結(jié)構(gòu)疲勞試驗(yàn)_蘇試海測(cè)

結(jié)構(gòu)疲勞試驗(yàn)_蘇試海測(cè)

結(jié)構(gòu)疲勞是指在交變載荷作用下結(jié)構(gòu)中裂紋的形成過(guò)程。

疲勞和斷裂往往結(jié)合在一起，不能截然分開(kāi)，斷裂主要指裂紋的擴(kuò)散過(guò)程。疲勞研究包括疲勞分析和疲勞試驗(yàn)兩個(gè)方面，主要內(nèi)容是，交變載荷作用下結(jié)構(gòu)中裂紋形成、擴(kuò)展的規(guī)律，帶裂紋結(jié)構(gòu)的殘余強(qiáng)度，估計(jì)結(jié)構(gòu)壽命和設(shè)計(jì)延長(zhǎng)壽命的方法。開(kāi)創(chuàng)疲勞研究的是德國(guó)的A.沃勒，他在19世紀(jì)五六十年代早得到表征疲勞性能的S-N曲線，并提出疲勞極限的概念。

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行疲勞分析時(shí)，一般包括以下五個(gè)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：

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、久性動(dòng)載等);

附加載荷，主要指設(shè)備運(yùn)行或停止時(shí)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(yùn)行阻力、非久性動(dòng)載等);

特殊載荷，是指在設(shè)備工作和非工作狀態(tài)時(shí)不應(yīng)產(chǎn)生，但又無(wú)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(jì)算時(shí)只需考慮基本載荷，而且對(duì)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(jì)算時(shí)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(shí)，其循環(huán)次數(shù)也不盡相同，這主要是因?yàn)椴煌钠谳d荷產(chǎn)生的原因是不同的。例如，對(duì)于堆取料機(jī)來(lái)說(shuō)，考慮物料載荷的擾動(dòng)影響時(shí)是指?jìng)魉推衔锪系挠袩o(wú);而考慮久性動(dòng)載的擾動(dòng)影響時(shí)則是指設(shè)備在工作過(guò)程中的正常啟、制動(dòng)，即便是同一結(jié)構(gòu)的同一載荷，針對(duì)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(jì)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(duì)結(jié)構(gòu)的循環(huán)擾動(dòng)作用是否足夠多，當(dāng)循環(huán)次數(shù)N≤103(104)(低周疲勞)時(shí)，無(wú)需對(duì)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(qiáng)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(huì)影響到應(yīng)力集中的形成，從而使構(gòu)件的疲勞強(qiáng)度大為降低。不同的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范在經(jīng)過(guò)大量試驗(yàn)的前提下，給出了針對(duì)不同的焊接接頭形式的構(gòu)件疲勞強(qiáng)度(如圖1，為AS4100-1998標(biāo)準(zhǔn)中所列舉的針對(duì)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(qiáng)度值，單位為MPa)。因此，如何根據(jù)結(jié)構(gòu)的實(shí)際焊接形式恰當(dāng)?shù)貙?duì)照標(biāo)準(zhǔn)中的焊接類(lèi)型來(lái)確定結(jié)構(gòu)具體部分的疲勞強(qiáng)度值，也需要一定經(jīng)驗(yàn)的積累。

圖1 構(gòu)件不同焊接形式的疲勞強(qiáng)度

4、有限元計(jì)算時(shí)應(yīng)力的取值

結(jié)構(gòu)按不同計(jì)算工況用有限軟件計(jì)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(qiáng)度校核時(shí)的參考應(yīng)力很值得探討。在美國(guó)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范中明確提出，對(duì)于整個(gè)應(yīng)力范圍內(nèi)全部承受壓應(yīng)力的結(jié)構(gòu)，無(wú)需考慮結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度，因?yàn)檫@種情況下裂紋不會(huì)擴(kuò)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(lái)說(shuō)，針對(duì)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(jì)算結(jié)構(gòu)的應(yīng)力時(shí)，還有點(diǎn)的應(yīng)力應(yīng)該取值于板的頂面、中位面還是底面的問(wèn)題。由于板殼的同一點(diǎn)在同一工況下當(dāng)其在頂面上表現(xiàn)拉應(yīng)力時(shí)，而底面上則可能表現(xiàn)為壓應(yīng)力，所以對(duì)于同一點(diǎn)，校核其疲勞強(qiáng)度時(shí)，該點(diǎn)的大應(yīng)力及小應(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(jì)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范來(lái)說(shuō)，疲勞計(jì)算常用方法可分為兩種：

應(yīng)力比法，一般無(wú)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)。

應(yīng)力幅法，對(duì)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(shí)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(chēng)，可以明顯看出其區(qū)別所在，應(yīng)力比法疲勞強(qiáng)度確定的關(guān)鍵是結(jié)構(gòu)某點(diǎn)小主應(yīng)力與大主應(yīng)力的比值;而應(yīng)力幅法疲勞強(qiáng)度確定的關(guān)鍵是結(jié)構(gòu)某點(diǎn)大主應(yīng)力與小主應(yīng)力的差值。采用應(yīng)力比法確定結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度具有代表性的標(biāo)準(zhǔn)是FEM起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范和ISO5049移動(dòng)式連續(xù)散料搬運(yùn)設(shè)備鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范;而采用應(yīng)力幅法確定其疲勞強(qiáng)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(jì)規(guī)范。

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