动力荷载作用下杆系钢结构节点疲劳裂纹扩展断裂破坏的分析方法
合集下载
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
E-m ai:l qw lian@ sina. com
引言
杆系钢结构 ( 包括高耸钢塔架、空间钢网架、铁路 钢桁架桥梁等 )是一种应用广泛的工程钢结构。在杆
基金项目: 国家自然科学基金重点项目 ( 50830203) 作者简介: 瞿伟廉, 硕士, 教授 收稿日期: 2010-08-13
系钢结构中受力 最复杂的是其节点区域。由于在杆 系钢结构的节点区域众杆件 汇交于各种形式的节点 板, 因此节点区的构 造复杂, 且处于空 间复杂受力状 态。更重要的是它多数为 焊接节点。由于在焊接过 程中不可避免地会产生焊接缺陷, 因此这会大大地降 低节点区域的疲劳性能。节点区在长期动力荷载 ( 地 震、风力、列车行走 ) 的作用下, 常常会出现疲劳裂纹, 并扩展至断裂, 甚至引起结构的 倒塌破坏。为此, 研
w 纹, 我们可以采用 ANSYS有限元软件来计算其应力强
1. 2. 4 疲劳裂纹尖端应力强度因子的计算 应力强度因子的有 限元数值计算 可以由奇异单
本文在提出杆系钢结构节点子结构动应力响应的多尺度计算方法的前提下运用断裂力学方法详细介绍在多轴应力状态下已具有初始裂纹的节点子结构裂纹模型的建立应力强度因子幅的求解疲劳裂纹扩展断裂的计算方法最后通过一个工程实例的仿真分析说明了本方法的可行性
第 43卷第 12期 2 0 1 0年 12月
土木工程学报
CH INA C IV IL ENG INEER ING JOURNAL
cause brittle fracture o f the joints and even lead to the co llapse o f the structures. H ence, in order to prevent the fatigue
楷 o failure of a steel lattice structure, it is mi portant to pred ict the fatigue crack propagation at its critical jo in ts accurately. e Th is paper presents a com putat ional m ethod for the fat igue crack propagat ion and fracture at the jo in ts of the stee l lattice O structures. A m ult-i scale m ethod for ana lyzing the stress of steel lattice structures is estab lished and a so lid e lem ent E m m ode l of the comm ercial finite elem ent software package ANSYS is used in th is paper to m odel three dim ensional cracked a structures at firs.t Secondly, a rea-l tim e m ethod for com put ing the stress intensity facto r of the fatigue crack propagat ion M .c is proposed. Based on th is m ethod, the g rouped stress intensity factor ranges o f the critical jo in ts w ith fatigue cracks
结构裂纹模型 的建立, 应力强度因子 幅的求解, 疲劳
楷 o 裂纹扩展断裂的计算方法, 最后通过一个工程实例的 e 仿真分析说明了本方法的可行性。 EO m 1 理论与方法 M .ca 1. 1 杆系钢结构节点子结构动应力多尺度分析
1. 1. 1 节点子结构动应力场多尺度分析方法的原理
A 进行杆系钢结构整体结构的精细有限元动力分析 C w (包括得到所有节点区域的动应力场结果 )将是十分复 w 杂, 且计算工作量是十分巨大的。为了克服这个困难, w 我们采用多尺度的分析方法。即先建立整体结构尺度
中图分类号: TG 405 文献标识码: A 文章编号: 1000-131X ( 2010) 12-0078-09
E案 n Analysis m ethod of fatigue crack propagation and fracture at joints A .c of steel lattice structures under dynam ic loads
的研究主要集中在两个方面: 裂纹尖端应力强度因
子的求解; 疲劳裂纹的扩展和寿命评估。他们对含 初始裂纹的规则构件, 如平板的疲劳裂纹的扩展问题
库
研究得比较系统和深入, 而对杆系钢结构具有初始裂 纹的节点区疲劳裂纹的扩展以及疲劳寿命的受的循环荷载大多 为多轴非比例 循环荷载, 应力强度因 子如何计算, 疲
E m K =
af ( a, W )
( 1)
a 式中: 为正应力; a 为裂纹长度; f( a, W ) 为几何修
M .c 正系数, 其反映构件和裂纹几何尺寸对裂尖应力场的
影响。
A 对于规格的含裂纹板构件, 三种不同受力类型裂
C w 纹的应力强度因子分别表示为 K 、K 、K , 可以由式
w ( 1)直接得到, 而对于不规则的杆系钢结构节点的裂
1. 1. 2 整体结构和节点子结构的边界条件协调 由于图 1和图 2所示的节点子结构为无约束结构
系统, 无法进行节点 子结构的有限元分析, 因此必须 对其增加约束条件, 才能够进行节点子结构动应力分 析 [ 7] 。考虑到节点子结构上所有的杆 件内力边界条 件和节点上的动力荷载原已 组成了一个力的自平衡 体系, 因此如何保证增加约束的节点子结构与原结构 的计算结果 一致, 成了 多尺 度分析 方法 的关 键。对 此, 我们采用增加约束后的节点子结构的应力场和使 约束产生实际的节点位移引 起的节点子结构应力场 的迭加来解决此问题。显然, 迭加后的节点子结构的
V o .l 43 Dec.
N o. 12 2 01 0
动力荷载作用下杆系钢结构节点疲劳裂纹 扩展断裂破坏的分析方法
瞿伟廉 何钟山 刘 嘉
(武汉理工大学, 湖北武汉 430070)
摘要: 基于 AN SY S有限元计算软件, 提出杆系钢结构节点疲劳裂纹扩展断裂破坏的分析方 法。首先介绍 杆系钢结 构节点子结构的多尺度有限元计算方法的 原理和 含三维裂 纹节点 子结构 的有限 元建模 方法。其次 提出疲 劳裂纹 扩展实时应力强度因子的计算方法及通过对节 点子结 构荷载 边界条 件采用 分组的 方式计算 出多轴 非比例 加载情
在结构构件的裂纹中, 由于所 受作用力的不 同, 裂纹的扩展可以分为三种类型, 详见图 4所示:
201 0 年
库
图 4 裂 纹扩展的三种类型
例 F ig. 4 T he th ree m odes of load ing that can be app lied to a crack
E案 n 由于杆系钢结构节点承受的 荷载为多轴非 比例 A .c 荷载, 裂纹同时受到正应力和剪应力 的作用, 所 以裂
under the mu lt-i ax ia l non-proportiona l load ing are calcu lated and the crack propagat ion life of the joints is estim ated by
CA w the P aris law. F inally, a simu lating analysis for a steel truss raiwl ay bridge, is carried out to show the fatigue crack
第 43卷 第 12期 瞿伟廉等 动力荷载作用下杆系钢结构节 点疲劳裂纹扩展断裂破坏的分析方法
79
究它的疲劳裂纹扩展以及相应的疲劳寿命的计 算方 法, 对于保证杆系钢结构的安全是十分必要的 [ 1-2 ] 。
此, 依据圣维南原理, 这样处理的节点 子结构的荷载 边界条件, 其所引起的误差可以忽略。
图。当对所有与节点区相联的杆件在中间截面截断,
那么以整体结构有限元分析所得的杆件在此截 面的
动内力按受弯平截面假设, 可均匀分配到截面的有限 单元节点上。由于杆件中间截面离节点区足够远, 因
图 3 边界条件 F ig. 3 B oundary cond ition
80
土木工程学报
1. 2 疲劳裂纹尖端应力强度因子的有限元计算 1. 2. 1 裂纹扩展类型
Qu W eilian H e Zhongshan L iu J ia
C g (W uhan Un iversity of techno logy, W uhan 430070, China) r Abstract: S teel latt ice structures are popular in the construction eng ineering. It is known that under the long- term 模 .o dynam ic loads, fa tigue cracksm ay occur in the w e lded jo ints, in particu lar in the jo ints w ith w e ld ing defects, wh ich m ay
的杆件单元的有限元模型, 进行整体结构的有限元分 应力场即为原结构的应力场, 详见图 3所示。
析, 得到整体结构各杆件的动内力。然后依据已得到的
与节点相联结的所有杆件的动内力, 建立节点子结构尺
度的精确有限元模型和力学边界条件, 再进行节点区的
精细有限元分析, 得到节点区的动应力场。
图 1和图 2 为两种杆系钢结构节点子结构的详
propagat ion process of the jo ints and to predict the fat igue life of the ra ilw ay bridge.
w K eyword s: steel latt ice structures; jo in;t crack propagation; stress intensity factor; m ultiax ial non-proportional loading; w fatigue life
库 况下的应力强度因子幅的方法。再次通过 Pa ris裂纹扩展公 式完成裂纹 扩展的疲 劳寿命计算。 最后通过一 个铁路
钢桁架桥工程实例的详细分析, 得到其节点区疲劳裂纹扩展的全过程, 并对此桥的疲 劳寿命进行预测。
例 关键词: 杆系钢结构; 节点; 裂纹扩展; 应力强度因子; 多轴非比例加载; 疲劳寿命
案 劳裂纹扩展以及疲劳寿命如何计算, 这些都需要作进 E n 一步的探讨和研究。因此, 采用合适的方法来研究杆 A .c 系钢结构节点的疲劳裂纹扩展以及相应的疲劳 寿命
计算方法, 对于保证杆系钢结构的安全具有现实意义。
C g 本文在提出杆系钢结构节点 子结构动应力 响应 r 的多尺度计算 方法的前提下, 运用断 裂力学方法, 详 模 .o 细介绍在多轴应力状态下, 已具有初始裂纹的节点子
尖裂纹的扩展是这三种基本形式的组合。
C g 1. 2. 2 应力强度因子的概念 r 裂纹的扩展是从裂纹尖端开始的, 依据线弹性力 模 .o 学的分析可知, 裂纹尖端的应力将趋 于无穷大, 这说
明应力在裂纹尖端具有奇异性, 因此无法用应力的大
楷 o 小来描述裂纹尖端的应力场。应力强度因子则 用来 e 描述裂纹尖端应力场的强度。断裂力学研究表明, 对 O 于有限尺寸的构件, 应力强度因子可以表示为:
国际国内对具有初始裂纹的 焊接构件的疲 劳裂
纹断裂破坏问题进行了大量研究 [ 3-6 ] 。早期的研究多
数为理论加试验, 只能通过半经验的理论公式来进行
疲劳分析。随着计算机技术和有限元理论的发展, 大
型有限元商业软件的出现, 才使裂纹扩展仿真成为可
能, 这为含裂纹结构疲劳问题的研究提供强有力的计
算手段。从目前的研究现状来看, 疲劳裂纹断裂破坏
引言
杆系钢结构 ( 包括高耸钢塔架、空间钢网架、铁路 钢桁架桥梁等 )是一种应用广泛的工程钢结构。在杆
基金项目: 国家自然科学基金重点项目 ( 50830203) 作者简介: 瞿伟廉, 硕士, 教授 收稿日期: 2010-08-13
系钢结构中受力 最复杂的是其节点区域。由于在杆 系钢结构的节点区域众杆件 汇交于各种形式的节点 板, 因此节点区的构 造复杂, 且处于空 间复杂受力状 态。更重要的是它多数为 焊接节点。由于在焊接过 程中不可避免地会产生焊接缺陷, 因此这会大大地降 低节点区域的疲劳性能。节点区在长期动力荷载 ( 地 震、风力、列车行走 ) 的作用下, 常常会出现疲劳裂纹, 并扩展至断裂, 甚至引起结构的 倒塌破坏。为此, 研
w 纹, 我们可以采用 ANSYS有限元软件来计算其应力强
1. 2. 4 疲劳裂纹尖端应力强度因子的计算 应力强度因子的有 限元数值计算 可以由奇异单
本文在提出杆系钢结构节点子结构动应力响应的多尺度计算方法的前提下运用断裂力学方法详细介绍在多轴应力状态下已具有初始裂纹的节点子结构裂纹模型的建立应力强度因子幅的求解疲劳裂纹扩展断裂的计算方法最后通过一个工程实例的仿真分析说明了本方法的可行性
第 43卷第 12期 2 0 1 0年 12月
土木工程学报
CH INA C IV IL ENG INEER ING JOURNAL
cause brittle fracture o f the joints and even lead to the co llapse o f the structures. H ence, in order to prevent the fatigue
楷 o failure of a steel lattice structure, it is mi portant to pred ict the fatigue crack propagation at its critical jo in ts accurately. e Th is paper presents a com putat ional m ethod for the fat igue crack propagat ion and fracture at the jo in ts of the stee l lattice O structures. A m ult-i scale m ethod for ana lyzing the stress of steel lattice structures is estab lished and a so lid e lem ent E m m ode l of the comm ercial finite elem ent software package ANSYS is used in th is paper to m odel three dim ensional cracked a structures at firs.t Secondly, a rea-l tim e m ethod for com put ing the stress intensity facto r of the fatigue crack propagat ion M .c is proposed. Based on th is m ethod, the g rouped stress intensity factor ranges o f the critical jo in ts w ith fatigue cracks
结构裂纹模型 的建立, 应力强度因子 幅的求解, 疲劳
楷 o 裂纹扩展断裂的计算方法, 最后通过一个工程实例的 e 仿真分析说明了本方法的可行性。 EO m 1 理论与方法 M .ca 1. 1 杆系钢结构节点子结构动应力多尺度分析
1. 1. 1 节点子结构动应力场多尺度分析方法的原理
A 进行杆系钢结构整体结构的精细有限元动力分析 C w (包括得到所有节点区域的动应力场结果 )将是十分复 w 杂, 且计算工作量是十分巨大的。为了克服这个困难, w 我们采用多尺度的分析方法。即先建立整体结构尺度
中图分类号: TG 405 文献标识码: A 文章编号: 1000-131X ( 2010) 12-0078-09
E案 n Analysis m ethod of fatigue crack propagation and fracture at joints A .c of steel lattice structures under dynam ic loads
的研究主要集中在两个方面: 裂纹尖端应力强度因
子的求解; 疲劳裂纹的扩展和寿命评估。他们对含 初始裂纹的规则构件, 如平板的疲劳裂纹的扩展问题
库
研究得比较系统和深入, 而对杆系钢结构具有初始裂 纹的节点区疲劳裂纹的扩展以及疲劳寿命的受的循环荷载大多 为多轴非比例 循环荷载, 应力强度因 子如何计算, 疲
E m K =
af ( a, W )
( 1)
a 式中: 为正应力; a 为裂纹长度; f( a, W ) 为几何修
M .c 正系数, 其反映构件和裂纹几何尺寸对裂尖应力场的
影响。
A 对于规格的含裂纹板构件, 三种不同受力类型裂
C w 纹的应力强度因子分别表示为 K 、K 、K , 可以由式
w ( 1)直接得到, 而对于不规则的杆系钢结构节点的裂
1. 1. 2 整体结构和节点子结构的边界条件协调 由于图 1和图 2所示的节点子结构为无约束结构
系统, 无法进行节点 子结构的有限元分析, 因此必须 对其增加约束条件, 才能够进行节点子结构动应力分 析 [ 7] 。考虑到节点子结构上所有的杆 件内力边界条 件和节点上的动力荷载原已 组成了一个力的自平衡 体系, 因此如何保证增加约束的节点子结构与原结构 的计算结果 一致, 成了 多尺 度分析 方法 的关 键。对 此, 我们采用增加约束后的节点子结构的应力场和使 约束产生实际的节点位移引 起的节点子结构应力场 的迭加来解决此问题。显然, 迭加后的节点子结构的
V o .l 43 Dec.
N o. 12 2 01 0
动力荷载作用下杆系钢结构节点疲劳裂纹 扩展断裂破坏的分析方法
瞿伟廉 何钟山 刘 嘉
(武汉理工大学, 湖北武汉 430070)
摘要: 基于 AN SY S有限元计算软件, 提出杆系钢结构节点疲劳裂纹扩展断裂破坏的分析方 法。首先介绍 杆系钢结 构节点子结构的多尺度有限元计算方法的 原理和 含三维裂 纹节点 子结构 的有限 元建模 方法。其次 提出疲 劳裂纹 扩展实时应力强度因子的计算方法及通过对节 点子结 构荷载 边界条 件采用 分组的 方式计算 出多轴 非比例 加载情
在结构构件的裂纹中, 由于所 受作用力的不 同, 裂纹的扩展可以分为三种类型, 详见图 4所示:
201 0 年
库
图 4 裂 纹扩展的三种类型
例 F ig. 4 T he th ree m odes of load ing that can be app lied to a crack
E案 n 由于杆系钢结构节点承受的 荷载为多轴非 比例 A .c 荷载, 裂纹同时受到正应力和剪应力 的作用, 所 以裂
under the mu lt-i ax ia l non-proportiona l load ing are calcu lated and the crack propagat ion life of the joints is estim ated by
CA w the P aris law. F inally, a simu lating analysis for a steel truss raiwl ay bridge, is carried out to show the fatigue crack
第 43卷 第 12期 瞿伟廉等 动力荷载作用下杆系钢结构节 点疲劳裂纹扩展断裂破坏的分析方法
79
究它的疲劳裂纹扩展以及相应的疲劳寿命的计 算方 法, 对于保证杆系钢结构的安全是十分必要的 [ 1-2 ] 。
此, 依据圣维南原理, 这样处理的节点 子结构的荷载 边界条件, 其所引起的误差可以忽略。
图。当对所有与节点区相联的杆件在中间截面截断,
那么以整体结构有限元分析所得的杆件在此截 面的
动内力按受弯平截面假设, 可均匀分配到截面的有限 单元节点上。由于杆件中间截面离节点区足够远, 因
图 3 边界条件 F ig. 3 B oundary cond ition
80
土木工程学报
1. 2 疲劳裂纹尖端应力强度因子的有限元计算 1. 2. 1 裂纹扩展类型
Qu W eilian H e Zhongshan L iu J ia
C g (W uhan Un iversity of techno logy, W uhan 430070, China) r Abstract: S teel latt ice structures are popular in the construction eng ineering. It is known that under the long- term 模 .o dynam ic loads, fa tigue cracksm ay occur in the w e lded jo ints, in particu lar in the jo ints w ith w e ld ing defects, wh ich m ay
的杆件单元的有限元模型, 进行整体结构的有限元分 应力场即为原结构的应力场, 详见图 3所示。
析, 得到整体结构各杆件的动内力。然后依据已得到的
与节点相联结的所有杆件的动内力, 建立节点子结构尺
度的精确有限元模型和力学边界条件, 再进行节点区的
精细有限元分析, 得到节点区的动应力场。
图 1和图 2 为两种杆系钢结构节点子结构的详
propagat ion process of the jo ints and to predict the fat igue life of the ra ilw ay bridge.
w K eyword s: steel latt ice structures; jo in;t crack propagation; stress intensity factor; m ultiax ial non-proportional loading; w fatigue life
库 况下的应力强度因子幅的方法。再次通过 Pa ris裂纹扩展公 式完成裂纹 扩展的疲 劳寿命计算。 最后通过一 个铁路
钢桁架桥工程实例的详细分析, 得到其节点区疲劳裂纹扩展的全过程, 并对此桥的疲 劳寿命进行预测。
例 关键词: 杆系钢结构; 节点; 裂纹扩展; 应力强度因子; 多轴非比例加载; 疲劳寿命
案 劳裂纹扩展以及疲劳寿命如何计算, 这些都需要作进 E n 一步的探讨和研究。因此, 采用合适的方法来研究杆 A .c 系钢结构节点的疲劳裂纹扩展以及相应的疲劳 寿命
计算方法, 对于保证杆系钢结构的安全具有现实意义。
C g 本文在提出杆系钢结构节点 子结构动应力 响应 r 的多尺度计算 方法的前提下, 运用断 裂力学方法, 详 模 .o 细介绍在多轴应力状态下, 已具有初始裂纹的节点子
尖裂纹的扩展是这三种基本形式的组合。
C g 1. 2. 2 应力强度因子的概念 r 裂纹的扩展是从裂纹尖端开始的, 依据线弹性力 模 .o 学的分析可知, 裂纹尖端的应力将趋 于无穷大, 这说
明应力在裂纹尖端具有奇异性, 因此无法用应力的大
楷 o 小来描述裂纹尖端的应力场。应力强度因子则 用来 e 描述裂纹尖端应力场的强度。断裂力学研究表明, 对 O 于有限尺寸的构件, 应力强度因子可以表示为:
国际国内对具有初始裂纹的 焊接构件的疲 劳裂
纹断裂破坏问题进行了大量研究 [ 3-6 ] 。早期的研究多
数为理论加试验, 只能通过半经验的理论公式来进行
疲劳分析。随着计算机技术和有限元理论的发展, 大
型有限元商业软件的出现, 才使裂纹扩展仿真成为可
能, 这为含裂纹结构疲劳问题的研究提供强有力的计
算手段。从目前的研究现状来看, 疲劳裂纹断裂破坏