結構疲勞分析的方法和應用

2017-02-27  by:CAE仿真在線  來源:互聯網

1)擾動應力;

2)足夠多的循環。如過不具備這兩個條件,設計過程中就沒有必要考慮結構的疲勞問題。

目前,對結構進行疲勞分析主要有兩種途徑:

1)利用有限元分析軟件直接對結構進行疲勞分析,最終求得結構的疲勞壽命;

2)根據不同的疲勞工況,利用有限元軟件分析計算出結構應力的變化,然后將其與利用規范計算出的許用疲勞應力相比較,看是否滿足要求。對于前者,最為關鍵的是定義輸入載荷譜或應力譜,而當結構的工況相對較為復雜時,載荷譜或應力譜的定義過程就相當于后者的前期處理過程;同時,客戶一般會在協議中指定結構設計計算時必須參考的標準規范,所以為了更好地滿足客戶的需求,建議結構疲勞計算時采用后者的方法。根據標準規范對結構進行疲勞分析時一般包括以下五個方面:

結構所承受的載荷可以分為三種:

1)基本載荷,主要指設備在正常工作情況下通常出現的載荷(如結構自重、物料載荷、永久性動載等);

2)附加載荷,主要指設備運行或停止時可能斷續出現的載荷(如設備工作風載、摩擦阻力、運行阻力、非永久性動載等);

3)特殊載荷,是指在設備工作和非工作狀態時不應產生,但又無法避免的載荷(如非工作風載、結構碰撞、地震載荷等)。疲勞計算時只需考慮基本載荷,而且對于物料載荷或其它的基本載荷,有的標準規范中還規定了疲勞計算時載荷的縮小系數。

同一結構,所考慮的疲勞載荷不同時,其循環次數也不盡相同,這主要是因為不同的疲勞載荷產生的原因是不同的。例如,對于堆取料機來說,考慮物料載荷的擾動影響時是指傳送皮帶上物料的有無,而考慮永久性動載的擾動影響時則是指設備在工作過程中的正常啟、制動,即便是同一結構的同一載荷,針對不同的工作工藝流程,其循環次數也是不同的。所以,設備的工作工藝流程是不同載荷循環次數計算的決定性因素。當載荷的循環次數確定后,首先應該判斷其對結構的循環擾動作用是否足夠多,當循環次數N≤103(104)(低周疲勞)時,無需對結構進行疲勞校核。

工程中的鋼結構多為焊接結構,構件的疲勞強度除取決于結構使用的材料外,還與接頭的形狀和制造方法密切相關。被連接件的形狀和連接方法會影響到應力集中的形成,從而使構件的疲勞強度大為降低。不同的標準規范在經過大量試驗的前提下,給出了針對不同的焊接接頭形式的構件疲勞強度(圖1,為AS4100-1998標準中所列舉的針對載荷循環次數為2×106構件的焊接形式及其許用應力幅值,左邊的數字便為其疲勞強度值,單位為MPa)。因此,如何根據結構的實際焊接形式恰當地對照標準中的焊接類型來確定結構具體部分的疲勞強度值,也需要一定經驗的積累。

圖1 構件不同焊接形式的疲勞強度

結構按不同計算工況用有限軟件計算完畢后,在后處理中可以選擇的應力有很多種,究竟以哪種應力作為疲勞強度校核時的參考應力很值得探討。在美國鋼結構設計規范中明確提出,對于整個應力范圍內全部承受壓應力的結構,無需考慮結構的疲勞強度,因為這種情況下裂紋不會擴展出焊縫殘余拉應力以外的范圍。由此,應力的取值應該區分出正負值,所以原則上來說,針對不同的結構部位,只有主應力才能夠嚴格地區分出結構局部承受的應力是拉應力還是壓應力。按板殼單元計算結構的應力時,還有點的應力應該取值于板的頂面、中位面還是底面的問題。由于板殼的同一點在同一工況下當其在頂面上表現拉應力時,而底面上則可能表現為壓應力,所以對于同一點,校核其疲勞強度時,該點的最大應力及最小應力值的取面應該保持一致。

就目前不同的設計標準規范來說,疲勞計算常用方法可分為兩種:1)應力比法,一般無較大殘余應力的結構,如已消除殘余應力的焊接結構或用螺栓、鉚釘等連接的非焊接結構適合用應力比法確定其疲勞特性(目前采用應力比法的有GB3811、ISO5049、FEM,DIN,BS等規范)。2)應力幅法,對有較大焊接殘余應力、較多焊接初始缺陷的焊接結構, 應力幅法比應力比法更能反映其疲勞的實際狀態(目前采用應力幅法的有GB50017、AS、AISC等規范)。

由二者的名稱,明顯可以看出其區別所在,應力比法疲勞強度確定的關鍵是結構某點最小主應力與最大主應力的比值,而應力幅法疲勞強度確定的關鍵是結構某點最大主應力與最小主應力的差值。采用應力比法確定結構疲勞強度具有代表性的標準是FEM起重機設計規范和ISO5049移動式連續散料搬運設備鋼結構設計規范;而采用應力幅法確定其疲勞強度具有代表性的標準是AS4100-1998和GB50017-2003鋼結構設計規范。

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