基于断裂力学的钢梁整体节点疲劳寿命分析
基于断裂力学的起重机主梁寿命计算及安全评估
纹 的扩 展和 止裂规 律 ，它认 为材料 及构件 本 身就存 在 缺 陷或裂 纹 ，由于疲劳 、腐蚀 介质 、高 温或 环境等 的 影 响 ，在 构 件应力 集 中处 经过 一段 使用 时间形 成微 小 的裂纹 。在 实际 的测试 中 ，初 始裂 纹尺 寸可 由无损 检 测 方法来 确定 或者 由在材 料制 造过 程 中可能 引入 的缺 陷尺 寸来确 定 ，最 终 的临界 尺寸可 通过 材料 的断裂 韧 性来计 算 ，对给定 的材 料或 结构 ，其初 始裂 纹尺寸 一 般可 以认 为是一个 常数 。 桥 式起 重机 主梁承 受动 载荷 ， 内力不 断地 变化 ， 在 工作 中 由于 焊 接 构 件 在制 造 和使 用 过 程 中的 各 种 缺 陷 ，极 易 出现疲劳 裂纹 。主梁 跨 中部位 的工作 应力 最 大 ，本 文 主要研究 跨 中截面 处 的裂 纹及 寿命 计算 。
基 于 断裂 力 学 的起 重机 主梁 寿命 计 算及 安全 评估
马 文
（ 太原重型机械集团有限公司 技术 中心 ，山西 太原 ００２） ３ ０ ４
摘 要 ： 合 动 、 态应 力 测 试 ，引 用 断 裂 力 学 的 相 关 知识 ， 裂 纹 失稳 后 逐 步 扩 展 的过 程 中 ， 算 含 裂 纹 起 重 结 静 在 计 机 主 梁 的 安 全 性 ，进 而 推 算 主 梁 焊 接 结 构 的 寿 命 。 关键 词 ： 起 重 机 ； 断裂 力 学 ；疲 劳寿 命
２ 裂纹 区的断 裂力学 计算 ２ １ 主 要部位 的 裂纹形 成 ． 断 裂力学 方法是 在大 量实验 的基 础上研 究带 裂纹 材 料 的断裂韧性 ，研究 含裂 纹 的构件 在服 役条件 下裂
基于断裂力学方法的微动疲劳寿命估算
２ ０ 年 ２月 ０８ 第３ ５卷第 １ 期
强 度 与 环 境
Ｓ ＴＲＵＣＴ ＵＲＥ ＆ Ｅ ＮＶＩ ＲｏＮＭ Ｅ ＮＴ ＥＮＧＩ ＮＥＥＲＩ ＮＧ
Ｆｅ ２ ｂ．００８ 、０ －５． Ｏ． ，１３ Ｎ １
基于 断裂力学方法 的微动疲 劳寿命 估算
ｐ ｐ ｒ ｈ ｅ ｆｔ ｉ ｔ ｏ ｓ ｔ ａｃ ｌｔ ｉｔ ｂ ｔ ｏ ｃ ｎ ｃ ｎ ａ ｔｉ ｔ ｒａ ｅ ｈ ｉｔ ｂ ｔ ｏ ｃ ｎ ａ ｅ ，ｔ ｅ ｋ ｙ ｏ ｓ ｍｅｈ ｄ ｉ ｏ ｃ ｌｕ ａｅ ｄ ｓ ｉ ｕ ｅ ｆ ｒ ｅ ｏ ｏ ｔｃ ｎ ｅ ｆ ｃ ．Ｔ ｅ ｄ ｓｒ ｕ ｅ ｆＢ ｌｉ ２ ４ ５Ｃ ｉａ） ａｔｒ， ａ ２ ０ ，ｈｎ ７
Ａ ｂｓｒａ ｔ Ｂ ａ ｅ ｒ ｃ ｕ ｅ ｍ ｅ ｈａ ｉ ｓｍ ｅｈｏ ，ａ ｅ ｔｍ ａ ｉ ｆｔ ｅｔｎｇ ｆ ｔｇｕ ｉｅｗ ａ ｅ ｅ ｅ ｎ ｔ ｔ ｃ ： ｓ ｄ ｆ ａ ｔ ｒ ｃ ｎ ｃ ｔ ｄｓ ｎ ｓｉ ｔｏｎ ｏ ｈｅ ｆ ｔｉ ａｉ ｅ ｌｆ ｓｐｒ ｓ ｎｔｄ ｉ ｈｅ ｒ
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材料力学中的断裂和疲劳分析
材料力学中的断裂和疲劳分析在工程领域中，对材料的强度和耐久性进行评估和分析是至关重要的。
而在材料力学中，断裂和疲劳分析是两个重要的研究方向。
本文将从理论和应用两个方面，介绍材料力学中的断裂和疲劳分析。
首先，我们来介绍断裂分析。
断裂是指在外部加载下，材料的破坏。
断裂分析的目的是通过研究材料的断裂机制，预测和防止材料的破坏。
断裂分析的核心是断裂力学，它通过分析应力场、应变场和裂纹尖端处的应力强度因子来揭示裂纹扩展的行为。
在断裂力学中，有两个经典理论被广泛应用：线弹性断裂力学和弹塑性断裂力学。
线弹性断裂力学适用于处理材料的线弹性阶段，即只存在弹性变形，不发生塑性变形的情况。
而弹塑性断裂力学则适用于材料同时发生弹性和塑性变形的情况。
对于断裂力学的研究，一个重要的参数是断裂韧性。
断裂韧性是描述材料抵抗裂纹成长的能力，通常通过KIC来表示。
KIC是裂纹尖端处单位断裂韧性的衡量指标，一般情况下，KIC越大，材料的抗裂纹扩展能力越强。
断裂韧性的评估对于确保材料的可靠性和耐久性至关重要。
接下来，我们来了解疲劳分析。
疲劳是指在循环加载下，材料经历应力的反复变化而引起的破坏。
疲劳是材料工程中非常常见的一种破坏模式，因此对于疲劳强度的评估和分析也是非常重要的。
疲劳分析的核心是疲劳强度理论。
常见的疲劳强度理论有极限应力理论、极限变形理论和能量理论等。
这些理论通过对应力和应变历程的分析，确定了材料的疲劳强度边界，从而指导工程实践中的材料选择和设计。
除了理论研究，疲劳分析中还有实验方法。
疲劳试验是评估材料疲劳性能的重要手段。
通过在标准试样上施加循环加载，可以测定材料的疲劳寿命和疲劳强度。
这些试验结果可以为工程实践中的疲劳分析提供可靠的参考。
近年来，随着计算机技术的快速发展，有限元分析成为疲劳分析的重要方法之一。
有限元分析可以通过数值计算模拟材料在复杂载荷下的应力和应变分布情况，从而预测材料的疲劳寿命和破坏位置。
这一方法不仅减少了试验成本和时间，还提高了分析的准确性和可靠性。
基于断裂力学的钢丝绳疲劳寿命预测Word版
基于断裂力学的钢丝绳疲劳寿命预测Word版基于断裂力学的钢丝绳疲劳寿命预测作者（单位）摘要：基于缺陷探伤法和断裂力学原理，设计了钢丝绳疲劳寿命的预测系统。
该系统主要包括声发射检测设备、超声波探伤设备、应力应变测量设备和疲劳寿命分析与评估软件，并给出相关结论。
关键词：钢丝绳；疲劳寿命；断裂力学Analysis on Structural Fatigue Working Life of Wire Rope Based on Fracture MechanicsWriter(company)Abstract: A discussion on the method of structural fatigue working life for wire rope with fracture mechanics analysis related to estimation for structural fatigue life. A damage limit calculation method for related system also introduced in this paper.Key words: wire rope; Fatigue life; fracture mechanics0 前言结构疲劳强度分析不仅在航天、航空、造船等尖端工业领域有着十分重要的意义, 对一般机械设备的使用可靠性和使用寿命评估也具有重要作用。
据国外的统计,在机械零件的破坏中有50%～90%为疲劳破坏。
我国目前尚没有对疲劳破坏问题进行过全面调查, 但同类产品的使用寿命往往比发达国家低。
钢丝绳作为机械起重设备传递载荷的关键部件, 在循环往复的交变载荷作用下, 都可能发生裂纹并扩展, 最后导致突然断裂破坏。
正确估算钢丝绳的疲劳寿命, 对起重机械运营安全性、可靠性具有非常重要的意义。
1 结构疲劳寿命分析基本方法疲劳寿命分析主要包括以下 4 种方法:1.1名义应力法以名义应力为基本参数, 以 S—N 曲线为主要计算依据。
带裂纹钢吊车梁剩余疲劳寿命的分析与估算
ＣＡＯ ｅ ， Ｆ ｉ ＺＨＡＮＧ Ｌｉ
（ ｏａｉ ａ ｎ ｅｈ ｉ ｌ ｏ ｅｅｏ ａｉｎＯ ｅｎＵ ｉ ｒｔ， ａａｄａ ， ｈｎ １６０ ） Ｖｃｔ ｎ ｌ ｄＴｃｎ ａ ｌｇ ｏ ａ ｃ Ｃ ｌ ｆＤ ｌ ｃａ ｎ ｅ ｉ Ｗｆ ｎ ｉｎ Ｃ ｉ ａ ｖ ｓｙ ａ １３ ０
吊车梁 是工 业建 筑 中重要 的结 构构件 ， 因其在 生产 安装过 程 中不 可避 免地 会存在 边部 缺 口， 拼接 焊缝 有 夹 渣 、 孔 等缺 陷 ， 较大 反复 生产 荷载 的作用 下 ， 气 在 经过 一段 时间使用 后就 会 出现 不 同程度 的开裂 与 损伤 ， 以 疲 劳 开 裂尤 为严 重 和普遍 ． 由于疲 劳破 坏是 没 有 明显 宏 观 变形 的脆 性破 坏 ， 往 会 造成 突发 性 的灾难 性 事 往 故， 因此 ， 研究 钢 结构 疲 劳寿命 ， 以保 证工 业建 筑 的安全 生产 ， 高钢 结构 的使 用 寿命 ， 于 发 展 国 民经 济具 提 对 有 重 大 的意义 ． 而在 目前 的管理 和检 测技术 条件 下 ， 由于生 产 条件 与环 境 的 限制 ， 吊车 梁 出现 微 裂纹 时很 钢 难 被发 现 ， 一方 面 即使 发 现 了钢 吊车梁 上产生 的疲 劳裂纹 ， 即停产 也会带 来较 大 的经济损 失 ． 另 立 因此 ， 研究
带裂纹钢 吊车梁结构的剩余疲劳寿命 ， 对吊车梁在使用过程 中的管理和维护可起到不可估量的指导作用 ， 能 够 带来 巨大 的经 济效益 ． 目前 我 国钢结 构的设计 规 范来讲 ， 就 还不 能准 确评估 关 于钢结 构 吊车梁 的剩余 使 用
钢吊车梁的疲劳寿命分析与预测
钢吊车梁的疲劳寿命分析与预测作为制造业大国,中国仍然拥有数量庞大的钢结构工业厂房,并且还在不断新建中。
钢吊车梁作为钢结构厂房中的重要构成部分和承受交变荷载的结构,如果发生疲劳破坏,会带来严重的人身威胁和经济损失。
工业厂房由于其工作的特殊性或者操作人员的限制,在使用运行过程中不能时刻监控钢吊车梁的疲劳裂纹扩展并及时进行处理。
钢吊车梁的疲劳破坏是一个疲劳裂纹萌生和扩展的长期过程,但疲劳破坏的发生又具有突发性,在疲劳裂纹断裂之前往往没有很明显的表观迹象。
故通过疲劳寿命预测来合理规划钢吊车梁的运作和检修维护具有重要的应用价值,也能为钢吊车梁的设计和研究提供一定的参考。
本文介绍了钢吊车梁的基本结构和分类,并分析了钢吊车梁的疲劳破坏机理。
通过Ansys-Workbench软件建立钢吊车梁的有限元模型,模拟吊车在吊车梁上的整个运行过程。
计算分析其应力分布规律、应力-时间历程以及变形及应变分布的规律。
通过分析钢吊车梁的等效应力分布图,可以知道钢吊车梁在整个工作循环中的最大等效应力出现在吊车梁的端部支座处。
本文采用雨流计数法处理钢吊车梁的应力循环分布,可以得到其应力谱,并作为钢吊车梁疲劳寿命预测的基础。
现有的钢结构疲劳寿命的预测方法包括:S-N曲线法、基于损伤力学的线性累积损伤法,基于断裂力学的线弹性断裂力学法和概率断裂力学法,DFR法(细节疲劳额定值法)、以及相关钢结构规程中的预测方法。
本文分别通过这六种方法对钢吊车梁模型进行疲劳寿命预测,从结果上来看,线性累积损伤法和DFR法计算得到的寿命预测值较为符合预期,适合作为钢吊车梁疲劳寿命评估的主要方法。
影响钢吊车梁疲劳寿命的因素有很多,本文主要讨论吊车梁结构形式和加载特点对疲劳寿命的影响。
可以发现如果支座形式采用直角突变型,其疲劳寿命预测值明显要比梯形过渡式、圆弧过渡式和角钢封板式的情况高,说明钢吊车梁采用直角突变型支座能够有效优化其支座处的应力集中,提高其抗疲劳性能。
基于断裂力学的锚拉板疲劳寿命评估
基于断裂力学的锚拉板疲劳寿命评估作者：李立峰 唐武唐金良来源：《湖南大学学报·自然科学版》2016年第09期摘要：为研究斜拉桥锚拉板结构的疲劳性能，以一座叠合梁斜拉桥为例，采用最新钢桥规范的疲劳荷载模型加载并按雨流法处理计算了疲劳荷载谱，结合空间实体有限元模型，识别了锚拉板的典型构造细节并获得疲劳应力谱；在典型构造细节处引入初始表面裂纹，计算了裂纹尖端的应力强度因子，回归分析得到应力强度因子与裂纹尺寸的关系式，代入Paris公式积分得到了各典型构造细节的疲劳寿命，从而建立了基于断裂力学的锚拉板疲劳寿命分析方法.研究结果表明：基于断裂力学方法得到的锚拉板疲劳寿命超过了100年，满足设计及使用要求；裂纹初期扩展很慢，当尺寸达到10 mm时，已消耗了60%～80%的疲劳寿命，应及时加以补强.关键词：断裂力学；锚拉板；疲劳寿命；应力强度因子；Paris公式中图分类号：U441.4 文献标识码：A钢斜拉桥结构中，索梁锚固构造是关键受力部位，其种类很多，而锚拉板[1]具有构造简单、安装方便、传力明确等突出优点，近年来得到广泛应用.但由于焊缝多、应力集中，疲劳问题突出，因此合理评估其疲劳寿命具有重要意义[2].目前，钢结构的疲劳寿命评估主要是基于SN曲线和Miner线性累积损伤理论[3]，即对特定的构造细节选取相应类别的SN曲线进行分析.该方法应用广泛，但也存在不足：复杂构造细节无合适的SN曲线对应；实际工程中大部分构件处于带裂纹工作状态，无法采用SN曲线进行分析.对于裂纹如何扩展、结构剩余寿命多少，需要借助断裂力学进行分析[4].目前不少学者正致力于研究断裂力学理论在钢桥疲劳寿命分析中的应用.王元清等[5-6]完成了多个不同试件的紧凑拉伸试验，得到了基于Paris公式的疲劳裂纹扩展性能参数，通过对比有限元结果与试验结果，验证了数值方法分析复合型疲劳裂纹扩展的可靠性.彭鲲等[7]用断裂力学方法研究波形钢腹板组合箱梁的疲劳寿命计算模式，推导了结构的SN曲线.王春生等[8]用断裂力学方法对老龄铆接钢桥剩余寿命和使用安全进行了评估.童乐为等[9]利用断裂力学方法预测了圆钢管混凝土T型焊接节点的疲劳寿命，研究表明断裂力学可较好地预测该结构的疲劳寿命.上述研究推动了断裂力学理论在实际工程中的应用，但是在锚拉板疲劳寿命分析方面的研究还比较少，如何用断裂力学理论对锚拉板疲劳寿命进行合理评估还需要深入研究.本文结合一座叠合梁斜拉桥，建立了全桥三维有限元模型，选用最新钢桥规范中疲劳荷载模型并用雨流计数法处理得到了索力荷载谱；结合锚拉板结构的三维实体有限元分析模型，得到典型构造细节的疲劳应力谱；引入半椭圆形初始表面裂纹，按经典公式得到裂纹尖端的应力强度因子，回归分析得到应力强度因子与裂纹尺寸之间的关系式，再对Paris公式积分，从而获得锚拉板结构的疲劳寿命.1工程概况乌江特大桥是贵州省内的大跨混合体系叠合梁斜拉桥，双塔双索面、半漂浮体系，跨径布置为54 m+71 m+360 m+71 m+54 m，全长610 m.设计行车速度80 km/h，双向六车道，设计荷载为公路I级.索梁锚固结构为锚拉板式，如图1所示.桥宽28 m，边跨为混凝土“π”形主梁，中跨为“上”字形钢主梁结合桥面板的整体断面（图2）；单个主塔布置28对斜拉索，设计索力由2 333.4 kN变化到5 184.5 kN.锚拉板式索梁锚固结构由锚拉板、加劲板、锚筒、锚垫板和装饰圆板等构成.在锚拉板中部开槽，锚筒通过双面单V形焊缝（焊缝1）与两侧槽口相连；斜拉索穿过锚筒锚固在锚垫板上；在两侧焊接加劲板以补偿开槽对锚拉板的削弱，并增强横向刚度和整体性；锚拉板通过双面V形焊缝（焊缝2）与主梁腹板连接.索力通过焊缝1以剪力形式传递至锚拉板，再由焊缝2传递至钢主梁.焊缝2承受竖向、纵向拉应力和剪应力的共同作用，应力状态复杂.锚拉板由工厂整体加工，在施工现场通过焊缝2与钢主梁相连.锚拉板受力复杂，在移动荷载作用下疲劳问题尤为突出，而且对其中部分构造细节的疲劳性能缺乏深入研究.因此本文拟利用断裂力学理论对其疲劳性能进行合理评估，具体的分析步骤如图3所示.2疲劳荷载计算采用桥梁软件Midas建立全桥三维杆系有限元分析模型，斜拉索用空间桁架单元模拟，塔和钢主梁用空间梁单元模拟，塔、墩底约束采用一般支撑约束模拟.全桥共有节点689个；单元570个，其中桁架单元112个，梁单元458个，如图4所示.全桥计算结果表明：活载作用下中跨尾索的索力幅最大，其对应锚拉板的受力最具有代表性.求得中跨尾索各个车道的索力影响线，图5为近侧慢车道（车道1）索力影响线.锚拉板的疲劳荷载即为活载引起的斜拉索索力幅.根据文献[10]，偏安全地选取疲劳荷载模型I进行索力幅的计算.疲劳荷载模型I是将文献[10]中的公路I级的车道荷载进行折减，即集中力为P=0.7×360=252 kN，均布荷载为q=0.3×10.5=3.15 kN/m.将折减后的车道荷载按索力影响线加载，采用雨流计数法处理，获得各个车道产生的索力幅如表1所示.ΔF=0.55×385.88=212.2 kN. （1）荷载循环次数可偏安全地考虑为：疲劳车队以设计车速80 km/h通过桥梁，则每年荷载循环次数为：365×240.61/80=1.15百万次. （2）3典型细节应力脉分析锚拉板焊缝较多，若对每处构造细节进行疲劳寿命分析，工作量巨大也不经济.研究表明，疲劳破坏起源于高应力或高应变的局部[11].因此，首先要识别最可能出现疲劳破坏、且一旦出现破坏将直接导致锚拉板无法继续承载的典型构造细节.参照桥梁实际情况，利用有限元软件ANSYS建立锚拉板结构精细空间有限元模型：以拉索锚固点为中心，往两侧各取6 m，横向选取半桥宽；锚拉板及主梁用四节点三维空间板壳单元Shell181，桥面板采用Solid45实体单元建立，主梁纵向两端约束全部位移，横向施加对称约束；索力以面荷载形式施加在锚垫板，如图6所示.结合锚拉板空间应力分析结果（图7），选取典型构造细节如下：a）锚拉板与锚筒间的双面单V形焊缝下端，由于几何形状的突变而导致明显的应力集中.此外，由于该处空间较小，在斜拉索安装等过程容易产生各种初始缺陷，成为“裂纹源”.因此取A，B点为本文分析的典型构造细节之一.b）锚拉板与腹板间的双面V形焊缝两端的C，D点由于截面形状的突变，也存在一定程度的应力集中现象，而且焊缝两端板厚相差较大（锚拉板50 mm，腹板30 mm），导致力线分布不均匀，当存在焊接初始缺陷时，很容易出现疲劳破坏，因此选取C，D点作为典型构造细节进行分析.在前文求得的疲劳荷载和最不利索力作用下，各典型构造细节的应力如表2所示.4初始裂纹尺寸对于典型焊接细节，最常见的初始裂纹是半椭圆形的表面裂纹，一般出现在焊趾处.初始裂纹尺寸可通过超声波探测、磁粉探测、X光探测等无损检测方法获得.每种方法均有各自的检测界限，通常不会小于1 mm.但对于新建桥梁初始裂纹往往很小，无法通过上述方法获得.根据文献[7]，钢桥的焊接构造细节处会存在0.02～0.2 mm大小的初始缺陷，因此偏安全地取初始裂纹深度a0=0.2 mm.5临界裂纹尺寸临界裂纹是指构件发生破坏或不能继续承载时的裂纹尺寸.工程上临界裂纹的确定方法通常有K准则和适合承载准则.使用K准则时，临界裂纹尺寸与材料的断裂韧性相关，根据文献[11]，其表达式为：ac1=1π（KICfσ）2.（3）式中：KIC是材料断裂韧性，通过试验获得；f是与构件几何和裂纹形状相关的修正系数，可由《应力强度因子手册》[12]查得；σ为循环应力，见表2.适合承载准则是指在满足正常使用要求下，根据构件的实际形状选择一个确定尺寸作为临界裂纹尺寸.对于上述焊接细节，当裂纹深度达到板厚时，即可认为构件已发生破坏，因此取为板件厚度ac2.最终确定的临界裂纹尺寸为：ac=min （ac1，ac2）.（4）6疲劳寿命预估6.1疲劳寿命裂纹的扩展速率可用da/dNΔK曲线来描述，如图8所示.图中ΔKth为门槛应力强度因子幅值，是裂纹是否扩展的控制参数.对于焊接细节，由于焊接残余拉应力很高，导致ΔKth很小，这里偏安全地取为零.2区为裂纹稳定扩展区，是疲劳寿命的重要组成部分.对于该阶段疲劳寿命的计算，工程上应用最广泛的是Paris公式：da/dN=C（ΔK）m.（5）式中：C，m为裂纹扩展性能的基本参数，根据文献[6]，取C=1.58×10-11（m/周），m=2.67；ΔK为应力强度因子幅值，是裂纹扩展的主要控制参量.ΔK可按式（6）进行计算[13]：ΔK=f（a）Δσπa=fefsftfgΔσπa. （6）式中：fe，fs，ft，fg分别为裂纹形状、自由表面、有限板厚、应力集中修正系数，按下式计算[14]：fe=1/∫π/20（1-c2-a2c2sin 2θ）0.5dθfs=1.211-0.186c/aft=[1-0.025（a/t）2+0.06（a/t）4]sec （πa/2t）fg=ν（a/t）ων=0.808 6-0.155 4（h/t）+0.042 9（h/t）2+0.078 4（h/t）tgθω=-0.019 9-0.183 9（h/t）+0.049 5（h/t）2+0.081 5（h/t）tgθ（7）式中：a，c分别为裂纹深度和半长度，且a/c=0.1；t为板厚，h，θ分别为焊缝高度和角度.计算得到各典型细节的ΔK如图9所示.从图9可以看出，典型构造细节应力强度因子的数值随着裂纹尺寸的增大而增大，且增大速率越来越快，这是因为裂纹尺寸越大，材料净截面积越小，裂纹扩展所受约束越小，越有利于裂纹的扩展.各构造细节的疲劳寿命可按式（8）计算：N=∫aca01C（ΔK）mda（8）由式（7）可知f（a）的取值与裂纹尺寸有关，因此为计算式（8），先回归分析得到ΔK 与裂纹尺寸a之间的关系式，代入式（8）即可得到各典型细节的疲劳寿命，计算结果见表3.6.2损伤容限设计损伤容限设计是20世纪70年代发展并被大量使用的抗疲劳设计方法.该方法的思路是：假定构件存在初始裂纹，用断裂力学方法对其剩余疲劳寿命和裂纹扩展速率进行评估，建立完善的检测方案，当裂纹尺寸达到预期尺寸时，对构件加以维修或更换，以保证结构的安全.设计原理如图10所示.图11为各构造细节对应的裂纹扩展曲线，从图可看出，使用初期裂纹扩展很慢，构件大部分疲劳寿命消耗在此阶段，当裂纹尺寸达到10 mm时，各构造细节已消耗了疲劳寿命的61.2%～79.3%.因此在进行损伤容限设计时，可预设裂纹尺寸为10 mm，当检查到裂纹达到10 mm时，及时对锚拉板加以维修或更换.7结论1）对于锚拉板结构，其锚筒与锚拉板的双面单V形焊缝以及锚拉板与主梁焊缝是重要承载焊缝，焊缝端点处由于几何形状的突变存在严重应力集中现象，是疲劳评估中的关键构造细节.2）建立了基于断裂力学的锚拉板疲劳寿命分析方法，得到锚拉板各典型细节的疲劳寿命均超过100年，说明锚拉板具有很好的抗疲劳性能，可在今后的设计中加以推广.3）锚拉板裂纹初期的扩展速率很慢；当出现肉眼可见的裂纹时（如10 mm），已消耗了60%以上的疲劳寿命，基于损伤容限设计，取10 mm为裂纹维修点.本文采用经典公式来计算应力强度因子，如何建立三维实体断裂力学模型、用有限元方法计算应力强度因子有待进一步研究.参考文献[1]李小珍，蔡婧.大跨度钢箱梁斜拉桥索梁锚固结构型式的比较研究[J].土木工程学报，2004，37（3）：73-79.LI Xiaozhen， CAI Jing， Study on models of cablegirder anchorage for longspan cablestayed bridges with steel box girder[J].China Civil Engineering Journal，2004，37（3）：73-79.（In Chinese）[2]满洪高.大跨度钢斜拉桥索梁锚固结构试验研究[D].成都：西南交通大学土木工程学院，2007：1-2.MAN Honggao.Experimental studies on cablegirder anchorage for longspan 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基于裂纹扩展的疲劳寿命预测及在起重机金属结构中应用
基于裂纹扩展的疲劳寿命预测及在起重机金属结构中应用起重机作为国民经济建设中不可或缺的重要设备而广泛使用,在工厂车间、施工工地、港口、货场等频繁的工况载荷下,疲劳导致起重机金属结构失效问题逐渐突显。
随着起重机向着大型化、轻柔化的方向发展,高强度结构钢的使用也更为广泛。
实验研究表明高强度钢的屈服应力和极限应力相对普通结构钢有大幅度的提高,而载荷多变带来疲劳对起重机结构造成的影响大为加剧,人们在关注结构刚度、强度、稳定性的同时,对疲劳性能的研究却相对较少。
为保证起重机可靠的工作,不仅需要对强度、刚度和稳定性进行分析,还需要对起重机的疲劳损伤分析和剩余寿命进行分析预测。
本文以起重机结构疲劳为研究对象,基于扩展有限元理论给出裂纹尖端应力强度因子的求解方法,研究影响裂纹扩展速率的因素,探讨起重机金属结构疲劳寿命预测中需要明确的要素,得出相应的求解方法和策略,并对起重机典型疲劳结构进行裂纹扩展路径模拟和考虑载荷次序用功率谱函数进行起重机疲劳寿命预测。
应力强度因子是基于断裂力学进行疲劳寿命预测的重要参量之一,常规有限元法通过在裂纹尖端布置裂尖奇异单元,即四分之一节点单元而得到相应的数值解。
但是随着裂纹的扩展,常规有限元方法的网格必须随着裂纹边界的变化重新进行划分,且裂纹的扩展必须沿着网格边界,使得常规有限元在处理裂纹等不连续问题时显得低效。
扩展有限元法通过添加额外的节点自由度,网格划分不随边界的变化,可以很好的处理不连续的问题。
本文提出改进的水平集方法对裂纹界面进行识别和跟踪,结合扩展有限元法对裂纹尖端的应力位移场进行数值求解,并用M积分对复合型裂纹进行解耦。
虽然扩展有限元法在Abaqus中进行了集成,但采用的补充函数等仍然存在一些不足,本文编写扩展有限元程序对裂纹结构进行数值计算并求取裂尖应力强度因子为后续研究奠定基础。
为对起重机进行疲劳寿命预测,须先建立疲劳裂纹扩展速率的模型。
经典裂纹扩展速率Paris公式中的参数在不同应力比工况下需用大量的实验进行求取,为此本文提出一种新的考虑应力比影响裂纹扩展速率的模型,针对起重机中最常用的各种材料的试验数据进行验证,鉴于起重机频繁起制动造成反复冲击载荷的恶劣工作环境,本文研究冲击过载对裂纹扩展速率的影响,并用Wheeler模型描述起重机常用材料受单一超载的影响,给出相应的Wheeler模型参数,供起重机行业寿命预测使用。
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（ ） ２
其 中 Ⅳ 为 疲 劳 循 环 次 数 ．一 般 情 况 下 ，
ＡＫ — ＹＡａ ， （ ３）
劳 强度 降低 ．因 此 ， 必 要 对 整 体 节 点 结 构 的 疲 劳 有
可靠 性 进 行 分析 ．
式 中 ｙ 为 表 征 含 裂 纹 构 件 几 何 形 状 的 一 个 无 因 次
日０ 一 日 ｚ 日 。
一
Ｔ－ ２ －
（ｎ ｒ— ｈ “ ） １口 ０＇
一 ２ ・
疲 劳 寿 命 定 义 为 主 裂 纹 从 原 始 裂 纹 尺 寸 扩 展 到 某 一 Ｉ 尺 寸所 需 的疲 劳循 环 数 或 时 间 ． 临界 在 建 筑 钢 结 构 的 疲 劳 破 坏 过 程 中 ， 于 工 作 载 由
荷 一 般 不 大 ， 纹 尖 端 的 塑 性 区 域 通 常 很 小 ， 而 线 裂 因
以上是 在 常 幅 疲 劳下 估 算 裂 纹扩 展 寿命 的一般
公 式 ， 变 幅 加 载 疲 劳 中 ， 要 利 用 线 性 累 计 损 伤 准 在 需
则 （ ｉｅ Ｍ ｎ ｒ准 则 ） 应 力 幅 加 以折 算 ， 此 不 详 细 叙 对 在
式 中， ｃ和 为 与 材 料 有 关 的 常 数 ．
如 果 已知 原 始 裂纹 尺寸 ａ 。及 裂 纹 Ｉ 临界 尺 寸 ｎ ， 则 Ｎ 一 ｃ
Ｊ Ｌ ＾ Ｊ 凸
，
加 速 施 工进 度 、 低 工 程成 本 、 构外 观 简 洁 美 观 等 降 结
优 点 ．然 而 ， 体 节 点 构 造 复 杂 ， 缝 密 集 ， 有 对 整 焊 既 接 焊 缝 ， 有 棱 角 焊 缝 、 焊 缝 和 交 叉 焊 缝 ， 接 构 又 角 焊 件 产 生 的 残 余 应 力 及 几 何 不 连 续 性 可 能 使 结 构 的 疲
述 ．
弹 性 断 裂 力 学 方 法 能 较 好 地 适 用 ．在 线 弹 性 断 裂 力
学 范 围 内 ， 载 作 用 下 应 力 强 度 因子 Ｋ 能 恰 当地 描 静
述 裂 纹 尖 端 的 应 力 场 强 度 ．大 量 疲 劳 试 验 证 明 ： Ｋ
２ 疲 劳Leabharlann 寿 命 分 析 方 法 及 应 力 幅 云 图
维普资讯
第 １ ７誊 第 ４期
ＶＯＩ ７ Ｎ Ｏ． ．１ ４
湖 北 工 学 院 学
报
２０ ０ ２年 １ 月 ２
Ｄｅ ．２ ２ ｃ ００
Ｊ ｕ ｎ ｌｏ ｂ ｉＰ ｌ ｔ ｃ ｎ ｃ Ｕｎ ｖ ｒ ｉｙ ｏ ｒ ａ ｆ Ｈｕ ｅ ｏ ｙ ｅ ｈ ｉ ｉ ｅ ｓ ｔ
的一 种 新 型 的 节 点 结 构 ．与 传 统 的铆 接 、 接 结 构 栓
相 比 ， 体 节 点 新 工 艺 具 有 便 于 工 厂 化 生 产 、 于 保 整 易
证 质 量 、 省 钢 材 和 联 结 件 （ 节 省 高 强 度 螺 栓 节 可
３ ％ ） 便 于 现 场 施 工 （ 善 施 工 条 件 和 劳 动 强 度 ） ４ 、 改 、
钢 桥 整 体节 点 是 ２ Ｏ世 纪 ９ Ｏ年 代 我 国 开 始 采 用
强 度 因 子 幅 值 Ａ 存 在 一 定 的 函 数 关 系 ． ａｉ 早 Ｋ Ｐｒ ｓ最 给 出了 与 Ａ 之 间 的 经 验 关 系 式 ， Ｋ 即
ｄＮ — （ △Ｋ ） ， — ’ ， 一 Ｌ ｕ』 ｍ， ＼ （ （） １， １
整体 节点的疲劳试验采用 正弦波常幅荷载 ， 上
是控 制裂 纹 扩 展 速 率 （
）的 主要 参 数 ，
与应 力
［ 稿 日期 ］２ ０ ～ ｏ — ２ 收 ０２ ６ ｏ ［ 金 项 目］湖 北 省 教 育 厅 重 点 攻 关 项 目 （０ ０ ０ ０ ４ 基 ２ ０Ｂ ４ ０） ［ 者 简 介 ］李 厚 祥 （ ９ ９ ） 男 ， 北 大 悟 人 ， 北 工 学 院 讲 师 ． 学 硕 士 ， 究 方 向 ： 械 设 计 理 论 、 构 工 程 及 科 研 管 作 １ ６一 ， 湖 湖 工 研 机 结
［ 章 编 号 ］１ ０ — ４ ８ （ ０ ２ １ －０ ３ ０ 文 ０ ３ ６ ４ ２ ０ ） ２０ ２ —２
基 于 断 裂 力 学 的 钢 梁 整 节 点 疲 劳 寿 命 分 析 体
李 厚 祥 ，熊健 民 ，李 厚 民
（ １湖 北 工 学 院 科 研 处 ，湖 北 武 汉 ４ ０ ６ ；２湖 北 工 学 院 机 械 工 程 系 ，湖 北 武 汉 ４ ０ ６ ） ３０８ ３ ０ ８
［ 摘 要 ］利 用 ＡＮＳ ＹＳ软 件 构 建 有 限 元 分 析 模 型 ， 合 断 裂 力 学 相 关 理 论 对 整 体 节 点 模 型 的 疲 劳 寿 命 进 行 结
估 算 ．以 为 此 基 础 ． 析 论 证 了 整 体 节 点 模 型 的 疲 劳 可 靠 性 ． 分
［ 键 词 ］整 体 节 点 ；疲 劳 寿 命 ；断 裂 力 学 ；有 限 元 法 ；可 靠 性 关 ［ 图 分 类 号 ］Ｔ １ 中 Ｕ３ ７ ［ 献 标识码 ］ 文 ：Ａ
将 式 （ ） 人式 （ ） 可得 ３代 ２，
Ｚ
—－ －－－－ －－－ｕ－ — －－ －－－—－ －－－－ －－－－－ ，－－ －－－－— －－－— －－－ｕ－ － －・－ －－－－－ －－－－ －－－－－－ ・ 一
●
（ ｙＡ ）
Ｎ ：
ｍ
／ 一 ２） （ ） ≠ ２； ， ； （ ４）
系数 ．
１ 计 算 原 理
疲 劳 设 计 的 断 裂 力 学 方 法 以 损 伤 容 限 原 理 作 为 设 计 基 础 ．断 裂 力 学 观 点 认 为 ： 料 不 可 避 免 地 存 材 在 缺 陷 ， 划 痕 、 纹 、 缝 等 ．用 断 裂 力 学 观 点 分 如 裂 焊
析 疲 劳 问题 最 重 要 的 是 宏 观 裂 纹 亚 Ｉ 界 扩 展 阶段 ， 临