（材料加工工程专业论文）100t40m公路架桥机含缺陷导梁受力分析及安全评定.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 公路是我国国民经济的大动脉。而桥梁是公路的重要组成部分。广泛使 用成品梁已成为当今我国公路桥梁建设中一项行之有效的重要技术措施。随 之桥梁安装架设工艺也相应得到发展。公路架桥机就是在这一历程中产生和 发展的。目前，我国公路架桥设备的生产和配套已初具规模，形成了装配式 和专用型竟相发展的格局。在这种情况下，从安全及经济效益角度出发，为 避免施工过程中出现架桥机倾覆和人员伤亡等重大事故，对架桥机进行力学 行为分析和缺陷安全评估是很有益处的。 本文采用当今世界最为流行的大型有限元软件一一a n s y s 软件对 j o j 一1 0 0 4 0 专用型架桥机导梁进行应力有限元分析。根据架桥机实际运行情 况，建立了悬臂、跨中、架边梁三种工况下的力学模型，得出了导粱上应力 分布情况；运用我国压力容器缺陷评定标准c v d a 一8 4 对j q j 一1 0 0 4 0 专用型架 桥机导梁角焊缝缺陷进行安全评定。同时对该架桥机在实际生产中可能存在 的各种缺陷，求出了最大裂纹尺寸，对设计及生产施工均具有定的指导意 义。 关键词 架桥机；导梁；焊接缺陷：有限元；容许裂纹尺寸 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s t r a c t t h e h i g h w a yi s t h ea o r t ao ft h en a t i o n a le c o n o m yi no u rc o u n t r ya n dt h e b r i d g ei sa ni m p o r t a n t c o n s t i t u t eo fh i g h w a y n o w a d a y st h ee x t e n s i v eu s a g eo ft h e f i n i s h e d p r o d u c tb e a mh a v e b e c o m ea n i m p o r t a n tt e c h n i q u e m e a s u r ei no u r c o u n t r y t h es i t u a t i o no ft h e d e v e l o p m e n t o fa s s e m b l y t y p ea l o n g w i t ht h e a p p r o p r i a t i o nt y p eo fb r i d g e e r e c t i n ge q u i p m e n th a sb e e nf o r m e d i nt h i sc a s e ，i t i sm e a n i n g f u lt os t u d yt h em e c h a n i c sb e h a v i o ro f b r i d g e - e r e c t i n gm a c h i n e i tc a n b r i n gu ss a f e t ya n de c o n o m yb e n e f i t t h em o s tf a s h i o n a b l ea n dg e n e r a le n g i n e e r i n gs o f t w a r e - - - a n s y sw i l l b e a p p l i e d i nt h i s p a p l e t h e s t r e s sd i s t r i b u t i o no ft h eb e a mo fb r i d g e e r e c t i n g m a c h i n ew i l lb ea n a l y z e dw i t hf e m ( f i n i t ee l e m e n t m e t h o d ) p r o g r a m a c c o r d i n g t ot h ep r a c t i c a ls i t u a t i o n ，m e c h a n i c sm o d e l so ft h eb e a mh a v eb e e ne s t a b l i s h e do n t h r e el o a d i n gc o n d i t i o n s t h ec o m p u t a t i o nr e s u l t si n d i c a t e dt h a tt h ep l a c ew h e r e t h em a x i m u me q u i v a l e n ts t r e s so c c u r r e d b a s e do nf r a c t u r em e c h a n i c sa n dt h e s t a n d a r do f p r e s s u r ev e s s e l ( c v d a 一8 4 ) ，t h et o l e r a b l ed e f e c ts i z ei sd e t e r m i n e d t h ec o n c l u s i o no ft h i s p a p e rc o u l db eu s e da sg u i d e l i n e st od e s i g nt h ew e l d e d s t r u c t u r e t h er e s u l t sa r ea l s ov e r yu s e f u lf o r s a f e t ya s s e s s m e n to f d e f e c t k e yw o r d s ：b r i d g e e r e c t i n gm a c h i n eb e a m w e l d e dd e f e c tf e m t o l e r a b l e c r a c ks i z e 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1o o d 一10 0 4 0 公路架桥机简介 j q j 一1 0 0 4 0 纵横向全自动移动式公路架桥机是洛阳中铁十五集团机械设备 工程有限公司自行研制的起重1 0 0 t 、跨度4 0 m 的新型公路架梁设备。是目前国 内最先进的公路专用架桥机，其原形机在技术鉴定后已获国家科技进步奖等多 种奖励。 该架桥机适用于任意桥宽的4 0 m 跨径各种预制梁的架设，具有重量轻，利 用系数高、起重能力和适用跨径大、架设速度快、集中控制、操作方便、省功 省力、组装分解迅速、转场运输方便等显著特点“。 1 2 公路架桥机国内外发展动态 自改革开发以来，我国加快了高等级公路与高速公路的建设步伐，相应对 公路架桥机的需求日益增加。我国公路架桥机事业已初具规模，形成了装配式 与专用型竞相发展的局面。装配式架桥机由于设备质量大、吊装质量小、利用 系数低、起重设备落后及架设工艺不完善而发展缓慢。专用型架桥机发展较快， 我国目前已有最大架设跨度5 0 m ，最大起重量为1 6 0 t 的专用架桥设备，国外已 有可架设8 5 0 t 重的整体箱梁的专用架桥设备”f 。 目前，专用架桥设备大都是双导梁型的，从其结构形式上看有斜缆式的和 空间三角桁架式两种，其最大吊重均达到1 6 0 t ，可吊装2 0 5 0 m 的任何形式的 预制梁。现在专用架桥机都具有自动纵向可移位，梁在墩台处可自动横移及就 位，自动化程度高是专用型架桥机的主要特点和优点。 在公路架桥机焊接缺陷安全评定方面，国内外采用断裂力学和有限元相结 合的方法来研究的还鲜有报道。本文将做一些有益的工作。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 1 3 本论文研究的内容和意义 在公路桥梁架设施工过程中，由于架桥机质量问题导致的倾覆等施工屡有 发生，给国家和人民的生命财产安全造成重大损失。本课题主要针对架梁施工 中易发生事故的重大隐患导梁角焊缝进行有限元力学分析，确保施工安全。 目前，国内外专门针对公路架桥机的焊接缺陷进行安全评定的还鲜有报道，本 课题将为此做一些有益的工作。由于施工时没有备用导梁，而且公路架桥机现 场组装时间较长( 一般需l o 天左右) ，对施工过程中出现的焊接缺陷，现场技 术人员十分头疼。对施工中出现缺陷的导梁进行有限元分析及安全评定，可以 为施工单位提前半个月以上的工期( 拆卸及组装) ，预计可节约经费2 0 万元以 上。在“安全高于一切”的今天，此项工作更具意义。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 第2 章d o d - 10 0 4 0 公路架桥机工作机构 与导梁的研究 2 1j q j 一10 0 4 0 公路架桥机的主要技术参数 架设梁片形式箱形、t 形或其它形式简支梁 取梁形式侧向取梁或尾部喂梁 架设最小曲线半径( m )2 0 0 理论架梁速度( 片m i n )1 3 0 适用跨径40m： 桥宽 不限： 最大纵坡3 5 ： 工作风力6 级： 非工作风力 1 0 级； 环境温度一2 0 ： 额定起重量1 0 0 t ： 有效起升高度5 m ： 起升速度0 7 m m i n ： 横移幅度 不限： 横移速度0 7 m m i n ： 天车走行速度8 2 m m i n ： 整机走行速度8 4m m i n ： 结构件最大尺寸重量1 7 0 0 m m 8 0 0 0 m m x3 2 0 0 册 5 6 6 1 t 组装后架桥机总重 1 7 8 t ： 一 西南交通大学硕士研究生学位论文 第4 页 2 2d o j 一10 0 4 0 架桥机的工作机构 架桥机主要分：导梁、走行、前后拉杆、小车、液压系统、电器部分组成。 1 、导粱：单边共l l 节，共2 2 段分为a 、b 、c 、d 、e 段，长度单节8 m ， 宽l r7 m ，高为3 2 m ，属于组焊结构，c 、d 为加强件。 2 、走行机构：纵向移动和横向移动；共六组单驱动小车，纵向移动( 空车 悬臂) 时，前轮架不落地，靠后四轮架行走，横向移动，六轮架同时行走( 重 车) 。 3 、后拉杆：分前端固定支架、后端上固定支架和下端活动支架( 梁喂进后 关闭后支架) 。 4 、小车( 天车) ：共六组，两端吊梁，双驱动轮架4 个，被动轮架4 个， 可单独、同步动作。 5 、液压系统： ( 1 ) 、工作压力： 2 0 0 m p a ； ( 2 ) 、系统流量：2 5 l m i n ； ( 3 ) 、前支腿油缸：2 个，各1 0 0t ； 外径：3 0 0 m m ：内径：2 5 0 珈n ； ( 4 ) 、中支架油缸：2 个，各l o o t ： 外径：3 0 0 m m ；内径：2 5 0 r a m ： ( 5 ) 、后支架油缸：2 个，各5 0t ： 外径：2 5 0 m m ：内径：2 0 0 叫n ； ( 6 ) 、提边梁油缸：4 个，各5 0t ： 外径：2 5 0 r a m ；内径：2 0 0 r a m ： 6 、动力配置： 液压系统：7 5 k w ，电机一台 大车行走：4 k w ，电机六台： 行程：8 0 0 m m 行程：5 0 0 r a m ： 行程：3 0 0 m m 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 小车行走：4 k w ，电机四台 2 3j q j 一10 0 4 0 架桥机工作机构的优缺点 该架桥机工作机构的双导梁形式在我国目前公路架桥机中应用最广，采用 尾部喂粱受地理环境因素的影响很小，更易实现吊梁小车的布置。导梁的承载 能力强，整机横向稳定性能也较好。但双导梁型架桥机存在的主要问题是：对 架设曲线桥与斜交桥的适应能力较差。 2 4j q j - 10 0 4 0 架桥机导梁结构形式 # q j 一1 0 0 4 0 架桥机采用双导梁型，导梁全长8 7 7 2 米，宽4 9 1 米，高3 2 米，从其结构形式看为空间三角桁架式；为完成悬臂、架粱等动作，导粱上装 有天车行走系统、吊重系统、液压管路系统、照明系统。导梁桁架顶部为焊接 箱型梁，桁架两底角为两焊接工字梁。“。导梁作为架桥设备的主要钢结构，采 用空间三角桁架结构形式，不仅自重轻、受力性能优良、抗扭刚度大，而且外 形美观，己逐步受到推崇。 2 4 1 桁架顶部箱梁结构 架桥机导粱全长8 7 7 2 米，由1 l 节子梁通过端法兰板用高强螺栓联结而 成。子梁为全焊接结构。 2 。4 2 桁架底部工字梁结构 桁架低部的工字梁与顶部的箱梁一一对应，为双排。也是通过端法兰用高 强螺栓联结而成。工字梁为全焊接结构。 2 4 3 桁架的结构组合 上箱梁和下工字梁通过中间的方杼件联结在一起。方杆件由两根槽钢对焊 西南交通大学硕士研究生学位论文 第6 页 而成。方杆件和上下梁是通过焊接联结在一起的。 2 5j q j 一10 0 4 0 架桥机导梁焊接工艺简介 该架桥机导梁材料为1 6 m n ，其碳当量较低，可焊性较好。导梁各构件的 制作技术要求高，须具有良好的互换性，这就要求严格控制焊接变形。同时，对 导梁焊接缺陷的控制也十分严格( 整机全部焊缝超声波探伤要求得到 j b l1 5 2 8 1 规定的二级质量要求) “3 。焊接4 8 小时后进行无损检测。 经焊接工艺评定，确定该架桥机导梁的手工电弧焊及埋弧焊的工艺参数如 表2 1 ： 表2 - 1手工电弧焊及埋弧自动焊工艺参数 焊接焊条直径烘干焊接焊接焊接焊接层间 焊丝温度电流电压速度温度 方法牌号( r a m )( ) ( a )( v )( m m m i n )设备( ) 手工e 5 0 1 5中3 22 5 09 0 1 1 02 3 2 56 0 1 0 0z x 5 4 0 0 1 0 0 电弧焊 中4 01 5 2 h1 6 0 1 8 01 5 0 一1 7 0a x 一3 2 0 埋弧h o s a 由4 03 5 06 5 0 - 7 0 03 4 3 63 8 3 - 4 0 0m z 一1 0 0 0 自动焊h j 4 3 1 1 5 h 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 第3 章j o j - 1 0 0 4 0 架桥机受力分析 3 1j q j - 10 0 4 0 架桥机工作过程 压百习 l 第2 片粱f i一 3 1 1 该架桥机工作程序： 1 做好现场三通一平工作； 2 铺轨前先铺设道渣； 3 桥头预铺设好钢轨； 4 架桥机在桥头附近场地组装好： 5 架桥机沿钢轨悬臂行走直至就位； 6 固定好中支腿、后支腿及前支腿； 7 运梁小车运梁至导梁对应位置： 8 捆梁后由天车吊梁、出梁至墩台支座处，对位后可落梁 9 梁体就位后安装支座，再铺设钢轨： 1 0 继续安装下一片梁。 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 3 1 2 架桥机的架梁示意图 该架桥机架梁示意图如图3 一l ： 图3 1 架桥机架梁示意图 3 2j o j 一10 0 4 0 架桥机工作过程几种工况的受力分析 在架桥机的工作过程中，导梁是最关键的部位，其强度、刚度及可靠性对 正常架梁工作和整机安全性十分重要。如导梁出现超出允许范围的裂纹、未焊 透、夹渣等缺陷则整机就不能工作，甚至酿成重大事故。因此，设计和施工单 位总是把弄清楚导梁在工作时的力学行为作为重点。在分析导梁受力情况时， 我们对架桥机的三种典型工况进行有限元力学分析，分别计算了各工况下的应 力分布情况，并结合断裂力学的知识，对架桥机导梁焊缝缺陷作了安全评定， 确保施工安全。 这几种工况分别是： ( 1 ) 、主机悬臂4 3 米：导梁悬臂以4 m m i n 的速度行走对位前支点的工况。 考虑自重和前支腿的垂向载荷。 ( 2 ) 、大臂简支，两吊点位于跨中；考虑自重及梁体的垂向载荷。 ( 3 ) 、大臂简支，架边梁；此时梁体的重量基本由导梁的单侧承受。 考虑自重及梁体的垂向载荷。 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 第4 章导梁受力的静力有限元分析 4 1 有限元分析的基本理论 人们进行力学分析的方法可归结为两类：解析法和数值法。由于实际物体 的形状和所受荷载往往比较复杂，除少数简单的问题以外，按解析法求解是十 分困难的，所以数值法已成为不可替代的广泛应用的方法，并得到不断的发展。 有限元法就是伴随着电子计算机技术的进步而发展起来的一种新兴数值分析方 法。它的数学逻辑严谨，物理概念清晰，特别是它采用矩阵形式表达基本公式， 便于运用计算机编程运算。这些优点赋予了有限元法强大的生命力m l 。 有限元法的基本思路是将结构体看成有限个划分的单元组成的整体，以单 元结点的位移或结点力作为基本未知量求解。按选取基本未知量的不同，可分 为位移法、力法和混和法。位移法选取结点位移为基本未知量，力法选取结点 力为基本未知量，而混和法选取一部分结点位移和一部分结点力作为基本未知 量。其中位移法最为广泛”1 。 有限元法从5 0 年代至今，经过几十年的发展，不断开拓新的应用领域，其 范围已由杆件结构问题扩展到了弹性力学乃至塑性力学问题，有平面问题扩展 到空间问题，由静力学问题扩展到了动力学问题、稳定问题，由固体力学问题 扩展到流体力学、热力学、电磁学等问题。 有限元法进行结构分析的基本步骤如下： ( 1 ) 、结构体的离散化 离散化是将待分析的结构物从几何上用线或面划分为有限个单元，即将结 构物看成有限个单元构成的组合体。按结构体形状的不同和分析的要求，选取 不同形式的单元，通常在单元的边界上设置结点，结点联结相邻的单元。结构 离散化时，划分的单元的大小和数目应根据计算精度的要求和计算机的容量来 西南交通大学硕士研究生学位论文第10 页 决定。 ( 2 ) 、单元分析 所谓单元分析就是设法导出单元的结点位移和结点力之间的关系，即建立 单元的刚度矩阵。在分析杆件结构时，其单元通常为等截面直杆，单元两端的 结点位移和杆端力之问的转换关系可直接利用结构力学导出的公式给出。而在 分析弹性力学平面问题时，每个平面单元内的任意点的位移需要按一定的函数 关系用结点位移来表示，这种函数称为位移函数或位移模式。我们选择的位移 函数应该保证解的收敛性。因此建立台理的位移函数是单元分析的关键。位移 函数确定以后，就可以利用弹性力学的基本方程推导出单元刚度矩阵。 此外，还需要按静力等效原则将作用于每个单元上的外力简化到结点上， 构成等效结点力。 ( 3 ) 、整体分析 整体分析就是将各个单元组成结构整体进行分析。整体分析的目的在- t - 导 出整体结构结点位移与结点力之间的关系，即建立整个结构的刚度方程。整体 分析首先按一定的规则，将各单元刚度矩阵集合成结构整体刚度矩阵，并将单 元等效结点荷载集合成整体等效结点荷载列阵；然后引入结构的位移边界条件， 求解整体平衡方程组，得出基本未知量结点位移列阵；最后计算各单元的 内力和变形。 4 2a n s y s 软件简介 a n s y s 有限元软件包是美国a n s y s 公司开发的一个多用途的有限元计算机 设计程序，可用来解决结构、流体、电力、电磁场及碰撞等问题。目前广泛应 用于航空、航天、汽车、船舶、铁路、交通、电子、机械制造、地质矿产、水 利水电、石油化工、煤炭核能、生物医学、土木工程、家用产品以及科学研究 西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页 等领域。a n s y s 作为广泛应用的优秀的有限元软件，把有限元数值分析技术和 c a d 、c a e 、c a m 等图象处理有机地结合在一起。a n s y s 除了发展多种与c a d 直接 转换接口以外，同时使自己的输出文件格式通用化和标准化，a n s y s 自带的编 程语言a p d l 可供用户以a n s y s 为平台，进行二次开发，是强有力的计算工具。 用户既可以在c a d 中建模，输入初始数据，进行计算和查看计算结果。用户也 可以用a n s y s 的a p d l 语言，用命令流的方式进行建模、计算和查看结果”】。 a n s y s 程序是一个功能强大灵活的没计分析及优化软件包，其具有良好的 前、后处理功能，友好的用户界面，易学易用性。a n s y s 包括前处理器、求解 器、两个后处理器、几个辅助求解器。a n s y s 前处理器用于生成有限元模型， 指定随后求解中所需要的选择项；a n s y s 求解器用于施加载荷及边界条件，然 后完成求解：a n s y s 后处理器用于获取并检查求解结果，用来对模型作出评价， 进而进行其它的诸如结构优化及减重计算等c 。 利用a n s y s 软件，我们可以构造导梁的有限元模型，对其施加荷载或者其 它设计性能条件，研究导梁在不同条件下的应力分布从而进行强度、刚度和稳 定性校核。这样可以避免传统的设计研制周期，从而有效地降低设计和制造成 本。 4 3 导梁有限元分析模型的建立 用有限元方法进行导梁结构分析时，其中最关键的是合理确定结构的计算 模型，所谓计算模型就是在分析实际结构的构造和受力特性等基础上，作出用 有限元法计算的计算简图。结构计算模型包括结构的离散化( 即把一个连续的 弹性体简化为由有限个离散的单元组成的组合体) ：确定边界条件和载荷工况两 步工作。由于实际结构往往是非常复杂的，这就要求在建立计算模型过程中作 种种必要的简化。也就是说计算模型在不同程度上都具有一定的近似性。一般 来说，这种用计算模型模拟工程实际结构所带来的误差要比有限元本身的训算 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 误差大得多。所以，结构的计算模型合理与否，是直接影响计算结果精度的首 要因素。因此，在建立计算模型时，要根据工程实际问题的具体要求，在保证 计算模型具有较高准确性的基础上，同时兼顾计算费用的经济性。 综合考虑整个导梁的计算量、计算精度及结构的实际情况，选定导梁整体 的一半作为有限元离散模型。对箱梁和工字梁的离散采用二维粱单元，并按连 续梁计算。对腹杆采用两端焊接的二维梁单元。有限元网格由人工控制，采用 映射网格。结点分别布置在导梁的端部和支腿及箱梁、工字梁和腹杆的联接处。 采用不同的节点模型对结果将产生不同的影响f 。最终离散出的结点数为9 7 个，单元数为1 8 4 个。 在a n s y s 程序设计时，命令后的参数有数字和文字，当结构状态发生改变 时，命令后的参数也会有所改变，因此必须重新编写程序，这对设计者来说相 当不方便。故a n s y s 提供了参数设计语言( a n s y sp a r a m e t r i c d e s i g n l a n g u a g e ) ，a n s y s 参数设计语言采用高级f o r t r a n 程序语法的方式进行，针对 不同的工况，只要进行简单的修改就可以应用，非常方便。本架桥机导梁模型 就是采用a p d l 语言建立的。 本架桥机的总图及横截面如图4 一l 、4 2 所示。 艘幽洲m 4 燃v i 腮删i 删燃 i j ，j l i lj i i i f f l i l “ l “1 1 f i f i i ，l i n “n ll f i “j j f l t j l 监y vyv vv yi t yv 川yy 刚v vyv “vvv aivv viv v vv 图4 - 1架桥机总图 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 f v 广 k 。 l 1 g k 1 一 r l上l l 4 9 1 0 图4 2 架桥机总图及横截面示意图 上箱梁及工字梁的截面图如图4 - 3 所示。 图4 3 上箱梁及工字梁截面图 腹杆( 2 1 2 扣焊) 结构如图4 4 所示。 图4 - 4腹杆示意图 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 有限元模型离散图如图4 5 、图4 - 6 所示。 图4 - 5悬臂状态时有限元模型 图4 - 6 架梁状态时有限元模型 西南交通大学硕士研究生学位论文第15 页 4 4 载荷与边界约束的处理 边界条件的确定对计算结果的影u 向很大，如果处理不当将会引起较大误差， 本文建立导梁有限元模型时，在不影响应力分布的情况下，本着边界约束尽量 和实际情况相一致的原则，对各种工况下的约束情况进行适当的简化。 在悬臂状态下，本架桥机导梁的后支腿的水平和竖直方向受到约束，中支 腿的竖直方向受到约束。架桥机的自重按均布载衙处理，前支腿按集中载荷处 理( 悬臂就位前，前支腿一直固定在导梁前端) 。如图4 7 示： 图4 - 7悬臂状态时约束和载荷 在架粱状态下，架桥机导梁的后支腿的水平和竖直方向受到约束，中支腿 和前支腿的竖直方向受到约束。架桥机自重按均布载荷处理梁体两吊点上的 力按集中载荷处理( 在架边粱时，梁体重量按全部加在单导梁两吊点处理) 。架 边梁时工况为架粱过程中最恶劣的工况。而架中梁时的最恶劣工况出现在两吊 点位于跨中时。其两种概况的约束和载荷情况如图4 - 8 、4 - 9 所示。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 6 页 图4 - 8架边梁时约束和载荷 图4 - 9 架中梁时约束和载荷 西南交通大学硕士研究生学位论文 第17 页 4 5 计算结果及分析 计算得到导梁在各工况下应力分布如图4 1 0 至4 - 1 2 所示。 图4 - 1 0 悬臂工况下的应力云图 西南交通大学硕士研究生学位论文第18 页 图4 - 1 1 架边粱工况应力云图 西南交通大学硕士研究生学位论文 第19 页 图4 1 2 跨中工况应力云图 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 0 页 由各工况下应力分布图4 1 0 至4 - 1 2 可知： 1 悬臂工况 最大应力在导梁中支腿稍前上箱梁处的第2 5 单元( 如图4 1 3 所示) 为拉应力。最大等效应力值为：1 1 0 1 9 m p a 。 2 l2 22 32 42 52 62 7z 82 9 黟w 粥瓤4 影影帮w 影： 凰 1 3 中支腿附近单元示意图 2 架边梁工况 最大应力在导梁前支腿附近下工字梁第9 3 单元处( 如图4 1 4 所示) 为拉应力。最大等效应力值为：1 3 9 4 5 m p a 。 4 04 14 24 34 44 , 54 6 图4 1 4 前支腿附近单元示意图 3 跨中工况 最大应力在中支腿附近第1 4 4 单元处( 如图4 1 5 所示) ，为拉应力。最 大等效应力值为：8 8 8 6 2 m p a 。 2 42 s2 62 7 2 8 3 5u 3 6 工3 7 l j e 工3 9u 4 0 正4 1 、1 4 2 王4 3u 4 4f 4 5 1 4 6 工4 7 、1 4 8 ! v! ! 监! 2v 7 3v 7 4v7 5 图4 1 5 中支腿附近单元示意图 - - - 一 西南交通大学硕士研究生学位论文 第2 1 页 一一一 4 导梁在三种工况下的应力分布规律 根据导梁在三种工况下的有限元分析结果，各单元的应力数值采用 e x c e l 绘制应力分布曲线( 如图4 1 6 、4 1 7 、4 1 8 ) ，同时绘制三种工况对 比图如图4 1 9 ，这样可直观看出导梁的应力分布情况。( 注：单元编号存 1 至4 6 之间的为一l 箱梁梁单元，编号在4 7 至9 6 之侧的为工字梁梁币元) 图4 - 1 6 悬臂工况导梁纵向应力分布图 图4 17 架边梁工况导梁纵向应力分布图 西南交通大学硕士研究生学位论文 第2 2 页 图4 1 8 跨中工况导梁纵向应力分布图 图4 1 9 三种工况应力对比图 根据图4 1 6 、4 1 7 、4 一1 8 及4 1 9 对比分析可得： 1 在三种工况下，上箱梁应力分布总趋势基本相同，都是以单元2 5 为 中心对称分布，在单元2 5 处拉应力最大。说明在中支腿附近的上箱梁为危险部 位。下工字梁应力分布总趋势也基本相同。不同之处在于跨中工况时吊点处单 元( 包括上箱梁及下工字梁单元) 出现局部应力极值，其中上箱梁单元1 4 和 3 3 处出现局部压应力极值，下工字梁单元6 1 及8 0 处出现局部拉应力极值。这 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 3 页 3 3 处出现局部压应力极值，下工字梁单元6 1 及8 0 处出现局部拉应力极值。这 和架桥机实际工作时受力情况完全符合。 2 悬臂工况下，上箱梁( 单元卜4 6 ) 梁单元2 5 受最大拉应力，拉应力值 为1 1 0 1 9 m p a 。单元2 5 位于中支腿处，为危险部位。下工字梁( 单元4 7 9 6 ) 均受压应力作用，与上箱梁比较相对安全。 3 架边梁工况下，一个突出的特点是仅在中支腿及前支腿附近的上箱梁和 下工字梁承受局部极大拉应力，而其它部位均受压应力。在前支腿处下工字粱 梁单元9 3 受拉应力最大，为1 3 9 4 5 m p a 。 4 跨中工况下，中支腿处的上箱梁梁单元2 5 及下工字梁梁单元7 l 及两吊 点处下工字梁梁单元均承受较大拉应力。其中，中支腿处上箱梁梁单元2 5 受拉 应力最大，为8 4 0 0 1 m p a 。 4 6 计算结果对设计和施工的指导意义 一般认为：主梁开裂现象均在受拉区】。所以我们特别关注导梁上拉应力 的分布情况。由上述有限元计算结果，我们可以看出在实际架梁施工三种工况 中，悬臂行走工况及架边梁工况受拉应力较跨中工况大，也即前两种工况更危 险。这是我们在架梁施工中必须注意的。特别是悬臂行走至架桥机就位时，施 工人员往往认为架桥机还没有承受梁体的重量，不会发生问题。结果导致架桥 机倾覆事故的发生。给国家和人民的生命和财产安全造成重大损失。所以，设 计时应该在架梁施工三工况中架桥机受力较大的部位( 如中支腿和前支腿处上 箱梁、腹杆及下工字梁) 采用加大截面等措施保证施工安全。在对架桥机焊缝 无损探伤时特别注意对上述危险截面的检测，必要时可采用两种以上的检测方 法对比分析。这样可确保架桥机悬臂就位及架粱过程施工安全。由有限元计算 得到的应力、位移及弯矩结果也可作为结构强度、刚度及稳定性判断的依据。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 4 页 第5 章导梁焊接接头缺陷安全评定 5 1 断裂力学发展简介 人们历来十分重视材料的断裂问题，尤其是材料的脆性断裂，因为构件的 断裂常常是产生重大事故的直接原因。材料的断裂问题涉及范围很广，根据讨 论问题的出发点和目的的不同，可分为断裂力学、断裂物理及断裂化学“。其 中，断裂力学是一个很重要的方面。 所谓断裂力学，就是从材料或构件中存在宏观裂纹这一点出发，应用弹性 力学和塑性力学理论，研究材料或结构中裂纹产生和扩展的条件及规律的学科。 断裂力学集中研究裂纹顶端的应力应变场，找出带裂纹构件的承载能力 ( p ，。) 和材料抗脆性断裂性能之间的关系。从而对含裂纹构件的最大承载能 力、裂纹容限及寿命进行计算“。 断裂力学研究的主要内容： ( 1 ) 、线弹性断裂力学( l e f m ) ； ( 2 ) 、弹塑性断裂力学( e p f m ) ； ( 3 ) 、概率断裂力学( p f m ) ； ( 4 ) 、微观断裂力学( m f m ) ； 其中线弹性断裂力学( l i n e a re l a s t i cf r a c t u r em e c h a n i c s ) 于本世纪 6 0 年代初提出，7 0 年代初成熟。这是断裂力学中最成熟的部分。即视材料为理 想弹性体，并假定应力与应变之间呈线性关系( 0 = ee ) ，应用线弹性力学来分析 材料或构件在低应力下裂纹的扩展及脆断问题。断裂力学研究初期，由于高强 低韧材料构件发生低应力脆断事故多，故研究重点也在此。这种钢材在线弹性 范围内断裂，断口无明显塑性变形，可用线弹性理论进行研究。线弹性断 裂力学主要用于宇航工业。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 5 页 线弹性断裂力学在评价材料抗开裂性能及预测材料寿命等方面已经得到 广泛的应用。但是，它也存在着很大的局限性。它仅仅适用于脆性材料( 如陶 瓷、玻璃、岩石和冰) 的断裂和高强度钢之类的脆性断裂，即在裂纹失稳扩展 前裂纹尖端区域无塑性变形或无明显的塑性变形基本上属于弹性变形的情况。 对于大多数金属材料而言，裂纹在扩展前，裂纹尖端总是存在或大或小的塑性 区，当塑性区尺寸与裂纹长度相l l i t l d , 时( 属小范围屈服) ，经过修正，线弹性 断裂力学的分析方法尚可以应用。但当塑性区尺寸与裂纹长度相比达到同一一个 数量级时( 即大范围屈服) ，虽经修正，其误差仍不能忽视。所以在工程中大量 应用的中低强度钢，除非温度很低或截面很厚、应变速率很高仍能应用这一判 据外，在平常状态下由于裂纹尖端的塑性变形很大，而使得线弹性断裂力学分 析无效。由此适用于大范围屈服或全面屈服的弹塑性断裂力学得到了快速的发 展。 弹塑性断裂力学现在已经得到普遍应用，主要也是从能量和应力应变场强 度2 个角度来研究裂纹顶端的应力应变场，具体解决如何在大范围屈服条件下， 确定出能定量描述裂纹尖端区域弹塑性应力、应变场强度的参量，以便既能用 理论建立起这些参量与裂纹几何特性、外加载荷之间的关系，又易于通过实验 来测定它们，并最后建立便于工程应用的断裂准则。其中发展最快的要属英国 焊接研究所提出的裂纹张开位移c o d “6 国于1 9 7 1 年提出的j 积分方法”“。 c o d 参量测定简单，用它所得到的一些经验公式能有效地解决工程实际问 题，在中、低强度钢焊接结构和压力容器断裂分析中得到了广泛的应用，但它 不是一个直接而严密的裂纹尖端弹塑性应力应变场的表征参量。而j 积分是一 个定义明确，理论严密的应力应变场的参量，有易于通过实验来测定。j 积分 有两种等效的定义：回路积分定义及形变功率定义。j 积分具有场强度的性质， 它不仅适用于线弹性，也适用于弹塑性。但由于j 积分是一个平面积分，故它 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 6 页 只能用于二维问题分析。 5 2c o d 法及设计曲线 5 2 1c o d ：法 1 9 6 1 年，w e l l s “提出了c o d 概念，即认为：在有显著变形的地方，断裂 过程主要是由裂纹顶端的强烈变形控制的。两裂纹面的分离或裂纹张丌位移， 可作为强烈变形的尺度。裂纹将在张开位移达到某一临界值时开始扩展。 1 9 6 1 年c o t t r e 及1 9 6 2 年b a r e n b l a t t 均提出与w e ll s 相同的看法。】9 6 7 年至1 9 7 1 年，英国海军部作了一系列的试验，得出了经验公式；1 9 7 9 年，英 国公布c o d 试验方法正式标准，既b s i ：5 7 6 2 ：1 9 7 9 。标志c o d 工程应用成熟。 1 9 8 0 年，中国制定c o d 测试标准，即g b 2 3 5 8 8 0 ，正式在我国工程界应用。 c o d 判据是指裂纹体受i 型荷载时，裂纹尖端部位的张开位移6 达到其极 限值6c 时，即6 6 。时，构件失效的判据。实验结果已经证明，对于特定的 材料，在给定温度、一定的应变速度、缺口尖锐度及板厚的条件下，6 。是个 材料常数。一般来说6 。仅随试样厚度与温度而变化，因此，6 。完全可以作为 衡量材料断裂抗力的性能指标”“1 。目前，c o d 判据已广泛应用于焊接结构抗开 裂性能评定中。但是到现在为止c o d 的物理意义仍不十分明确。c o d 的定义目 前最流行的有两种：一是英国焊接研究所提出的，以原始裂纹尖端的张开位移 值作为c o d ，该位移值是由裂纹尖端塑性区处材料，在平板内发生与荷载垂直方 向的收缩而成，即伸张区宽度。一是美国人r i c e 提出的，在裂纹尖端作9 0 。角， 该角所对应的正弦值即为c o d 。其中前者便于实验法确定后者便于用有限元 法分析”。 目前，包括v 型切口和钝裂纹、界面裂纹、快速传播裂纹、弹塑性体和损 伤介质中的裂纹和缺口，压电体和热释电体中的裂纹及裂纹端部场的数值分析 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 7 页 等裂纹端部场方面的研究以获得一些成果”“。 5 2 2c o d 设计曲线 在大范围屈服时，可以用d - m 模型的公式 8 = 8os a l n s e c ln0 2o ne 进行工程结构的裂纹容限等估算。但在全面屈服( 口= 1 ) 盹d - m 模型失效。 在实际的焊接件存在高应变区，应力的微小变化会g i x 应变和c o d 的巨大变化。 此时必须用全面屈服态的断裂力学进行分析。以应变作为安