基于主S-N曲线法的典型钢桥焊接节点疲劳寿命评估--《兰州理工大学》2014年硕士论文
基于主S-N曲线法的典型钢桥焊接节点疲劳寿命评估
【摘要】：钢桥由于长期受到交通荷载和环境因素的综合作用,承受大量不同应力幅值的应力循环,容易导致疲劳损伤和破坏,而焊接节点的疲劳破坏是钢桥断裂失效的主要原因之一。因此,及时准确地进行钢桥焊接节点疲劳寿命评估尤为重要。
名义应力法是最简单和最常用的钢桥焊接构件疲劳评估方法,普遍存在于各国及协会的钢桥疲劳设计规范,如我国钢结构设计规范GB50017、英国规范BS5400、欧洲规范Eurocode3.美国国家公路与运输协会(AASHTO)标准、国际焊接学会(ⅡW)标准等。然而,限于疲劳试验数据的有限性,现有规范难以涵盖所有焊接类型,导致疲劳寿命评估过程具有一定的主观性。此外,由于名义应力法没有考虑焊接构件的应力集中效应,评估结果往往过于保守。研究者又提出了表面外推的热点应力法,热点应力法考虑了焊接部位的应力集中,减少了选择S-N曲线的难度,从而提高了焊接构件的疲劳寿命评估精度。但是,大量的研究表明,在焊接构件的有限元应力分析过程中,基于表面外推确定的结构热点应力表现出较大的网格敏感性。基于上述考虑,Dong根据基本的力学原理,结合热点应力法,并考虑应力沿焊接构件厚度方向分布特点,提出了一种网格不敏感的结构应力确定方法。基于网格不敏感的结构应力计算方法和断裂力学理论,发展了主S-N曲线疲劳模型,并已成功应用于海洋平台管道、压力容器等结构的焊接节点疲劳寿命评估。主S-N曲线法综合考虑了应力集中、构件厚度、荷载模式等的综合作用,所有钢结构焊接构件都适用于同一条主S-N曲线,有效解决了焊接构件疲劳寿命评估现存的结构热点应力确定随机性和S-N曲线选择受限性的问题。
本文基于主S-N曲线法,利用有限元分析软件ANSYS,通过有限元分析及相应的后处理,对典型的钢桥焊接构件进行疲劳寿命评估,对主S-N曲线法在钢桥典型焊接构件疲劳寿命评估中的适用性、单元类型选择、单元尺寸的划分、焊缝的模拟方法、计算精度等进行了比较分析研究。对在规范中分类不同、长度分别为200mm和60mn的纵向角接节点疲劳寿命评估过程中,着重研究了同一主S-N曲线对分类不同的两个焊接节点的适用性,以及实体单元和壳单元两种单元类型对疲劳评估结果的影响。利用主S-N曲线法对带有开口肋的正交异性钢桥面板焊接节点进行疲劳寿命评估时,对采用不同焊缝模拟方法的模型均划分四种单元尺寸，研究重点在于不同的单元尺寸以及不同焊缝的模拟方法对疲劳评估结果的影响。
研究结果表明,结构应力的计算具有很好的网格不敏感性,后续的疲劳寿命评估结果也具有较稳定的结果；同一条主S-N曲线可用于不同分类的钢桥焊接节点的疲劳寿命评估：综合考虑各有限元模拟方法的精度及可行性,运用主S-N曲线法对钢桥焊接节点的疲劳寿命时,倾斜的壳单元模拟焊缝是一种较适合的模拟方法。
【关键词】：
【学位授予单位】：兰州理工大学【学位级别】：硕士【学位授予年份】：2014【分类号】：U448.36;U441.4【目录】：
摘要7-9Abstract9-11第一章 绪论11-24 1.1 研究背景及意义11-14 1.2 疲劳寿命评估常用方法及研究进展14-22
1.2.1 基于名义应力法的疲劳寿命评估14-15
1.2.2 基于热点应力法的疲劳寿命评估15-22 1.3 本文研究内容22-24第二章 主S-N曲线法基本原理24-33 2.1 引言24 2.2 结构应力定义24-25 2.3 基于壳单元的结构应力计算方法25-26 2.4 基于实体单元的结构应力计算方法26-30
2.4.1 应力沿厚度方向单调分布26-27
2.4.2 厚度方向存在临界裂纹27-29
2.4.3 应力沿厚度方向非单调分布29-30 2.5 等效结构应力及主S-N曲线疲劳模型30-32 2.6 小结32-33第三章 基于主S-N曲线法的钢桥纵向角接节点疲劳寿命评估33-43 3.1 引言33 3.2 节点描述及试验数据33-34 3.3 结构应力计算34-37 3.4 等效结构应力计算及疲劳寿命预测37-38 3.5 结构应力网格不敏感特性验证38-41 3.6 小结41-43第四章 基于主S-N曲线法的正交异性钢桥面板焊接节点疲劳寿命评估43-50 4.1 引言43-44 4.2 正交异性桥面板介绍44-45 4.3 构件描述45-46 4.4 基于主S-N曲线法的疲劳寿命评估46-49 4.5 小结49-50第五章 主S-N曲线法钢桥焊接节点疲劳寿命评估影响因素分析50-59 5.1 引言50-51 5.2 主S-N曲线法疲劳评估影响因素分析51-58
5.2.1 倾斜的壳单元模拟焊缝(未模拟焊端)51-53
5.2.2 倾斜的壳单元模拟(模拟焊端)53-54
5.2.3 实体单元模型54-56
5.2.4 结果讨论56-58 5.3 小结58-59第六章 结论与展望59-61 6.1 结论59-60 6.2 展望60-61参考文献61-66致谢66-67附录A 攻读学位期间所发表的学术论文目录67-68附录B 攻读学位期间参与的科研项目68
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