CN102507896A - 用于铸钢节点内无明显缺陷的铸钢节点疲劳寿命估算方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于铸钢节点内无明显缺陷的铸钢节点疲劳寿命估算方法，其特征在于：该方法包括如下步骤：步骤1：确定所需材料的初步疲劳应力幅寿命曲线；计算铸钢节点危险点应力幅σ；步骤2：根据铸钢节点的尺寸和表面粗糙程度，计算修正因子K _σD ，对材料的初步疲劳应力幅寿命曲线进行修正；步骤3：根据铸钢节点危险点应力幅σ和修正后的疲劳应力幅寿命曲线，得到危险点的疲劳寿命N’；步骤4：将第3步计算得出的危险点的疲劳寿命N’除以安全系数n，即得到铸钢节点疲劳寿命的估算值N。本发明提供铸钢节点的疲劳寿命估算的数据和方法，为工程中的精确计算提供了依据，可推动铸钢节点的应用，改善结构的外观和受力。

Description

用于铸钢节点内无明显缺陷的铸钢节点疲劳寿命估算方法

技术领域

本发明提供一种土木工程结构中铸钢节点的疲劳寿命估算方法，也可用于其它领域中近似材料铸钢联结点的寿命估算。针对不带明显缺陷情况下的铸钢节点，对其疲劳寿命进行估算。对于节点中没有明显缺陷的，根据工程中常用铸钢材料的疲劳试验结果，给出了S-N曲线，根据S-N曲线可进行寿命估算。

背景技术

铸钢件是通过钢铁高温融化成铁水，浇注到提前做好的模具中，冷却后脱模而成，铸钢节点是铸钢件的一种表现形式，主要应用于土木工程领域中钢结构的联接点。铸钢节点采用铸造工艺浇注生产，由于工艺过程的复杂性，将不可避免地出现疏松、夹渣、气泡等铸造缺陷，在疲劳荷载作用下，这些初始铸造缺陷对铸钢节点的承载能力有着显著的影响。现有的无损检测手段可方便的对节点进行无损探伤，定点定量给出节点内的缺陷分布及尺寸，本发明按照探伤结果将铸钢节点分为带明显缺陷和不带明显缺陷两种情况，对其疲劳寿命进行估算。

对于没有明显缺陷的铸钢节点，可将其视为材质均匀的构件，采用S-N(疲劳应力幅寿命曲线)曲线法进行寿命估算。铸钢节点作为新型工程材料和结构型式，目前尚无其S-N曲线数据可供使用，本发明针对工程中常用的铸钢材料GS20Mn5V，对其进行了多组样本的材料疲劳试验，提供了S-N曲线的分布范围，提供了S-N曲线的上限、中值及下限。根据本发明提供的S-N曲线，可对没有明显缺陷的铸钢节点进行寿命估算。

发明内容

技术问题：本发明的目的是提供一种用于铸钢节点内无明显缺陷的铸钢节点疲劳寿命估算方法，由于铸钢节点由铸造工艺铸造而成，生产过程中难免会产生各种各样的铸造缺陷，因此本发明针对节点中没有明显缺陷的，根据材料S-N曲线进行寿命估算。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明能够提出了用于铸钢节点内无明显缺陷的铸钢节点疲劳寿命估算方法，该方法包括如下步骤：

步骤1：确定所需材料的初步疲劳应力幅寿命曲线；计算铸钢节点危险点应力幅σ；

步骤2：根据铸钢节点的尺寸和表面粗糙程度，计算修正因子K_σD，对材料的初步疲劳应力幅寿命曲线进行修正；

步骤3：根据铸钢节点危险点应力幅σ和修正后的疲劳应力幅寿命曲线，得到危险点的疲劳寿命N′；

步骤4：将第3步计算得出的危险点的疲劳寿命N′除以安全系数n，即得到铸钢节点疲劳寿命的估算值N。

优选的，在步骤1中，根据常用铸钢材料，通过实验得到疲劳应力幅寿命曲线的分布范围，其中对于常用铸钢材料的中低寿命区，即疲劳应力幅寿命曲线的斜线部分，表达式如下：

公式1

式中σ为应力幅；

σ_max为应力最大值；σ_min为应力最小值；N′为对应应力幅σ的铸钢材料的疲劳寿命；

疲劳极限σ-1值，即疲劳应力幅寿命曲线的水平部分为：上限值208.0MPa、中值201.3MPa、下限值187.2MPa；

疲劳极限是指危险点的疲劳寿命N′为无穷大时，对应的应力幅值。

优选的，步骤2中，疲劳应力幅寿命曲线的斜线部分，修正方法如下：

公式2

疲劳应力幅寿命曲线的水平部分，修正方法如下：

${\mathrm{\σ}}_{-1D}=\frac{{\mathrm{\σ}}_{-1}}{K_{\mathrm{\σD}}}$ 公式3

其中 $K_{\mathrm{\σD}}=\frac{K_{\mathrm{\σs}}}{\mathrm{\ϵ}{\mathrm{\β}}_1}$ 公式4

σ为应力幅，N′为对应应力幅σ的铸钢材料的疲劳寿命，σ_-1为修正前材料的疲劳极限；σ_-1D为修正后节点危险点的疲劳极限；K_σD为疲劳强度降低系数，表示应力集中、构件尺寸和表面加工方法对疲劳强度的影响；K_σs为粗糙表面的疲劳缺口系数；ε为尺寸系数，β₁为表面加工系数；相关系数的取值参考疲劳设计手册选取。

优选的，根据有限元计算或局部应力应变分析结果确定铸钢节点内危险点的应力最大值σ_max和应力最小值σ_min，再由铸钢节点内的应力幅σ，根据铸钢材料的疲劳寿命曲线算出节点内危险点的疲劳寿命N′；

根据铸钢节点安全储备的需要，选取疲劳应力幅寿命曲线下限进行铸钢节点的疲劳寿命估算或选取均值疲劳应力幅寿命曲线进行计算；最后除以寿命安全系数n，n根据铸钢节点的重要程度，按照相关规范选取，即为节点的疲劳寿命估算结果。

优选的，常用铸钢材料型号为GS20Mn5V。

有益效果：

铸钢节点外型美观，受力合理，其作为新型工程材料和工程结构型式，在土木工程中的应用越来越广，但目前其材料疲劳强度数据还没有，限制了其应用。本发明提供铸钢节点的疲劳寿命估算的数据和方法，为工程中的精确计算提供了依据，可推动铸钢节点的应用，改善结构的外观和受力。

附图说明

图1是工程中常用铸钢材料GS20Mn5V的S-N曲线图。

具体实施方式

下面将参照附图对本发明进行说明。

首先通过无损检测手段对铸钢节点进行无损探伤，然后按照探伤结果将铸钢节点分为带明显缺陷和不带明显缺陷两种情况，分别按下述步骤对其进行疲劳寿命估算。

用于铸钢节点内无明显缺陷的铸钢节点疲劳寿命估算方法，该方法包括如下步骤：

步骤1：确定所需材料的初步疲劳应力幅寿命曲线；计算铸钢节点危险点应力幅σ；

步骤2：根据铸钢节点的尺寸和表面粗糙程度，计算修正因子K_σD，对材料的初步疲劳应力幅寿命曲线进行修正；

步骤3：根据铸钢节点危险点应力幅σ和修正后的疲劳应力幅寿命曲线，得到危险点的疲劳寿命N′；

步骤4：将第3步计算得出的危险点的疲劳寿命N′除以安全系数n，即得到铸钢节点疲劳寿命的估算值N。

优选的，在步骤1中，根据常用铸钢材料，通过实验得到疲劳应力幅寿命曲线的分布范围，其中对于常用铸钢材料的中低寿命区，即疲劳应力幅寿命曲线的斜线部分，表达式如下：

公式1

式中σ为应力幅；

σ_max为应力最大值；σ_min为应力最小值；N′为对应应力幅σ的铸钢材料的疲劳寿命；

疲劳极限σ-1值，即疲劳应力幅寿命曲线的水平部分为：上限值208.0MPa、中值201.3MPa、下限值187.2MPa；

疲劳极限是指危险点的疲劳寿命N′为无穷大时，对应的应力幅值。

优选的，步骤2中，疲劳应力幅寿命曲线的斜线部分，修正方法如下：

公式2

疲劳应力幅寿命曲线的水平部分，修正方法如下：

${\mathrm{\σ}}_{-1D}=\frac{{\mathrm{\σ}}_{-1}}{K_{\mathrm{\σD}}}$ 公式3

其中 $K_{\mathrm{\σD}}=\frac{K_{\mathrm{\σs}}}{\mathrm{\ϵ}{\mathrm{\β}}_1}$ 公式4

σ为应力幅，N′为对应应力幅σ的铸钢材料的疲劳寿命，σ_-1为修正前材料的疲劳极限；σ_-1D为修正后节点危险点的疲劳极限；K_σD为疲劳强度降低系数，表示应力集中、构件尺寸和表面加工方法对疲劳强度的影响；K_σs为粗糙表面的疲劳缺口系数；ε为尺寸系数，β₁为表面加工系数；相关系数的取值参考疲劳设计手册选取。

优选的，根据有限元计算或局部应力应变分析结果确定铸钢节点内危险点的应力最大值σ_max和应力最小值σ_min，再由铸钢节点内的应力幅σ，根据铸钢材料的疲劳寿命曲线算出节点内危险点的疲劳寿命N′；

根据铸钢节点安全储备的需要，选取疲劳应力幅寿命曲线下限进行铸钢节点的疲劳寿命估算或选取均值疲劳应力幅寿命曲线进行计算；最后除以寿命安全系数n，n根据铸钢节点的重要程度，按照相关规范选取，即为节点的疲劳寿命估算结果。

优选的，常用铸钢材料型号为GS20Mn5V。

(一)铸钢节点内无明显缺陷

其计算步骤如下：

1、计算铸钢节点危险点应力幅σ；

2、根据安全储备的需要，从附图1或公式(1)中选取所需材料S-N曲线；

3、根据铸钢节点的尺寸和表面粗糙程度，计算修正因子K_σD，根据公式(2)对材料S-N曲线进行修正；

4、根据铸钢节点危险点应力幅σ和修正后的S-N曲线，计算危险点的疲劳寿命N；

5、将第4步计算得出的疲劳寿命N除以安全系数n，即可得到铸钢节点疲劳寿命的估算值。

无明显缺陷铸钢节点

本发明针对工程常用铸钢材料GS20Mn5V进行多样本材料疲劳试验，得到其应力幅寿命曲线(即S-N曲线)的分布范围，给出了S-N曲线的上限、下限及中值，如附图1所示。

其中中低寿命区，即S-N曲线的斜线部分，表达式如下：

式中N为铸钢材料的疲劳寿命，σ为应力幅：

疲劳极限σ_-1值，即S-N曲线的水平部分为：上限值208.0MPa、中值201.3MPa、下限值187.2MPa。

根据本发明给出的S-N曲线对铸钢节点进行寿命评估，需要根据铸钢节点的尺寸厚度和表面粗糙度对S-N曲线进行修正，

S-N曲线的斜线部分，修正表达式如下：

S-N曲线的水平部分，修正表达式如下：

${\mathrm{\σ}}_{-1D}=\frac{{\mathrm{\σ}}_{-1}}{K_{\mathrm{\σD}}}---\left(3\right)$

其中 $K_{\mathrm{\σD}}=\frac{K_{\mathrm{\σs}}}{\mathrm{\ϵ}{\mathrm{\β}}_1}---\left(4\right)$

σ_-1为修正前材料的疲劳极限；σ_-1D为修正后节点危险点的疲劳极限；K_σD为疲劳强度降低系数，表示应力集中、构件尺寸和表面加工方法对疲劳强度的影响；K_σs为粗糙表面的疲劳缺口系数；ε为尺寸系数，β₁为表面加工系数。相关系数的取值可参考目前的疲劳设计手册选取。

由计算得到铸钢节点内的应力幅σ(即S值)，即可根据S-N曲线算出疲劳寿命N。根据铸钢节点安全储备的需要，可选取较保守的S-N曲线下限进行铸钢节点的疲劳寿命估算，也可选取均值S-N曲线进行计算。最后除以寿命安全系数n，即为节点的疲劳寿命估算结果。

以上所述仅为本发明的较佳实施方式，本发明的保护范围并不以上述实施方式为限，但凡本领域普通技术人员根据本发明所揭示内容所作的等效修饰或变化，皆应纳入权利要求书中记载的保护范围内。

Claims (5)

1.一种用于铸钢节点内无明显缺陷的铸钢节点疲劳寿命估算方法，其特征在于：该方法包括如下步骤：

步骤1：确定所需材料的初步疲劳应力幅寿命曲线；计算铸钢节点危险点应力幅σ；

步骤2：根据铸钢节点的尺寸和表面粗糙程度，计算修正因子K_σD，对材料的初步疲劳应力幅寿命曲线进行修正；

步骤3：根据铸钢节点危险点应力幅σ和修正后的疲劳应力幅寿命曲线，得到危险点的疲劳寿命N′；

步骤4：将第3步计算得出的危险点的疲劳寿命N′除以安全系数n，即得到铸钢节点疲劳寿命的估算值N。

2.根据权利要求1所述的用于铸钢节点内无明显缺陷的铸钢节点疲劳寿命估算方法，其特征在于：在步骤1中，根据常用铸钢材料，通过实验得到疲劳应力幅寿命曲线的分布范围，其中对于常用铸钢材料的中低寿命区，即疲劳应力幅寿命曲线的斜线部分，表达式如下：

公式1

式中σ为应力幅；

σ_max为应力最大值；σ_min为应力最小值；N′为对应应力幅σ的铸钢材料的疲劳寿命；

疲劳极限σ-1值，即疲劳应力幅寿命曲线的水平部分为：上限值208.0MPa、中值201.3MPa、下限值187.2MPa；

疲劳极限是指危险点的疲劳寿命N′为无穷大时，对应的应力幅值。

3.根据权利要求2所述的用于铸钢节点内无明显缺陷的铸钢节点疲劳寿命估算方法，其特征在于：步骤2中，疲劳应力幅寿命曲线的斜线部分，修正方法如下：

公式2

疲劳应力幅寿命曲线的水平部分，修正方法如下：

${\mathrm{\σ}}_{-1D}=\frac{{\mathrm{\σ}}_{-1}}{K_{\mathrm{\σD}}}$ 公式3

其中 $K_{\mathrm{\σD}}=\frac{K_{\mathrm{\σs}}}{\mathrm{\ϵ}{\mathrm{\β}}_1}$ 公式4

σ为应力幅，N′为对应应力幅σ的铸钢材料的疲劳寿命，σ_-1为修正前材料的疲劳极限；σ_-1D为修正后节点危险点的疲劳极限；K_σD为疲劳强度降低系数，表示应力集中、构件尺寸和表面加工方法对疲劳强度的影响；K_σs为粗糙表面的疲劳缺口系数；ε为尺寸系数，β₁为表面加工系数；相关系数的取值参考疲劳设计手册选取。

4.据权利要求3所述的用于铸钢节点内无明显缺陷的铸钢节点疲劳寿命估算方法，其特征在于：根据有限元计算或局部应力应变分析结果确定铸钢节点内危险点的应力最大值σ_max和应力最小值σ_min，再由铸钢节点内的应力幅σ，根据铸钢材料的疲劳寿命曲线算出节点内危险点的疲劳寿命N′；

根据铸钢节点安全储备的需要，选取疲劳应力幅寿命曲线下限进行铸钢节点的疲劳寿命估算或选取均值疲劳应力幅寿命曲线进行计算；最后除以寿命安全系数n，n根据铸钢节点的重要程度，按照相关规范选取，即为节点的疲劳寿命估算结果。

5.根据权利要求2所述的用于铸钢节点内无明显缺陷的铸钢节点疲劳寿命估算方法，其特征在于：常用铸钢材料型号为GS20Mn5V。

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