桿系鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)疲勞問題研究.pdf

1、桿系鋼結(jié)構(gòu)是一種應(yīng)用廣泛的工程結(jié)構(gòu)形式，大型桿系鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)處交匯的桿件眾多，節(jié)點(diǎn)局部構(gòu)造細(xì)節(jié)復(fù)雜，且處于復(fù)雜的空間受力狀態(tài)。大型桿系鋼結(jié)構(gòu)在服役期內(nèi)長(zhǎng)期承受著循環(huán)動(dòng)力載荷(風(fēng)力作用，移動(dòng)荷載，地震作用)作用，大量研究和工程實(shí)例表明，循環(huán)應(yīng)力容易導(dǎo)致桿系鋼結(jié)構(gòu)焊接節(jié)點(diǎn)的焊接區(qū)域出現(xiàn)疲勞裂紋，并會(huì)不斷擴(kuò)展，直至引起節(jié)點(diǎn)的脆性斷裂，這些都將會(huì)導(dǎo)致大型桿系鋼結(jié)構(gòu)的安全性能下降甚至引起結(jié)構(gòu)的倒塌破壞。為此，對(duì)桿系鋼結(jié)構(gòu)焊接節(jié)點(diǎn)進(jìn)行疲勞損傷分析，研

2、究疲勞裂紋的萌生和擴(kuò)展并預(yù)測(cè)疲勞壽命，對(duì)于保證桿系鋼結(jié)構(gòu)的安全是十分必要的。
　　 大型桿系鋼結(jié)構(gòu)焊接節(jié)點(diǎn)的焊接過程復(fù)雜，焊接殘余應(yīng)力對(duì)結(jié)構(gòu)的疲勞性能有著重要影響。然而目前無法對(duì)實(shí)際工程中的焊件測(cè)定其焊接殘余應(yīng)力，因此采用有限元數(shù)值模擬分析焊接節(jié)點(diǎn)的焊接殘余應(yīng)力場(chǎng)分布情況是進(jìn)行疲勞分析的基礎(chǔ)。本文采用ANSYS有限元分析軟件，基于熱彈塑性力學(xué)理論，開發(fā)了一套完整的焊接有限元程序，并對(duì)大型焊接鋼橋整體焊接節(jié)點(diǎn)和輸電線塔節(jié)點(diǎn)板兩種焊

3、接節(jié)點(diǎn)的焊接過程成功實(shí)現(xiàn)了三維動(dòng)態(tài)模擬，分析了各個(gè)時(shí)刻的溫度場(chǎng)和最終的焊接殘余應(yīng)力場(chǎng)，焊接殘余應(yīng)力最大值接近甚至超過材料的屈服強(qiáng)度，計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符合。
　　 本文首次將焊接節(jié)點(diǎn)的焊接殘余應(yīng)力考慮在內(nèi)，提出了一套完整的桿系鋼結(jié)構(gòu)焊接節(jié)點(diǎn)的動(dòng)應(yīng)力場(chǎng)多尺度有限元分析方法。該方法首先采用數(shù)值模擬或者實(shí)測(cè)的方法獲取結(jié)構(gòu)整體尺度的動(dòng)應(yīng)力響應(yīng)，然后對(duì)需要進(jìn)行疲勞分析的焊接節(jié)點(diǎn)進(jìn)行邊界切割，獲取其在整體尺度上的力和位移邊界條件；接著建立

4、焊接節(jié)點(diǎn)的精細(xì)實(shí)體有限元模型，將焊接殘余應(yīng)力當(dāng)作初始應(yīng)力，施加上步得到的力學(xué)和位移邊界條件進(jìn)行小尺度的動(dòng)應(yīng)力分析，得到焊接節(jié)點(diǎn)局部細(xì)節(jié)處的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)，最后由Von-mise等效應(yīng)力準(zhǔn)則確定應(yīng)力最大的節(jié)點(diǎn)為疲勞危險(xiǎn)點(diǎn)。文中對(duì)大型焊接鋼橋的整體焊接節(jié)點(diǎn)和輸電線塔節(jié)點(diǎn)板分別進(jìn)行了動(dòng)應(yīng)力多尺度分析，結(jié)果表明焊接節(jié)點(diǎn)的疲勞危險(xiǎn)點(diǎn)出現(xiàn)在焊縫的焊趾處。
　　 本文系統(tǒng)的建立了桿系鋼結(jié)構(gòu)焊接節(jié)點(diǎn)基于應(yīng)變的疲勞裂紋萌生壽命計(jì)算方法。由動(dòng)應(yīng)力分析

5、的結(jié)果可知，在焊接殘余應(yīng)力和外荷載迭加的情況下，焊接節(jié)點(diǎn)的疲勞危險(xiǎn)點(diǎn)的應(yīng)力將超過材料的屈服強(qiáng)度，應(yīng)此將會(huì)發(fā)生塑性變形，所以采用基于應(yīng)變的疲勞損傷理論更加符合實(shí)際情況。文中采用多軸疲勞的臨界面方法，計(jì)算了大型焊接鋼橋的整體焊接節(jié)點(diǎn)和輸電線塔節(jié)點(diǎn)板的裂紋萌生壽命。首先分析疲勞危險(xiǎn)點(diǎn)的應(yīng)變時(shí)程確定臨界面的位置，然后采用循環(huán)計(jì)數(shù)方法提取臨界面上的正、剪應(yīng)變循環(huán)，并將其合成統(tǒng)一的多軸疲勞損傷參量，最后根據(jù)疲勞壽命計(jì)算公式和Miner準(zhǔn)則估算裂紋萌

6、生壽命。
　　 本文采用斷裂力學(xué)的方法研究含初始裂紋的桿系鋼結(jié)構(gòu)焊接節(jié)點(diǎn)的裂紋擴(kuò)展問題。文中首先提出了一種可以創(chuàng)建含三維裂紋的有限元實(shí)體建模方法，該方法采用局部到整體的思想，采用特殊的網(wǎng)格劃分技術(shù)，能夠建立各種含裂紋的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，方便的實(shí)現(xiàn)應(yīng)力強(qiáng)度因子的求解。針對(duì)裂紋擴(kuò)展中應(yīng)力強(qiáng)度因子實(shí)時(shí)計(jì)算的困難，文中采用數(shù)值插值的方法近似代替全三維的有限元分析，從而簡(jiǎn)化了應(yīng)力強(qiáng)度因子求解過程。文中針對(duì)桿系鋼結(jié)構(gòu)承受多軸非比例加載的情況，創(chuàng)新的

7、提出了對(duì)焊接節(jié)點(diǎn)的荷載邊界條件采用分組的方法計(jì)算應(yīng)力強(qiáng)度因子幅，形成應(yīng)力強(qiáng)度因子幅數(shù)據(jù)庫，從而便于程序化求解。在上述方法的基礎(chǔ)之上，文中采用Paris裂紋擴(kuò)展速率公式預(yù)測(cè)了大型焊接鋼橋的整體焊接節(jié)點(diǎn)和輸電線塔節(jié)點(diǎn)板的裂紋擴(kuò)展壽命，計(jì)算結(jié)果和裂紋擴(kuò)展理論相符合。
　　 最后，基于本文的一系列方法，完成了桿系鋼結(jié)構(gòu)焊接節(jié)點(diǎn)疲勞自感應(yīng)自診斷系統(tǒng)的集成，詳細(xì)闡述了該系統(tǒng)的工作原理和四個(gè)子模塊的功能，并在一個(gè)工程實(shí)例上成功的應(yīng)用了該系統(tǒng)。