模型和不同层丝间接触区域的局部精细化子模型．分析了钢绞线索在两种交变荷载工况下的应力场变化情况，并基于多轴疲劳SWT(Smith-Watson-Topper)临界平面法进行了疲劳特性分析和疲劳寿命预测．主要结论如下：钢绞线索内接触区边缘处的微动幅值较大，中心处几乎没有相对滑动，微动疲劳的初始裂纹萌生点位于接触区域边缘；经不同区域子模型分析比较，在轴向循环荷载作用下，外层钢丝的接触区域比内层钢丝更易发生微动疲劳损伤；在横向位移循环荷载作用下，同层钢丝因位置角度不同而产生了较大的疲劳特性差异，且相比轴向循环拉伸，该工况下最不利单丝的微动疲劳寿命更低；与非接触区域相比，接触区的疲劳寿命大幅降低，微动现象对钢绞线索的抗疲劳性能有明显降低作用．     

基于电能耗散的金属材料疲劳损伤测量

根据电磁学原理，提出了基于电能耗散的疲劳损伤定义，指出其较能反映金属材料疲劳损伤的特征。获得了用电阻变化测量疲劳损伤的公式，应用计及疲劳极限和循环应力幅影响的非线性累积疲劳损伤模型，给出了金属材料疲劳损伤的剩余寿命预测公式。通过正火45^#碳钢的旋转弯曲疲劳试验，验证了本文提出的剩余寿命预测公式的可靠性，和韧性耗散测量疲劳损伤相比较；说明了用电阻测量疲劳损伤的合理性。