用断裂力学法估算焊接钢结构的疲劳寿命_郭建生

临界裂纹尺寸 ac 为:
ac=
(
01
K
2 1c
89 R)
2
PU
11
0m
m
实际结 构中当 位置 2 的 裂纹 横向 扩展 到
110mm , 并穿透下翼 缘板时, 结构的实际承 载截面
形式就演变为图 4 的形式, 此时结构中的真实应力
应为:
R1=
W W1
R
( 1)
开裂前的截面抗弯模量为
W=
2I h
=
1195 @ 106mm3
缝质量达到探伤的 Ò 级标准时, 可假
定 ao= 2mm ac ) ) ) 裂纹扩展的临界尺寸 对于 ac 的确定, 有两条原则可循: ¹ 构件的净截面应力小于或等于材料的屈服极
限 Rs( 或者是强度极限 Rb) 。 º运用材料的平面应变断裂韧性 K 1c 值确定出
的 ac。为安全起见, 选取较小的 ac 值。
用断裂力学法估算 设计#计算 焊接钢结构的疲劳寿命
武汉交通科技大学港口机械工程系 郭建生 孙国正
摘要: 针对焊接钢结构的特点, 指出了传统疲劳寿命估算方法中的缺点, 并运用断裂力学的理论总结出估算焊 接钢结构疲劳寿命的计算步骤, 以实例说明该方 法的优越性和可操作性。
叙词: 钢结构 疲劳寿命 焊接 裂纹 断 裂力学
C, m ) ) ) 材料常 数, 在双对数坐标系中, m
为直线的斜率
) 10 )
图 2 角裂纹应力强度放大系数图 5 起重运输机械6 1999( 10)
3 实例
某桥式起重机的主梁截面为如图 3 所示的工字 形截面, 结构材料为 Q235- A, 焊缝质量为 超声波 探伤的 Ò 级标准, 在消除焊接残余应力后, 工作应力 为 11314 MP a, 非工作应力为 3312 MPa, 要计算该 结构的疲劳寿命。
以上方法运用于焊接钢结构时, 其弊端主要体
对承受随机载荷的焊接钢结构, 目前估算疲劳 现在以下几个方面:
寿命的主要方法是名义应力法和局部应力应变法,
( 1) 实际焊接钢结构中的初始缺陷, 无法定量
其估算步骤如下:
的计入后续计算过程。
( 1) 用雨流计数法统计应力( 局部应变) 时间历 程中包括的应力( 应变) 循环数, 拟合出其统计分布 规律。
断裂力学认为裂纹的扩展速率是应力强度因子 幅值 $K 的函数, 其与 $K 的关系是如图 1 所示的 一条 S 形曲线。该曲线可划分为三个区域:
Ñ 区 ) ) ) 不扩展区 这时结构材料中 $K [ $K th 。 $K th 称为疲劳裂 纹扩展的门槛值, 即当结构缺陷部位的应力强度因 子幅值低于该值时, 疲劳裂纹不会扩展, 此时的裂纹 为安全裂纹。
R))) 广义载荷值( 裂纹尖端附近区域的正
Hale Waihona Puke Baidu应力或剪应力)
针对具体的 情况, 可查 阅应 力强度 因子 手册 和文
献[ 2] 。裂纹尺寸由 ao 扩展到 ac 的疲劳寿命即为:
式中
N=
ao da
a c
C(
$K
)
m
ao ) ) ) 初始裂纹长度。对于焊接结构可用肉
眼观测或无损探伤技术检测确定。当
肉眼监测不出缺陷并且有资料确认焊
西北建筑工程学院 马志奇
摘要: 通过钢丝绳摩擦传动的受力分析, 得出不打滑状态下的 广义欧拉公 式和接触弧 内任一截 面上钢丝绳 张 力的分布规律, 提出了一种引入许用防滑角进行 钢丝绳摩擦传动防滑计算的新方法。
叙词: 钢丝绳 摩擦传动 防滑 计算方法
Abstract: T his paper analyzes the forces of wir e rope fr iction dr ive and derives the ex tensive Euler formula under nonslippage conditio n as w ell as indicates the distribution of the tension o n any section of w ire rope co ntact cur ve. On the basis, a new permissible ant-i slippage ang le based method for ant-i slippage calculation of w ire rope friction drive is put forw ar d.
Abstract: In view of the char acteristics of w elded steel structure, this paper indicates the disadv antages of traditional
methods for estimating its fatigue life, and co ncludes the calculation pr ocedures w ith new fracture mechanics method as
焊接钢结构由于生产制造过程的简易性和高效
( 3) 以 Miner 线性累积损伤理论, 综合各级载
性, 在机械、造船和建筑领域内, 已得到了广泛的应 用。但由于这类结构在焊接过程中不可避免地存在 如夹渣、气孔、咬边、未熔合和焊接裂纹等焊接缺陷, 易造成其疲劳寿命降低。在港口机械金属结构的故 障调查中发 现, 金属 结构 80% 的 故障属 于疲劳 开 裂。所以研究此类金属结构的疲劳开裂行为和剩余 疲劳寿命的估算, 具有重要的实际意义。
参考文献 1 徐振兴. 断裂力学. 湖南: 湘潭大学出版社. 2 吴清可主编. 防断裂设计. 北京: 机械工业出版社. 3 赵少汴编著. 抗疲劳设计. 北京: 机械工业出版社.
作 者: 郭建生 地 址: 武汉市武昌余家头 邮 编: 430063 收稿日期: 1998- 12-25
钢丝绳摩擦传动防滑计算的新方法
N=
110
da
2 416 @ 10- 13 @ ( 0189 @ 8012 @ Pa) 3
= 1131 @ 106
按照该机每年工作 300 天, 每天 16h, 一个工作循环 为 5m in, 那么一年的工作循环数为 5176 @ 104, 所以
其年限寿命为
Ny=
1131 @ 5176 @
106 104
w ell as the benifits and feasibility w hich are illustrated by an example1
Key words: Steel structur e F at igue life Welding Crack Fracture mechanics
5 起重运输机械6 1999( 10)
验修改完善设计; 大力宣传推广, 做到恰如其分实事 求是; 搞好服务跟踪, 虚心听取用户反馈意见。
作 者: 万 力 地 址: 北京市雍和宫大街 52 号 邮 编: 100007
) 9)
2 断裂力学方法
断裂力学是研究具有初始缺陷的材料和结构强 度的有力工具。它结合现代的无损探伤技术, 能够 克服传统研究方法中所表现出的弊端。如定量计入 初始缺陷对疲劳寿命的影响, 以裂纹的尺寸大小和 裂纹的扩展速率作为结构损伤大小的判据, 来判定 剩余寿命和巡检周期等。
计算结果表明, 结构中无穿透性裂纹的寿命是
14 年, 因为在该寿命期内结构的宏观状态与设计的
要求基本相同, 故称其为正常使用寿命。而在翼缘
板出现穿透性裂纹后, 结构的宏观状态就逐渐偏离
设计的要求, 则称该阶段的寿命为结构伤残期寿命
( 即裂纹扩展到某一特定尺寸后, 在结构断裂之前结
构的剩余寿命) 。由此得出, 结构的伤残期寿命与正
1 传统疲劳寿命估算方法的缺陷
荷造成的总损伤值
D=
s
E
i= 1
n N
i i
。
( 4) 以总损伤值 D 为产生裂纹的准则, 计算裂
纹的形成寿命。
运用该方法对多种港口机械金属结构的疲劳寿
命进行估算, 结果与实际情况相差较大。究其原因, 一是基础的数据积累不够; 一是焊接钢结构的特殊
性无法在该方法中得到体现。
( 2) 按照 一定的载荷谱和 相应的疲劳寿 命曲 线, 计算各级载荷的损伤值 ni / N i 。
( 2)
以
D=
s
E
i= 1
ni Ni
来度量
机械
结构
的损伤,
无法
检测。
( 3) 无法合理地定出结构的剩余疲劳寿命和机 械结构的巡检周期, 不能满足现代机械设备动态管
理的要求。
重机技术创造一个广阔的空间, 尽快把科技成果转 化为生产力, 建议在今后起重机技术及产品发展时 要做到: 加强预测分析, 做好技术经济合理定位; 认 真进行设计, 重视新成 果的成功采用; 严格制 作样 机, 认真总结制造工艺经验; 及时试验定型, 根据试
Ó 区 ) ) ) 快速扩展区 该区中裂纹扩展速率极快, 常常不计算其寿命 值。应力强度因子是度量裂纹尖端附近区域应力场
强弱的物理量。按照裂纹的扩展形式( 张开型、滑移 型和撕 开型) , 应 力强 度因 子也 相应 的分 为 K Ñ 、 K Ò 、K Ó 。其一般计算式为:
K = FR Pa
式中 F ) ) ) 形状修正系数。图 2 为角裂纹时应力 强度因子的放大曲线
K
=
11 4
Ro Pa E( k)
b a
( sin2
H+
ba22cos2
H)
1 4
= 0189Ro Pa
式中的 E ( k ) 为二类完全椭圆积分, 查表得 E ( k ) =
P/ 2。所以,
$K = 0189 $R Pa= 178192> $K th
该结构中的初始缺陷会产生裂纹扩展, 必须进
行裂纹扩展速率的验算。取 K 1c = 1873176, 计算出
图 1 对数坐标中 da/ dN 与 $K 的关系
Ò 区 ) ) ) 条纹扩展区 处于该 区中 的裂 纹扩 展速 率满 足著 名 的
PARIS 公式, 即
da dN
=
C(
$K ) m
式中 a ) ) ) 裂纹的长度
N ) ) ) 载荷的循环次数
$K ) ) ) 应力强度因子幅值
$K = K max - K m in
R) ) ) 工作应力, 取 R= 11314MP a
将以上参数代入式( 1) 中, 开裂后的最大应力值( 结
构的实际承载应力) 为:
R1=
W W1
R=
1 4917 M Pa<
Rs
所以取临界裂纹尺寸为 110mm。而其裂纹的扩展
寿命为:
N=
ao da a C ( $K ) m
( 2)
c
其中, C = 416 @ 10- 13, 代入式( 2) 中得
图 4 裂纹扩展后截面示意图
开裂后的截面抗弯模量为
W 1=
I1 5 40-
e
式中 h ) ) ) 高度
e ) ) ) 新的形心位置, e= 23715mm
I ) ) ) 开裂 后 的截 面 惯 性矩, I = 41468 @
108mm4
I 1 ) ) ) 开裂前 的截面惯 性矩, I 1 = 51367 @ 108mm4
图 3 起重机主梁截面示意图
在该结构中, 位置 1、2、3 都是可能产生裂纹的 部位, 其中位置 2 在出现裂纹后, 裂纹的扩展对结构 的承载能力影响最大, 因此假定该部位的初始裂纹 ao= 2m m, 缺陷形状为圆形( b/ a= 1) , 沿 90b方向扩
展, 那么按图 2 推出的该处应力强度因子 K 的计算 公式为
U23( 年)
在位置 2 处的裂纹扩展并穿透翼缘板的时间可确定
为:
5 起重运输机械6 1999( 10)
) 11 )
Q N =
10
da
2 416 @ 10- 13 @ ( 0189 @ 8012 @
Pa ) 3
= 81365 @ 105
Ny=
81365 @ 105 5176 @ 104
U14( 年)
( 3) 结构处于伤残期服役时, 应定期检测裂纹 的长度, 以保证结构的安全性、可靠性。
综上所述, 利用断裂力学法求解焊接结构的疲 劳寿命问题, 比传统的疲劳分析方法更合理, 可操作 性更强。该方法的推广还需要作一定的实验研究和 实际积累, 如低碳钢材料断裂力学特征常数的准确 获得、等效初始裂纹长度与初始缺陷的关系等。可 以预见, 断裂力学方法将是解决焊接结构疲劳寿命 的一种有效途径。
常使用期寿命的关系约为 1 Ø 2。
4 结论
( 1) 利用该方法计算出的穿透性裂纹出现的时 间与实际情况中发现结构的开裂时间基本相同; 实 际裂纹的扩展速度比计算的裂纹扩展速率略大。
( 2) 结论( 1) 说明, 利用断裂力学法不仅可以计 算结构的剩余疲劳寿命, 而且对于具有初始缺陷的
焊接结构也可以计算宏观裂纹出现前的疲劳寿命, 需作的工作就是依据初始缺陷的大小合理定出等效 初始裂纹的长度。