結(jié)構(gòu)疲勞分析方法及應(yīng)用

在某點或某些點承受擾動應(yīng)力,且在 足夠多的循環(huán)擾動作用 之后形成裂紋或完全斷裂的材料中發(fā)生的局部的、永久結(jié)構(gòu)變化的發(fā)展過程,稱為疲勞。由此,可以確定對結(jié)構(gòu)進(jìn)行疲勞設(shè)計的兩個必要條件:1)擾動應(yīng)力;2)足夠多的循環(huán)。如過不具備這兩個條件,設(shè)計過程中就沒有必要考慮結(jié)構(gòu)的疲勞問題。

目前,對結(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算出結(jié)構(gòu)應(yīng)力的變化,然后將其與利用規(guī)范計算出的許用疲勞應(yīng)力相比較,看是否滿足要求。對于前者,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)的工況相對較為復(fù)雜時,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,客戶一般會在協(xié)議中指定結(jié)構(gòu)設(shè)計計算時必須參考的標(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)疲勞計算時采用后者的方法。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范對結(jié)構(gòu)進(jìn)行疲勞分析時一般包括以下五個方面:

1. 疲勞載荷的確定

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、永久性動載等);2)附加載荷,主要指設(shè)備運行或停止時可能斷續(xù)出現(xiàn)的載荷(如設(shè)備工作風(fēng)載、摩擦阻力、運行阻力、非永久性動載等);3)特殊載荷,是指在設(shè)備工作和非工作狀態(tài)時不應(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)。疲勞計算時只需考慮基本載荷,而且對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)定了疲勞計算時載荷的縮小系數(shù)。

2. 循環(huán)次數(shù)的確定

同一結(jié)構(gòu),所考慮的疲勞載荷不同時,其循環(huán)次數(shù)也不盡相同,這主要是因為不同的疲勞載荷產(chǎn)生的原因是不同的。例如,對于堆取料機來說,考慮物料載荷的擾動影響時是指傳送皮帶上物料的有無,而考慮永久性動載的擾動影響時則是指設(shè)備在工作過程中的正常啟、制動,即便是同一結(jié)構(gòu)的同一載荷,針對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)該判斷其對結(jié)構(gòu)的循環(huán)擾動作用是否足夠多,當(dāng)循環(huán)次數(shù)N≤103(104)(低周疲勞)時,無需對結(jié)構(gòu)進(jìn)行疲勞校核。

3. 構(gòu)件焊接形式的選擇

工程中的鋼結(jié)構(gòu)多為焊接結(jié)構(gòu),構(gòu)件的疲勞強度除取決于結(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影響到應(yīng)力集中的形成,從而使構(gòu)件的疲勞強度大為降低。不同的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范在經(jīng)過大量試驗的前提下,給出了針對不同的焊接接頭形式的構(gòu)件疲勞強度(圖1,為AS4100-1998標(biāo)準(zhǔn)中所列舉的針對載荷循環(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)字便為其疲勞強度值,單位為MPa)。因此,如何根據(jù)結(jié)構(gòu)的實際焊接形式恰當(dāng)?shù)貙φ諛?biāo)準(zhǔn)中的焊接類型來確定結(jié)構(gòu)具體部分的疲勞強度值,也需要一定經(jīng)驗的積累。

圖1 構(gòu)件不同焊接形式的疲勞強度

4. 有限元計算時應(yīng)力的取值

結(jié)構(gòu)按不同計算工況用有限軟件計算完畢后,在后處理中可以選擇的應(yīng)力有很多種,究竟以哪種應(yīng)力作為疲勞強度校核時的參考應(yīng)力很值得探討。在美國鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范中明確提出,對于整個應(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)的疲勞強度,因為這種情況下裂紋不會擴展出焊縫殘余拉應(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。按板殼單元計算結(jié)構(gòu)的應(yīng)力時,還有點的應(yīng)力應(yīng)該取值于板的頂面、中位面還是底面的問題。由于板殼的同一點在同一工況下當(dāng)其在頂面上表現(xiàn)拉應(yīng)力時,而底面上則可能表現(xiàn)為壓應(yīng)力,所以對于同一點,校核其疲勞強度時,該點的最大應(yīng)力及最小應(yīng)力值的取面應(yīng)該保持一致。

5. 許用疲勞應(yīng)力的確定

就目前不同的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范來說,疲勞計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)力比法疲勞強度確定的關(guān)鍵是結(jié)構(gòu)某點最小主應(yīng)力與最大主應(yīng)力的比值,而應(yīng)力幅法疲勞強度確定的關(guān)鍵是結(jié)構(gòu)某點最大主應(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)疲勞強度具有代表性的標(biāo)準(zhǔn)是FEM起重機設(shè)計規(guī)范和ISO5049移動式連續(xù)散料搬運設(shè)備鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范;而采用應(yīng)力幅法確定其疲勞強度具有代表性的標(biāo)準(zhǔn)是AS4100-1998和GB50017-2003鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范。