CN107103121B - 考虑焊接残余应力的钢桥构造细节s-n曲线的确定方法 - Google Patents

考虑焊接残余应力的钢桥构造细节s-n曲线的确定方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种考虑焊接残余应力的钢桥构造细节S‑N曲线的确定方法，包括以下步骤：采用热‑结构耦合分析方法，获得钢桥构造细节的焊接残余应力；运用Goodman公式，考虑平均应力对结构疲劳强度的影响，推导考虑焊接残余应力的材料S‑N曲线修正公式；根据考虑焊接残余应力的材料S‑N曲线，计算不同应力水平疲劳荷载下构造细节焊趾处的疲劳寿命，建立构造细节名义应力和焊趾处疲劳寿命的对应关系，获得考虑焊接残余应力的钢桥构造细节S‑N曲线。本发明考虑了焊接残余应力具体值对钢桥构造细节疲劳特性的影响，使钢桥的抗疲劳设计更安全，也避免了耗费大量人力、物力和财力的传统足尺或缩尺疲劳模型试验。

Description

考虑焊接残余应力的钢桥构造细节S-N曲线的确定方法
技术领域
本发明属于交通运输业桥涵工程技术领域，具体是涉及一种考虑焊接残余应力的钢桥构造细节S-N曲线的确定方法。
背景技术
钢桥在焊接施工时由于焊接过程的不均匀加热和冷却，不可避免的会产生焊接残余应力，它们存在，往往是形成焊接裂纹重要因素，将显著降低结构的强度、疲劳寿命。然而现行规范中给出的一些典型构造细节的名义应力S-N曲线，都没有考虑焊接残余应力的具体值，由于实际结构的焊接材料、焊接工艺、结构尺寸等和规范中的试验构件存在很大差异，使得这些S-N曲线在应用中与实际情况也有很大的不一致性，因而不能对结构做出准确的疲劳寿命评估。
近年来，随着钢桥跨度的增大以及焊接技术的成熟，新型结构形式在钢桥应用中也越来越多。对于这些新型构造细节，往往需要通过足尺或缩尺模型的疲劳试验来验证其抗疲劳性能，耗费了大量的人力、物力和财力。因此有必要提出一种基于理论推导和有限元仿真分析的考虑焊接残余应力的钢桥构造细节S-N曲线确定方法，来评估钢桥构造细节的疲劳性能。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种考虑焊接残余应力的钢桥构造细节S-N曲线的确定方法，它可明确钢桥焊接细节的疲劳性能。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种考虑焊接残余应力的钢桥构造细节S-N曲线的确定方法，该方法包括以下步骤：
S1、获得钢桥构造细节的焊接残余应力σres；
S2、获得考虑焊接残余应力的材料S-N曲线修正公式：
S201、选取材料的S-N曲线：lgN+mlgσ＝C (1)，式中，N为疲劳次数，σ为疲劳强度，m、C为与材料有关的常数；
S202、考虑步骤S1中焊接残余应力σres对疲劳强度的影响：
Figure GDA0002168360710000011
(2)，式中，
Figure GDA0002168360710000021
为考虑焊接残余应力的疲劳强度，
Figure GDA0002168360710000022
为不考虑焊接残余应力的疲劳强度，σu为材料极限抗拉强度；
S203、获得考虑焊接残余应力的材料S-N曲线修正公式：选取低周疲劳阶段的(500，σ500)作为S-N曲线的拐点，σ500为材料S-N曲线中疲劳次数为500时对应的疲劳强度，通过公式(2)获得考虑焊接残余应力的1×107次对应的疲劳强度
Figure GDA0002168360710000023
Figure GDA0002168360710000024
为材
料S-N曲线中疲劳次数为1x107时对应的疲劳强度，并将(1×107，
Figure GDA0002168360710000025
)作为S-N曲线的另一拐点，(500，σ500)和(1×107，
Figure GDA0002168360710000026
)两个拐点需满足新的曲线，
lg500+m'lgσ500＝C' (3)
Figure GDA0002168360710000027
由公式(3)和(4)推导出
Figure GDA0002168360710000028
Figure GDA0002168360710000029
得到考虑焊接残余应力的材料S-N曲线修正公式：
Figure GDA00021683607100000210
S3、根据考虑焊接残余应力的材料S-N曲线，计算不同应力水平疲劳荷载下构造细节焊趾处的疲劳寿命，建立构造细节名义应力和焊趾处疲劳寿命的对应关系，获得考虑焊接残余应力的钢桥构造细节S-N曲线。
按上述技术方案，步骤S1具体包括以下步骤：建立焊接构造细节有限元模型，对焊接过程进行数值模拟，计算出合理的焊接温度场，然后将热分析单元转换为结构分析单元，引入高温条件下钢材的力学性能参数及其边界条件，调用温度场计算结果，分析得到构造细节焊接残余应力场分布。
按上述技术方案，步骤S3具体包括以下步骤：建立构造细节有限元模型，通过对构造细节施加不同应力水平的一组轴向疲劳荷载Fi，提取不同荷载水平下最危险点的应力，并通过考虑焊接残余应力的S-N曲线，获得对应的构造细节名义应力σi和焊趾处结构的疲劳寿命Ni，采用最小二乘法获得考虑焊接残余应力的钢桥构造细节S-N曲线。
本发明具有以下有益效果：由于现行规范中给出的一些典型构造细节的名义应力S-N曲线，都没有考虑焊接残余应力的具体值，由于实际结构的焊接材料、焊接工艺、结构尺寸等和规范中的试验构件存在很大差异，使得这些S-N曲线在应用中与实际情况也有很大的不一致性；同时，对于新型构造细节的抗疲劳性能，需要通过耗费大量的人力、物力和财力的足尺或缩尺模型的疲劳试验来验证，因此，本发明提出的考虑焊接残余应力的钢桥构造细节S-N曲线确定方法，能够考虑焊接残余应力的具体值，明确钢桥焊接构造细节的疲劳性能，使钢桥的抗疲劳设计更安全，方便简捷，也避免了需耗费大量人力、物力和财力的传统足尺或缩尺疲劳模型试验，缩短了试验周期。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1为某钢桥直角过渡过焊孔构造细节示意图。
图2为某钢桥过焊孔构造细节有限元图。
图3为某钢桥过焊孔构造细节温度场图。
图4为某钢桥过焊孔构造细节焊接残余应力分布图。
图5为某钢桥考虑焊接残余应力的过焊孔构造细节疲劳计算结果图。
图6为本发明实施例的流程图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
在本发明的较佳实施例中，如图6所示，一种考虑焊接残余应力的钢桥构造细节S-N曲线的确定方法，包括以下步骤：
S1、获得钢桥构造细节的焊接残余应力σres；
S2、获得考虑焊接残余应力的材料S-N曲线修正公式：
S201、选取材料的S-N曲线：lgN+mlgσ＝C (1)，式中，N为疲劳次数，σ为疲劳强度，m、C为与材料有关的常数；
S202、具体运用Goodman公式，考虑步骤S1中焊接残余应力σres对疲劳强度的影响：
Figure GDA0002168360710000041
式中，
Figure GDA0002168360710000042
为考虑焊接残余应力的疲劳强度，
Figure GDA0002168360710000043
为不考虑焊接残余应力的疲劳强度，σu为材料极限抗拉强度；
S203、获得考虑焊接残余应力的材料S-N曲线修正公式：选取低周疲劳阶段的(500，σ500)作为S-N曲线的拐点，σ500为材料S-N曲线中疲劳次数为500时对应的疲劳强度，通过公式(2)获得考虑焊接残余应力的1×107次对应的疲劳强度
Figure GDA0002168360710000044
Figure GDA0002168360710000045
为材料S-N曲线中疲劳次数为1x107时对应的疲劳强度，并将(1×107，
Figure GDA0002168360710000046
)作为S-N曲线的另一拐点，(500，σ500)和(1×107，
Figure GDA0002168360710000047
)两个拐点需满足新的曲线，
lg500+m'lgσ500＝C' (3)
Figure GDA0002168360710000048
由公式(3)和(4)推导出
Figure GDA0002168360710000049
Figure GDA00021683607100000410
得到考虑焊接残余应力的材料S-N曲线修正公式：
Figure GDA00021683607100000411
S3、考虑焊接残余应力的钢桥构造细节S-N曲线的拟合：根据考虑焊接残余应力的材料S-N曲线，计算不同应力水平疲劳荷载下构造细节焊趾处的疲劳寿命，建立构造细节名义应力和焊趾处疲劳寿命的对应关系，获得考虑焊接残余应力的钢桥构造细节S-N曲线。
在本发明的优选实施例中，步骤S1具体包括以下步骤：建立焊接构造细节有限元模型，对焊接过程进行数值模拟，计算出合理的焊接温度场，然后将热分析单元转换为结构分析单元，引入高温条件下钢材的力学性能参数及其边界条件，调用温度场计算结果，分析得到构造细节焊接残余应力场分布。
在本发明的优选实施例中，步骤S3具体包括以下步骤：建立构造细节有限元模型，通过对构造细节施加不同应力水平的一组轴向疲劳荷载Fi，提取不同荷载水平下最危险点的应力，并通过考虑焊接残余应力的S-N曲线，获得对应的构造细节名义应力σi和焊趾处结构的疲劳寿命Ni，针对该组(σi，Ni)数据，采用最小二乘法获得考虑焊接残余应力的钢桥构造细节S-N曲线。通过有限元软件分析，可以降低成本和难度。
本发明主要包括以下步骤：S1、建立焊接构造细节有限元模型，对焊接过程进行数值模拟，采用热-结构耦合分析方法，得到焊接残余应力场分布；S2、基于钢材的S-N曲线，运用Goodman公式，考虑平均应力对结构疲劳强度的影响，推导考虑焊接残余应力的材料S-N曲线修正公式；S3、采用Workbench疲劳分析软件，建立构造细节有限元模型，输入考虑焊接残余应力的S-N曲线，通过对构造细节施加不同应力水平的一组轴向疲劳荷载Fi，获得对应的构造细节名义应力σi和焊趾处结构的疲劳寿命Ni，采用最小二乘法获得考虑焊接残余应力的钢桥构造细节S-N曲线。
如图1所示，本发明应用于某钢桥位于盖板对接焊缝与竖板对接焊缝相交处的过焊孔构造细节，该过焊孔采用直角过渡，几何尺寸为：20mm直线段+R50mm圆弧段，本发明包括以下步骤：
1)采用ANSYS软件中热分析单元SOLID70单元，建立直角过渡过焊孔构造细节有限元模型，如图2所示；
2)对焊接过程进行数值模拟，计算出过焊孔构造细节合理的焊接温度场，如图3所示；
！**************非线性分析求解选项设置********************
/solu
antype,trans
trnopt,full
NROPT,FULL,,On
AUTOTS,on
tunif,20
！**************施加对流荷载********************
allsel
ASEL,s,,,22,25
ASEL,a,,,1,4
ASEL,a,,,38,49
ASEL,a,,,32,
ASEL,a,,,29,
ASEL,a,,,20,
ASEL,a,,,7,
ASEL,a,,,13,
ASEL,a,,,15,19
sfa,all,1,conv,30,20
ALLSEL,ALL
！**************杀死焊缝单元********************
VSEL,ALL
VSEL,S,,,1,3
VSEL,A,,,5
VSEL,A,,,8,9
VSEL,A,,,13,14
ESEL,ALL
ESLV,S
EPLOT
EKILL,ALL
ALLSEL,ALL
！**************激活第一条焊缝，进行热分析********************time,on
*DO,I,1,80,1
TIME,0.5*I
AUTOTS,1
DELTIM,0.25,0.25,0.25
KBC,0
VSEL,ALL
VSEL,S,,,4
VSEL,A,,,5
ESEL,ALL
ESLV,S
NSEL,ALL
NSLV,S,1
NPLOT
nsel,r,loc,z,L/80*(i-1),L/80*i
BF,ALL,HGEN,HGENUM
ESLN,s,1
EALIVE,ALL
ALLSEL,ALL
SOLVE
BFDELE,ALL,HGEN
*ENDDO
！**************冷却过程********************
time,60
AUTOTS,1
NSUBST,20,20,20
KBC,0
TSRES,ERASE
solve
time,460
AUTOTS,1
NSUBST,40,40,40
KBC,0
TSRES,ERASE
solve
time,2460
AUTOTS,1
NSUBST,20,20,20
KBC,0
TSRES,ERASE
Solve
！**************激活第二条、第三条焊缝，进行热分析********************
…….
3)将热分析单元转换为结构分析单元，引入高温条件下钢材的力学性能参数，及其边界条件，调用温度场计算结果，分析得到焊接构造细节的残余应力场分布，如图4所示；
/PREP7
ETCHG,TTS！单元转换为结构单元
！**************施加位移边界条件********************
DA,23,all,
DA,40,ux,
DA,43,ux,
DA,43,uy,
！**************非线性分析求解选项设置********************
/solu
ANTYPE,4
TRNOPT,FULL
LUMPM,0
NLGEOM,1
！定义热应力计算参考温度
TREF,20,
！**************杀死焊缝单元********************
VSEL,ALL
VSEL,S,,,4
VSEL,A,,,5
ESEL,ALL
ESLV,S
EPLOT
EKILL,ALL
ALLSEL,ALL
！**************应力分析********************
*DO,I,1,80,1
VSEL,S,,,4
VSEL,A,,,5
ESEL,ALL
ESLV,S
NSEL,ALL
NSLV,S,1
NPLOT
nsel,r,loc,z,L/80*(i-1),L/80*i
ESLN,s,1
EALIVE,ALL
ALLSEL,ALL
LDREAD,TEMP,,,0.5*I,,'exercise','rth',”！读入热分析的计算结果OUTRES,ALL,ALL,
time,0.5*i
DELTIM,0.25,0.1,0.5
SOLVE
*ENDDO
！**************冷却过程********************
*do,i,1,20
time,40+i
LDREAD,TEMP,,,40+i,,'exercise','rth'
deltim,1,1,1,1
solve
*enddo
*do,i,1,40
time,60+10*i
LDREAD,TEMP,,,60+10*i,,'exercise','rth'
deltim,10,10,10,1
solve
*enddo
*do,i,1,20
time,460+100*i
LDREAD,TEMP,,,460+100*i,,'exercise','rth'
deltim,100,100,100,1
solve
*enddo
过焊孔处竖板与盖板对接焊缝焊址处焊接残余应力最大，由于焊接残余应力的多轴性的分布特点，取等效的Von-Mises应力为应力计算值，为266MPa；
4)选取Q345qD钢材在轴向拉压荷载下的具有99％存活率下的S-N曲线：
lgN＝27.650-9.543lgσ
获得N＝500次时，材料的疲劳强度σ500＝411.71MPa；
5)考虑焊接残余应力的1×107次对应的疲劳强度
Figure GDA0002168360710000091
Figure GDA0002168360710000092
6)将(500，σ500)和(1×107，
Figure GDA0002168360710000093
)作为S-N曲线的两拐点，得到考虑焊接残余应力的材料S-N曲线修正公式：
Figure GDA0002168360710000094
即：lgN+5.58lgσ＝17.29；
7)采用Workbench疲劳分析软件，建立构造细节有限元模型，输入考虑焊接残余应力的S-N曲线；
8)通过对构造细节施加不同应力水平的一组轴向疲劳荷载Fi，获得对应的构造细节名义应力σi和焊趾处结构的疲劳寿命Ni，如图5和表1所示；
表1构造细节疲劳计算结果
Figure GDA0002168360710000101
9)采用最小二乘法获得直角过渡过焊孔构造细节的S-N曲线为：lgN+4.84lgσ＝15.58，
200万次对应的构造细节疲劳强度为：
Figure GDA0002168360710000102

Claims (3)

1.一种考虑焊接残余应力的钢桥构造细节S-N曲线的确定方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
S1、获得钢桥构造细节的焊接残余应力σres；
S2、获得考虑焊接残余应力的材料S-N曲线修正公式：
S201、选取材料的S-N曲线：lgN+mlgσ＝C (1)，式中，N为疲劳次数，σ为疲劳强度，m、C为与材料有关的常数；
S202、考虑步骤S1中焊接残余应力σres对疲劳强度的影响：
Figure FDA0002168360700000011
Figure FDA00021683607000000110
式中，
Figure FDA0002168360700000012
为考虑焊接残余应力的疲劳强度，
Figure FDA0002168360700000013
为不考虑焊接残余应力的疲劳强度，σu为材料极限抗拉强度；
S203、获得考虑焊接残余应力的材料S-N曲线修正公式：选取低周疲劳阶段的(500，σ500)作为S-N曲线的拐点，σ500为材料S-N曲线中疲劳次数为500时对应的疲劳强度，通过公式(2)获得考虑焊接残余应力的1×107次对应的疲劳强度
Figure FDA0002168360700000014
Figure FDA00021683607000000111
为材料S-N曲线中疲劳次数为1x107时对应的疲劳强度，并将
Figure FDA0002168360700000015
作为S-N曲线的另一拐点，(500，σ500)和
Figure FDA0002168360700000016
两个拐点需满足新的曲线，
lg500+m'lgσ500＝C' (3)
Figure FDA00021683607000000112
由公式(3)和(4)推导出
Figure FDA0002168360700000017
Figure FDA0002168360700000018
得到考虑焊接残余应力的材料S-N曲线修正公式：
Figure FDA0002168360700000019
S3、根据考虑焊接残余应力的材料S-N曲线，计算不同应力水平疲劳荷载下构造细节焊趾处的疲劳寿命，建立构造细节名义应力和焊趾处疲劳寿命的对应关系，获得考虑焊接残余应力的钢桥构造细节S-N曲线。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S1具体包括以下步骤：建立焊接构造细节有限元模型，对焊接过程进行数值模拟，计算出合理的焊接温度场，然后将热分析单元转换为结构分析单元，引入高温条件下钢材的力学性能参数及其边界条件，调用温度场计算结果，分析得到构造细节焊接残余应力场分布。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S3具体包括以下步骤：建立构造细节有限元模型，通过对构造细节施加不同应力水平的一组轴向疲劳荷载Fi，提取不同荷载水平下最危险点的应力，并通过考虑焊接残余应力的S-N曲线，获得对应的构造细节名义应力σi和焊趾处结构的疲劳寿命Ni，采用最小二乘法获得考虑焊接残余应力的钢桥构造细节S-N曲线。
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CN105628373A (zh) * 2016-03-21 2016-06-01 金陵科技学院 一种焊接钢结构的疲劳损伤计算方法

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