CN101344461A

CN101344461A - 一种应力幅法疲劳强度预测方法

Info

Publication number: CN101344461A
Application number: CNA2008100434698A
Authority: CN
Inventors: 杨勇生; 刘涛伟
Original assignee: Shanghai Maritime University
Current assignee: Shanghai Maritime University
Priority date: 2008-06-11
Filing date: 2008-06-11
Publication date: 2009-01-14

Abstract

本发明公开了一种应力幅法疲劳强度预测方法，该方法主要包括常幅应力幅疲劳强度预测方法和变幅应力幅疲劳强度预测方法；所述常幅应力幅疲劳强度预测方法通过基于公式(1)和公式(2)的模块实现；所述变幅应力幅疲劳强度预测方法通过预测结构在使用寿命期间各种载荷的频率分布应力幅水平以及频次分布总和所构成的设计应力谱，并将其折算为等效常幅疲劳，且通过基于[□σ]＝[□ρ_c]/k_p ^1/β算法的模块实现。本发明只要明确钢结构的利用等级、构件和连接类型，通过规范查找载荷谱系数等参数，就可以直接预测某一工作级别下的许用应力幅，便于起重设备设计人员应用。

Description

一种应力幅法疲劳强度预测方法

技术领域：

本发明涉及一种应力幅法疲劳强度的计算方法，特别涉及一种只要明确钢结构的利用等级、构件和连接类型，通过规范查找载荷谱系数等参数，就可以直接预测某一工作级别下的许用应力幅法疲劳强度预测方法。

背景技术：

目前应用较多的疲劳计算方法有最大应力法、应力比法和应力幅法。

疲劳破坏现象表明，构件在交变应力作用下发生失效，具有以下特征：1、破坏时的名义应力远小于材料在静载荷下的强度指标；2、构件在一定量的交变作用力下发生破坏有一个过程，既需要进行一定数量的应力循环；3、构件在破坏前没有明显的塑性变形，即使再好的塑性材料也会呈现脆性破坏；4、构件在同一破坏断面，明显划分成光亮区域与颗粒状的粗糙区域。

结构在循环交变应力作用下的疲劳强度取决于结构的工作级别、材料种类、结构件(或连接)的应力集中情况、最大应力值和交变应力的循环特性等。大量的实验证明：焊接结构由于焊接残余应力的存在，裂缝产生部位的实际应力状态与名义应力产生很大差别，由外载荷引起的应力和高额的残余内应力迭加，不仅改变了实际应力的大小，而且改变了焊缝及其附近区域应力的拉压性质，因而影响焊接结构疲劳强度的不再是最大应力和应力比，而受控于该处的应力最大值和最小值之差(即应力幅)，以及接头构造，材料强度的不同对于大多数焊接连接类别的疲劳强度并无显著差别。研究表明：结构疲劳强度取决于结构工作级别(应力谱和应力循环次数)、构件连接类别和应力幅值。

国际上许多国家的钢结构设计规范和起重机规范也相继将应力幅法作为焊接结构疲劳强度设计的依据，如欧洲钢结构协会ECCS-TC6，英国BS5400和BS7608，原西德桥规DV804，瑞典焊接结构规范，日本钢结构协会疲劳设计指南和日本起重机设计规范JIS B 8821等。我国2003年颁布实施的钢结构设计规范GB50017-2003也完全采用了应力幅法进行疲劳强度核算。

算例：低架桥结构在交变应力作用下工作，根据岸桥的工作级别推断低架桥的工作级别在A8级，并在使用年限内总的应力循环次数达到百万次以上。由于疲劳破坏时应力远小于静载下的材料屈服强度或强度极限，因而屈服强度或极限强度已不能作为交变应力下的强度指标，所以除了以上的静应力计算外，还要进行必要的疲劳计算。

发明内容：

本发明针对现有技术中所存在的缺陷，而提供一种只要明确钢结构的利用等级、构件和连接类型，通过规范查找载荷谱系数等参数，就可以直接预测某一工作级别下的许用应力幅法疲劳强度预测方法。

为了达到上述目的，本发明提供的一种应力幅法疲劳强度预测方法，其主要包括常幅应力幅疲劳强度预测方法和变幅应力幅疲劳强度预测方法；

所述常幅应力幅疲劳强度预测方法通过能够实现公式(1)和公式(2)的模块得到，

式中：

——焊接部位应力幅，有：

对于非焊接部位为折算应力幅：

其中：σ_max——计算部位每次应力循环中最大应力；

σ_min——计算部位每次应力循环中最小应力。

——常幅疲劳容许应力幅(N/mm²)，

其中：n——应力循环次数，可从钢结构设计规范中选用，

c、β——依据构件和连接类型可根据钢结构设计规范选用；

所述变幅应力幅疲劳强度预测方法通过预测结构在使用寿命期间各种载荷的频率分布应力幅水平以及频次分布总和所构成的设计应力谱，并将其折算为等效常幅疲劳，且通过基于

算法的模块实现。

根据上述技术方案得到的本发明只要明确钢结构的利用等级、构件和连接类型，通过规范查找载荷谱系数等参数，就可以直接预测某一工作级别下的许用应力幅，便于起重设备设计人员应用。

附图说明：

以下结合附图和具体实施方式来进一步说明本发明。

图1为起重机利用登记表。

图2为构件和连接类别参数表。

图3为起重机工作级别的划分表。

具体实施方式：

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。

应力幅法包括常幅应力幅和变幅应力幅两种，首先，对于常幅(应力循环内的应力幅保持常量)疲劳计算公式推导，据文献公式为：

式中：——焊接部位应力幅，有：

对于非焊接部位为折算应力幅：

其中：σ_max——计算部位每次应力循环中最大应力；

σ_min——计算部位每次应力循环中最小应力。

——常幅疲劳容许应力幅(N/mm²)，据钢结构设计规范公式为：

其中：n——应力循环次数，可从钢结构设计规范中选用；

结构的疲劳寿命分为有限疲劳和无限疲劳两种，在此保守计算，按照无限疲劳极限计算低架桥疲劳寿命，根据钢结构设计规范取利用等级为U7级(如图1所示)，总循环次数选择2×10⁶。

c、β——依据构件和连接类型可根据钢结构设计规范选用，此处算例选取第三类应用于计算，即c＝3.26×10¹²、β＝3(如图2所示)。

因此，常幅疲劳容许应力幅

即选定工作级别和联机类别后，结构的固有属性无限疲劳寿命设计应力幅为117.69MPa。

对于变幅(应力循环内的应力幅随机变化)疲劳，若能预测结构在使用寿命期间各种载荷的频率分布应力幅水平以及频次分布总和所构成的设计应力谱，则可将其折算为等效常幅疲劳，按钢结构设计规范公式进行计算：

式中：

——变幅疲劳的等效应力幅，据钢结构设计规范公式为：

将公式(4)进一步推导：

其中：∑n_i——以应力循环次数表示的结构预期使用寿命；

n_i——预期寿命内应力幅水平达到的应力循环次数。

式中的

即为起重机设计规范中的载荷谱系数k_p，

即：

其中：∑n_i——起重机设计规范k_p公式中的N；

β——起重机设计规范k_p公式中的指数m＝3；

p_i——第i个起升载荷；

p_max——最大起升载荷；

故：

将(7)代入(3)中，

将(8)变换，

公式(9)即为构件在变幅应力下的疲劳寿命须满足的应力幅条件。

低架桥桁架梁变幅疲劳算例，根据低架桥符合A8级工作等级，从起重机设计规范起重机工作级别划分中选取k_p，如图3所示。

选取k_p＝0.5

将ANSYS计算结果中的σ_max＝207.19MPa、σ_min＝62.63MPa代入：

Aσ_c＝σ_max-σ_min＝144.56MPa

将许用常应力幅折算成了许用变应力幅，

可以看出ANSYS计算结果和变应力幅满足公式(5)的疲劳寿命要求。

即低架桥机构满足A8级工作级别的变幅疲劳强度准则

换言之，低架桥结构达到A8级利用等级，并满足一定的构件和连接类型，同时要达到循环次数2×10⁶次，其最大应力幅不能超过148.2MPa。

按照应力循环次数为2×10⁶次，以每小时卸箱40只，每天工作12小时，每年按365天计算，低架桥的允许寿命可达11.42年。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims

1、一种应力幅法疲劳强度预测方法，其特征在于，该方法主要包括常幅应力幅疲劳强度预测方法和变幅应力幅疲劳强度预测方法；

所述常幅应力幅疲劳强度预测方法通过基于公式(1)和公式(2)的模块实现；

所述变幅应力幅疲劳强度预测方法通过预测结构在使用寿命期间各种载荷的频率分布应力幅水平以及频次分布总和所构成的设计应力谱，并将其折算为等效常幅疲劳，且通过基于[□σ]＝[□σ_c]/k_p ^1/β算法的模块实现。

2、根据权利要求1所述的一种应力幅法疲劳强度预测方法，其特征在于，所述公式(1)和(2)为

□σ≤[□σ_c] (1)

式中：□σ——焊接部位应力幅，有：□σ＝σ_max-σ_min，

对于非焊接部位为折算应力幅：□σ＝σ_max-0.7σ_min，

其中：σ_max——计算部位每次应力循环中最大应力；

σ_min——计算部位每次应力循环中最小应力。

[□σ_c]——常幅疲劳容许应力幅(N/mm²)，

[□σ_c]＝(c/n)^1/β (2)

其中：n——应力循环次数，可从钢结构设计规范中选用，

c、β——依据构件和连接类型可根据钢结构设计规范选用。