（机械制造及其自动化专业论文）热点应力法及其在起重机金属结构中的应用.pdf

武汉科技大学 硕士学位论文第1 页 摘要 疲劳破坏是金属焊接结构r f l 最主要的失效情况，因而疲劳的评估的准确性密 切关系着生产安全和人生安全。现有基于名义应力法进行疲劳强度校核过的起重 机结构使用过程中仍经常发生裂损事故，并且大多数裂纹远离上述校核位置。因 而需要更准确的计算方法来补充现有的起重机疲劳评估方法。热点应力法作为一 种针对焊接结构焊趾局部的疲劳分析方法，已在海洋工程结构巾得到了较为广泛 的应用，而在起重机金属结构的疲劳评定中至今还未被研究应用。本文拟以起重 机金属结构为研究对象，基于热点应力法，研究起重机金属结构的疲劳评估方法。 首先，根据调研和文献资料探讨比较热点应力法及名义应力法优劣性及其适 用范围的同时，分析影响金属结构疲劳寿命的因素。结合参数化有限元建模技术， 研究起重机中典型金属焊接结构热点应力分布规律，探索热点应力集中系数与结 构的关系。 其次，在对起重机典型焊接结构的研究基础上，深入探究评定起重机金属结 构疲劳寿命更准确更有效的方法，探索基于热点应力法及名义应力法评定起重机 金属结构疲劳寿命的系统应用路线。 最后，结合实例及现场数据，采用有限元模拟技术，对起重机整机金属结构 进行疲劳寿命评定，并验证热点应力法及热点应力集中系数在起重机金属结构疲 劳评定中的可靠性及有效性。 关键词：疲劳评估；热点应力法；起重机金属结构；焊接结构 第1 i 页 武汉科技大学 硕士学位论茎 _ _ _ _ _ - 一一 a b s t r a c t f a t i g u ef a i l u r ei s t h em o s tm a i nf a i l u r eo fm e t a lw e l d i n gs t r u c t u r e ，s ot h e a c c u r a c yo ft h ee v a l u a t i o no ff a t i g u ec l o s e l yr e l a t e st ot h ep r o d u c t i o ns a f e t ya n dl i f e s a f e t y c r a c kd a m a g ea c c i d e n t s a r es t i l lo f t e no c c u ri nu s ep r o c e s so ft h ec r a n e s t r u c t u r ew h i c ht h ef a t i g u es t r e n g t hw e r ec h e c k e db a s e do nn o m i n a ls t r e s sm e t h o d ， a n dm o s to ft h ec r a c kf r o mt h ea b o v ec h e c kp o s i t i o n t h e yn e e dt oh a v eam o r e a c c u r a t ec a l c u l a t i o nm e t h o dt os u p p l e m e n tt h ee x i s t i n gc r a n ef a t i g u ea s s e s s m e n t m e t h o d s a sal o c a lf a t i g u ea n a l y s i sm e t h o da c c o r d i n gt ot h ew e l d e ds t r u c t u r ew e l d ， h o ts p o ts t r e s sm e t h o dh a sb e e nw i d e l yu s e di nt h eo c e a ne n g i n e e r i n gs t r u c t u r e b u ti n t h ec r a n em e t a ls t r u c t u r ef a t i g u ee v a l u a t i o n ，h o ts p o ts t r e s sm e t h o dh a v en o ty e tb e e n s t u d i e do ra p p l i c a t i o n t h i sp a p e rb a s e do nt h eh o ts p o ts t r e s sm e t h o d ，s t u d yt h e f a t i g u ea s s e s s m e n tm e t h o d so f c r a n em e t a ls t r u c t u r e f i r s to fa 1 1 t h i sp a p e rd i s c u s s e dc o m p a r i s o n sh o ts t r e s sm e t h o da n dn o m i n a l s t r e s sm e t h o da n dt h ea p p l i c a b l es c o p eo fq u a l i t ya c c o r d i n gt ot h er e s e a r c ha n d l i t e r a t u r ei n f o r m a t i o n ，a n da n a l y z e st h ei n f l u e n t i a lf a c t o r so fm e t a ls t r u c t u r ef a t i g u e l i f e c o m b i n e dw i t hp a r a m e t r i cf i n i t ee l e m e n tm o d e l i n g ，t h i sp a p e rs t u d i e dt h eh o t s p o ts t r e s sd i s t r i b u t i o no f t h ec r a n e st y p i c a lw e l d e dm e t a ls t r u c t u r e ，a n de x p l o r e dt h e r e l a t i o n s h i pb e t w e e nh o ts p o ts t r e s sc o n c e n t r a t i o nf a c t o ra n dt h es t r u c t u r e s e c o n d l y , t h i sp a p e rb a s e do nt h er e s e a r c ho fc r a n e st y p i c a lw e l d i n gs t r u c t u r e ， p r o b i n gm o r ea c c u r a t ea n de f f e c t i v em e t h o d so fc r a n em e t a ls t r u c t u r e sf a t i g u el i f e e v a l u a t i o n ，s e a r c h i n gt h es y s t e ma p p l i c a t i o nr o u t eo fc r a n em e t a ls t r u c t u r e sf a t i g u e l i f ee v a l u a t i o nm e t h o dw h i c hb a s e do nt h eh o ts p o ts t r e s sm e t h o da n dn o m i n a ls t r e s s f i n a l l y , b a s e do nt h ee x a m p l e sa n d f i e l dd a t a , u s i n gt h ef i n i t ee l e m e n ts i m u l a t i o n t e c h n o l o g y , e v a l u a t i o nt h ef a t i g u el i f eo f t h ec r a n em e t a ls t r u c t u r e ，a n dc o n f i r m e dt h e h o ts p o ts t r e s sm e t h o da n dt h eh o ts p o ts t r e s sc o n c e n t r a t i o nf a c t o r sr e l i a b i l i t ya n d v a l i d i t yi nc r a n em e t a ls t r u c t u r ef a t i g u ee v a l u a t i o n k e y w o r d s ：f a t i g u ee v a l u a t i o n ，h o ts p o ts t r e s sm e t h o d ；c r a n e m e t a ls t r u c t u r e ；w e l d e d s t r u c t u r e 武汉科技大学硕士学位论文第1 页 第一章绪论 1 1 焊接结构及其在起重机中的应用现状 金属焊接结构在特种设备行业、船舶行业、石油化工行业、水利水电行业、建筑工程 行业、冶金行业、铁路机车行业等被广泛应用。在工业日益发展，焊接技术不断的更新， 焊接质量不断提高的今天，金属焊接结构在机械工程领域中的地位也显得越来越重要。但 金属焊接结构自身大都存在几何形状变化，且焊接部位的材料与连接金属材料不相同，在 焊接接头部位容易产生裂纹或其它缺陷，容易引起结构应力集r f l ，导致金属焊接结构疲劳 强度下降。由于焊接结构自身的结构特点以及焊接技术发展的限制或焊接过程的操作不当， 焊接结构容易出现裂损，特别是承受一段时间的循环载荷之后，疲劳裂损情况更加严重。 一旦裂损扩展开，达到其临界极限，就会发生断裂，常常给生产和安全带来不可估量的损 失。有关数据显示，在金属结构的破坏中有7 0 - - 9 0 起源于金属结构焊接接头的疲劳裂 损，可见金属焊接结构中主要的失效情况是疲劳破坏【l l 。 金属焊接结构作为各类起重机的重要组成部分，在很大程度上决定了起重机的使用性 能和安全寿命。起重机金属结构大多是平板焊接钢结构，已有的理论研究和工程实践均表 明，焊接结构的最主要破坏形式是疲劳裂纹，裂纹首先萌生于焊趾或焊缝内部，在复杂的 动载荷作用下不断扩展和演变，直至贯穿焊缝、撕裂母材甚至使结构突然断裂。由于结构 断裂的征兆很不明显，因此造成的后果往往是灾难性的，所以，从焊缝局部的角度研究起 重机金属结构的疲劳特性及其评定方法具有重要的现实意义。 1 2 起重机疲劳评定研究现状 桥、门式起重机的主要承载构件大多为金属焊接结构，而金属焊接结构重量和材料成 本往往占到整机的6 0 8 0 。随着起重机不断向大吨位、大跨度和特殊工艺要求的方向 发展，起重机金属结构的疲劳裂损现象越发突出，严重影响了起重机的正常运行和生产人 员的人身安全【2 j 。 金属焊接结构疲劳破坏主要有以下五点原因：一般来说金属焊接接头承载静载荷的 能力比母材要高，但其承受变载荷的能力却要比母材低很多，因此金属焊接构件在额定载 荷内工作，经过一段时间后还是出现破坏；静强度设计法一直是早些年焊接结构设计主 要采用的方法，由于金属焊接疲劳设计规范不够完善加之很少考虑金属结构抗疲劳能力而 设计焊接接头的焊接接头常不合理，而接头形式与其疲劳强度有非常大的联系；随着金 属焊接构件日益朝着高频率使用、大承载能力的方向发展，设备对自身金属焊接结构的承 变动载荷要求也逐渐提高，滞后【3 】。但有关金属构件疲劳强度新理论的研究还未跟上工业 发展的需求。 由于金属焊接接头的重要性及其复杂性，以往的名义应力法不能满足现有焊接疲劳评 定的需要，很多国内外研究者基于局部概念针对金属焊接构件的疲劳评定提出了很多有意 义的研究方法。研究得出局部概念更能准确的评定焊接结构的疲劳强度。1 1 w ( 国际焊接 工程协会将众多学者研究归纳为如图1 1 所示不同层次三类：结构应力和应变的概念； 缺口应力和应变概念；局部断裂力学概念( 包括裂纹的形成与扩散) 4 1 。 第2 页武汉科技大学硕士学位论文 堕塑堕垄堕塑窒壅 l 厂 广 缺口应力或应变概念 臣巫正臣垂困 广 厂 裂纹形成 l 裂纹扩散 图1 1 焊接节点疲劳评定的现有概念分类 1 2 1 局部概念疲劳评定研究现状 ( 1 ) 名义应力法 在许多焊接结构技术领域，名义应力的概念作为理论依据得到了广泛的应用。这个概念 的应用一方面需要名义应力的本身定义，另一方面也需要参照相应分类结构细节的允许应 力值。i i w 结合数字，用缩写代码f a t 表示焊接结构的疲劳设计分类如表1 1 所示。f a t 是指疲劳设计分类，f a t 后面的数字表示允许的标称应力范围，n = 2 1 0 6 个周期以下的生 存概率为p s = 9 7 7 。疲劳设计曲线对任意的r 比值都有效。 表1 1i i w 焊接结构的疲劳设计缩写代码分类 爿截面面积 s s 结构应力参数 口表面裂纹深度r转矩 口f 初始表而裂纹深度 与反转斜率相关的散射范围指数( p s = 9 7 7 ) c集成p a r i s 方程常数 靠与循环次数相关散射范围指数( p s = 9 0o r9 7 7 ) c表面裂纹半宽度l与结构应力相关散射范围指数( p s = 9 0o r9 7 7 ) d 焊缝光斑直径 f 板块厚度 - - dh a i b a c h 焊趾距离幻参考板厚度 f轴向力 f ， 失效裂纹深度 忍 拉伸剪切力幅w抗弯截面系数 i整数值w 样本宽度 k 模式1 的缺口应力强度因子 6 焊趾距离( d o n g ) k i 模式i 的应力强度因子 6 6 弯曲应力比例 k i f 模式i i 的应力强度因子 9 焊趾角 k e q 等效应力强度因子 p 实际缺口半径 吩 疲劳缺口因子 p 木 替代显微结构长度 玛 理论应力集中系数 d r 参考缺口半径 武汉科技大学硕士学位论文第3 页 k w焊缝缺口系数 o h s 热点结构应力 k s n 曲线反转斜率 c i k 最人缺口应力 m b弯矩 。足n 缺口应力幅 m p a r i s 力程的指数 6名义应力 n 循环次数 c ，p e r 许用应力 坼 失效周期数 o s 结构应力 n 厚度比指数 o s a 结构应力幅 n 缺口支持因子 o s j 结构应力1 毫米的深度 p s 存活概率 g s h h 结构应力 p 内压力 灭 低应力与高应力之比 ( 2 ) 结构应力法 “结构应力”是指定的几何结构不均匀区域内的主要应力，其中缺口应力忽略不计的情 况下，疲劳裂纹便产生了。结构分析的工程方法中，有限元方法一般会忽略缺口影响，以 便确定结构应力。此外，对于先前称“结构应力”为“几何应力”并不是很准确。有关结构应 力概念最早的想法就已经在结构应变中有所提及，通过应变测量的焊趾之前的的局部应变 作为疲劳评估参数【5 】，通过引入有限元分析法，开发用于管状钢结构( 屋顶，桥梁，离岸 结构) 的连接结构应力差异变得更加重要，这也就使得疲劳评定的热点结构应力的概念成 了一个标准化的过程【6 】。在此方法中，规定的评价点前焊缝表面应力线性地推广到焊趾。 之后，n i e m ie ，f r i c k ew 等将这个概念从管式连接转移到船舶的板壳结构和其他技术设备 中【6 ，。7 1 。结构应力除了取决于装载的类型和级别以外，也取决于焊接接头的形状，尺寸和 布置的组件。在上面所提及的方法中，主要是垂直于焊缝正应力影响了其强度，因此，这 个结构应力概念首先是对这个方向负载强度的评估。一般来讲，确定热点结构应力的常见 方法是所测得的焊趾表面应力线性或非线性的外推法，如i i w 中所提到的位置的两个或三 个评估点。在有限元模型的基础上，表面应力的外推法也一样适用。系统调查表明有限元 建模和应力分析需要详细的规则说明是为了避免产生过大的分散和不确定性的结果 7 - - 8 1 。在 正常情况下，理想几何形状的有限元模型仅提供所承受的压力，不包含角偏差。在板型结 构中，对结构应力的错位的影响被认为主要是在对接接头和角焊缝焊接十字接头( 由于可 能的轴向偏差) ，以及在角焊缝焊接片面横向附件( 由于可能的角度偏差) 。如果没有详细 的可用数据，i i w 提出考虑焊趾的轴向压力应与给予考虑的范围中的失调影响因素应达到 钢板厚度的1 5 。 参照上述设计的承载角焊缝s n 曲线，或者可以考虑在这种焊缝更严重缺口应力集中 的情况下，增加而不是减少f a t 类的结构应力。p o u t i a i n e n 和m a r q u i s 建议将叠加标定厚 度通过应力分布于焊趾，根据通过焊接的传递力叠加到一个三角形的应力分布中，这导致 三线应力分布在双面焊接的情况下，可以考虑采取板和焊缝尺寸效应。d o n g 修改了所提到 的变体结构应力线性化跨板厚度的概念( 内部线性化) 【8 】，这种影响被认为是在预期的裂 缝增长的方向应力梯度影响基于裂纹传播方法，穿过板厚度的情况下，单面焊接的内部线 第4 页武汉科技大学硕士学位论文 性化。对于确定的结构应力有限元模型，d o n g 建议特殊程序，被认为是网格不敏感。由于 网格点应力依赖于焊趾缺u 应力奇异性在接近网格密度和由相邻的焊接元件r f l 的应力影 响，因为这些应力，它们应该以距离焊趾为d 的距离评估。通过平衡条件的膜和弯曲部分 可然后来自正常及剪应力在截面的距离，从而提供了线性应力分布的焊趾截面，该过程忽 略了在侧翼元件两侧的剪切应力。在明显的结构应力集巾的情况下，这可能会导致不准确 【明。在局部线性化的深度t l 的情况下，必须考虑在平衡条件下该深度的纵截面额外应力。 作为替代，d o n g 确定拟从焊趾中选取截面中的元素节点力结构应力，使它们更好地遵守平 衡条件。此过程是可行的，尤其是壳的元素，但它不包括部分线性化厚度方向。 对于给定的热点结构应力，确定负载周期的极限数量，包含一个特殊的结构应力的参 数蝇的“主s - n 曲线”被应用，其中蝇是由热点结构应力范围吒。和已经提到的基于裂 纹增长修改共同决定的： = 。( t 。t ) 一心，( 皖) 一圪 公式( 1 1 ) 对于板的厚度t ，参考厚度t ol m m ，在p a r i s 方程中，提到裂纹增长( 在d o n g 之后m ：3 6 ) 的幂指数m 和一个积分值，( 瓯) ，( 瓯) 取决于弯曲结构应力和总结构应力的比 率瓯2 0 - b ( o - m + 吒) 以及裂纹增长( 负载控制或变形控制) 的边界条件。通过对大量 的试验结果的评估，建立了如图1 2 所示的“主s - n 曲线图”，应用图1 2 的各热点结构应 力和并根据公式( 1 1 ) 确定结构的应力参数蝇。极限应力参数过的波动指数乃= 1 ：1 5 9 ， 这是一个对于根据代码规定的焊接接头可接受的值。其中结构应力中未考虑角误差。这意 味着失调的影响已包含在主s n 曲线，在一定程度上，样本测试中位置不准已经展现出 来了。 日 山 芝 拐 q 籁 祗 r 甾 挺 姆 疲劳失效循环次数，n ， 图1 2 主s - n 曲线 武汉科技大学 硕士学位论文第5 页 目前，d o n g 对结构应力概念的修改存在一些限制条件( 约束) ，结构应力部分线性化 假设在其叶 执行线性化疲劳有效参考长度的定义，此长度不能被统一定义，必须根据测试 结果做个别调整。 ( 3 ) 缺口应力法 在更复杂的结构细节r f l ，名义应力和设计分类都不能应用，只有局部概念适用。局部 概念应用的必要性被进一步的事实证明，其中疲劳过程有一个局部特性而且不能通过全局 ( 名义) 应力描述。局部概念可以被分为以下三组，如图2 所示：弹性结构应变或应力的 概念，缺口应力或应变的概念和断裂力学的概念。缺口应力或应变的概念( 也称为“局部应 力或应变的概念) 分别采用了最大弹性缺口应力或弹塑性缺口应变来评估疲劳强度。对于 已经定义结构应力的焊趾处、焊根或金块边缘那些尖锐的或轻度缺口，这些应力或应变可 以计算出来。弹性缺口应力的概念和弹塑性缺口应变的概念的区别在于：最初，弹性缺口 应力德概念仅限制于高循环疲劳范围，而弹塑性缺口应变的概念适用于中周期和低周期疲 劳范吲1 0 , 1 1 】。 早期的许多研究提出了( 弹性) 焊接接头的缺口应力的概念。其中m a t t o sa n d l a w r e n c e t l 2 1 根据p e t e r s o n 的临界距离方法提出了缺1 2 1 支撑影响：在n e u b e r t l 3 l 提出的虚构切 v i 圆的基础上，r a d a j t l 4 】也提出了缺口支撑作用。o l i v i e r 1 5 】等人将这些概念进行了修改( 统 计评估) ，s o n s i n o 1 0 , 1 1 1 对此概念进行了延伸，其中特别强调材料的体积和多轴强度准则。 弹性缺e l 应力的概念已被成功地应用于钢和铝合金焊接接头 1 6 1 最近由i i w 提出的修改证明了s n 曲线f a t 2 2 5 的可行性。证明过程中，设定在焊趾 或根处的最低疲劳缺v i 系数k = 1 6 ，另外证明关于结构应力【1 7 】，母材以外的焊接槽口提 供了一个足够的疲劳强度。考虑到低疲劳寿命或局部高应力水平，设计s n 曲线f a t 2 2 5 必须被限制f a t l 6 0 x 氐( 其中k 1 6 ) ，如图1 2 所示，将与母质相关的f a t 曲线 转换到了局部系统，即给出了该约束。对于这一点，考虑焊缝的焊接缺v i 因子k 可以作 为肛= l m m 时，最大缺口应力吼与相应的热点结构应力嗄之比。以上所描述的方法相当 于双层评估和采用较多非同寻常的实验结果：其中焊接缺口应力( k w 1 6 ) 与曲线f a t 2 2 5 进行了对比，在焊接缺口之外的相关的结构应力与曲线f a t l 6 0 做了对比。 ( 4 ) 断裂力学法 断裂力学的概念又可以细分为裂纹形成和裂纹扩展。裂纹形成概念中，可以确定在焊 趾处v 型缺口或焊根或块边缘的狭缝状凹口的弹性应力强度因子，然后，将这些弹性应力 强度因子与由k - n 曲线表示的极限应力强度值对比。应力强度的概念也可以被分配的缺口 应力的概念。在裂纹扩展的概念中，通过集成p a r i s 方程和假定或实际的短裂纹，对裂纹 扩展进行分析。 在尖端缺口处，边缘缺口( v 形缺口) 的弹性缺v i 应力比较特殊。缺口应力强度因子 第6 页武汉科技大学硕士学位论文 ( n s i f ) 1 8 , 1 9 控制尖端缺口附近的应力场。角焊缝有一个1 3 5 。的趾缺e l 开角，而在焊根的 狭缝端部具有一个明显的特征就是o o 的开角。在尖锐缺u 附近的应力状态接近于有限缺u 半径的相应尖端缺u 附近的的应力状态。焊趾处的局部应力场可由n s i f 表示。这取决于 转变点处( 焊趾) 结构应力水平，负载条件( 拉伸，弯曲或剪切载荷) 和钢板厚度( 尺寸 效应) 的几何形状。n s i f 概念的可能会得到应用，因为维度n s i f 取决于需要感兴趣的每 个角度的参考数据，即缺口夹角。例如，承受的应力强度因i 了的开启角度1 3 5 。，角焊缝焊 趾处的焊根( 开启角度0 0 ，如搭接接头) 没有直接的可比性。评估缺u 或缝隙的顶端，还涉 及在一个小的圆形区域内的平均应变能量密度( s e d ) 中问题此外，s e d 的方法可能包 括混合模式的负载条件下，局部塑性变形和裂纹尖端钝化对疲劳寿命的影响。因此，n s i f 概念己经在有些国家工程中的缝焊试件和结构部件中得到应用，但还需要更进一步的验证。 由h e n r y s s o n l 2 0 , 2 1 】提出点焊接头裂纹扩展特性的概念是基于从粗网状壳单元模型( 两倍 左右的焊点直径) 模拟确定由焊点连接的刚性梁单元的结构应力。这个概念的特征在于由 以下特点： 壳单元的固有特性被评估，而不光是单元受力情况，从而包括结构固有应力( 这些是 由梁单元不转移的壳单元的势力) ；裂纹萌生点的熔核边缘径向结构应力计算使用简单的 近似公式的( 刚性模型) ，并扩大了2 5 倍拉伸剪切载荷与膜应力，以便承受叠加应力， 拉伸剪切和表面张力加载；附属物应力强度因子( s i f s ) 和k ，基于r a d a j 取得的基本公 式来确定，s i f ，k 等效组合。 1 2 2 热点应力法研究现状 焊接结构的热点应力分析最初是由w k l o t h 作出的，e h a i b a c h 则从方法上奠定了定量 分析的可靠性基础。最初，热点应力法主要应用于海洋石油钻井平台焊接管节点的疲劳评 定，e n v1 9 9 3 是第一个比较全面引入热点应力疲劳设计方法的规范，但主要针对焊接管 节点。之后，国际焊接学会( i i w ) 对用热点应力评定焊接板结构的疲劳性能问题进行了试验， 并对有限元计算热点应力做出了一些总结和建议，因此，热点应力法逐渐在其它领域得到 应用。a n 锄i 【2 2 】在研究波纹腹板结构疲劳特性的时候，重点关注了翼缘与腹板的连接焊缝 区域，他采用热定应力法作为主要控制参量，结合a a s h t o 中的s n 曲线，获得了与实 测一致性较好的计算结果。 鉴于有限元在热点应力法中的突出地位，贾法勇【2 3 】针对热点应力的外推方法，研究了 有限元网格尺寸大小对计算精度的影响，认为外推方法对热点应力的影响不是很大，但网 格尺寸对热点应力有较大的影响。同时期，d o n gp 【2 4 j 基于力学基本原理及大量焊接疲劳 试验，提出了一种网格不敏感的结构应力计算方法，并给出了一种主s - n 曲线模型，可以 相对准确地计算出空间任意走向的焊缝的疲劳寿命。之后【2 5 2 7 】，他还探讨了这一方法在多 轴疲劳、轮船结构中的应用。彭凡1 2 8 】引入焊接接头的疲劳切1 2 1 系数，讨论了接头类型、焊 缝局部尺寸、板厚以及热点应力的确定方式对疲劳切i ：i 系数的影响，研究表明腹板厚度与 焊缝局部几何尺寸对疲劳切1 2 1 系数的分散性影响较小，但主板厚度的影响效应明显；此外 2 9 】，基于t a y l o r 的临界距离理论，研究了热点应力梯度对焊接接头疲劳评定的影响，提出 武汉科技大学 硕士学位论文第7 页 了考虑应力梯度影响的有效热点应力概念，分析结果表明，由有效热点应力表述的疲劳切 u 系数与接头类型以及加载方式基本无关，以有效热点应力作为控制应力可望用一条主 s - n 曲线表述不同加载方式下多种焊接结构的疲劳数据，且离散度减小。周张义 30 3 1 】钊对 平板焊接钢结构，对比研究了等效结构应力法和表面外推热点应力法2 种方法，在主要考 虑焊趾缺u 、结构板厚、载荷模式等因素影响基础上，基于断裂力学导出了等效结构应力 转化方程，研究表明，表面外推热点应力法适用于钢结构焊缝设计阶段的方案比较及方案 优化，而等效结构应力法较适合对钢结构焊缝最终设计方案进行更为精确的焊缝疲劳强度 评定和寿命预测，以及不能用表面外推热点应力法进行的钢结构焊缝疲劳强度分析。梁树 林【3 2 】采用等效结构应力法及主s n 曲线，对某客车转向架焊接构架中焊缝出现的疲劳裂纹 进行了研究，分析计算了该处焊缝焊趾与焊根上的应力集中系数，也计算了该处焊缝焊趾 与焊根上的疲劳寿命与损伤，疲劳损伤计算结果与实际开裂情况相当吻合，之后，对改进 设计的疲劳寿命及损伤再次进行了计算，结果表明：改进方案显著地提高了该处的抗疲劳 破坏能力。 1 2 3 起重机疲劳评定研究现状 我国起重机设计规范2 0 0 8 ) ) 明确规定e 4 级( 含) 以上的结构件应该校核其疲劳强 度，按照这一要求，达到上述工作级别的起重机在设计过程中都必须校核关键部位的疲劳 强度。从金属结构的受力特点和焊接结构的应力集中等级两方面出发，通常设计过程的疲 劳校核主要集中在两个位置 3 3 t3 4 】：一是主梁横向火隔板与主腹板的连接焊缝处，二是主腹 板与下盖板的翼缘焊缝处，实际的计算截面一般选择在跨中、跨端和1 4 跨位置【3 5 】。 r a y m o n d t 36 】采用损伤累计原理和基于名义应力的有效应力幅方法研究了起重机走行梁 的铆接和焊接疲劳寿命，该文采用了a n s i a w s 标准中的接头细节等级和s n 曲线。 j a m e s 【3 7 】基于a i s cl r f d 规范，分析了起重机焊接梁结构疲劳裂纹的破坏机理，介绍了起 重机焊接结构的疲劳分析方法和基本步骤。这2 篇文献主要从设计角度出发，针对基于材 料力学和结构力学的应力分析得到的危险部位开展疲劳强度计算。 o z d e n t 3 8 】对某炼钢厂的全部起重机走行梁进行了疲劳寿命分析，首先分析了走行梁接 头形式的类型，然后采用现场实测数据与有限元计算相结合的方法模拟了真实的载荷谱， 最后利用a a s h t o 规范中的细节分类和s - n 曲线计算了现有结构的剩余寿命。x i a o l i t o n g t 3 9 l 针对2 种典型的起重机主梁端部接头形式，分析了几何形状突变区域的裂纹扩展行 为，通过有限元方法获得了该部位的应力分布规律以及应力集中系数，结合g b j1 7 8 8 中 的s n 曲线提出了主梁端部接头疲劳计算的方法和步骤。m e u l e r t 删对工字钢结构的起重 机主梁轨道焊缝的疲劳特性进行了研究，采用有效的等效应力综合方法( e e s h ) 考虑焊 缝局部区域的多轴应力特性，并将其作为疲劳评定的控制参量。 1 2 4 现状分析 国内通过上述疲劳强度校核的起重机在使用过程中仍经常发生裂损事故，并且大多数 裂纹远离校核位置，这表明，常规的计算方法并不能很好地解释和评定起重机金属结构的 疲劳行为和性能。国内外有关研究机构自上世纪7 0 年代起就热点应力法的理论原理、确 第8 页武汉科技大学 硕士学位论文 定方法和实施步骤等问题展开了系统研究，研究成果在海洋工程结构中得到了广泛的应用， 热点应力法也被围际焊接学会( i i w ) 引为主要的焊接结构疲劳评定方法。因而综合以上 研究现状，可以得到以下结论： ( 1 ) 现有的基于名义应力的计算方法不适合起重机金属结构的疲劳判定，也无法很好地 解释现有起重机金属结构中出现的疲劳裂纹，只有从焊缝局部的角度出发，才能够 解决起重机金属结构的疲劳评定问题。 ( 2 ) 热点应力法作为一种适合焊接结构疲劳评定的有效方法，在起重机金属结构的疲劳 评定方面也具有较强的可行性。然而，在热点应力的确定原则、有限元模型构建方 法以及疲劳评定可靠性方面还有极大的研究空间。 1 3 研究内容和目标 1 3 1 研究内容 通过对国内外焊接结构疲劳评定方法的调研，对热点应力法的研究现状及其在焊接结 构疲劳评定中有效性的了解，针对起重机金属结构疲劳裂纹大量存在的现状，本课题确定 如下研究内容： ( 1 )基于热点应力法，在研讨比较热点应力法及名义应力法优劣性及其适用范 围的同时，分析影响金属结构疲劳寿命的因素。 ( 2 )结合参数化有限元建模技术，研究起重机中典型金属焊接结构热点应力分 布规律，探索热点应力集中系数与结构的关系。 ( 3 )在对起重机典型焊接结构的研究基础上，深入探究起重机金属结构疲劳评 定更准确的方法，探索基于热点应力法及名义应力法评定起重机金属结构 疲劳寿命的系统应用路线。 ( 4 )结合实例及现场数据，对起重机整机金属结构进行疲劳寿命评定，验证热 点应力法在起重机金属结构疲劳评定中的可靠性及有效性。 1 3 2 研究目标 本课题拟研究目标如下： ( 1 ) 确定一种起重机金属结构关键焊接部位的热点应力的求解方法，提出相应的热点应 力集中系数及热点应力计算公式，使获得的热点应力可以作为该位置疲劳评定的有效参量。 ( 2 ) 探究建立一种综合热点应力法及名义应力应力法评定起重机金属结构疲劳寿命的系 统有效方法，既可以从全局的角度分析整体结构的整体疲劳强度，也可以从局部的角度揭 示复杂接头区段的细节疲劳寿命，为起重机的疲劳校核提供一种新的思路。 武汉科技大学硕士学位论文第9 页 第二章热点应力法基本原理 2 1 热点应力的概念和构成 2 1 1 热点应力的定义 热点定义为结构巾危险截面的危险点，也代表着结构最大应力处循环载荷的局部热 效应( 手感发热疲劳现象) ，热点应力即结构应力中的最大应力。结构应力又称为几何应 力，它是焊接结构中连接板表面上焊缝边缘或焊趾附近的局部应力，符号为瓯。根据众多 的调查和研究，发现金属焊接构件的焊趾处最经常出现疲劳裂纹，由选择焊趾处点作为焊 接结构的热点。 热点应力法是基于以下假设形成的 3 0 , 3 i 】： ( 1 ) 构件的s n 曲线数据全有同样的斜率，且s n 曲线同样n 值时的不同l g s 的比值 表示各个节点之间的结构几何形状之间的差异； ( 2 ) 节点类型不同步影响局部疲劳特性，各节点疲劳特性的差异是由结构几何形状之 间的差异性决定的； ( 3 ) 热点应力集中系数的不同能够反映结构几何形状之间的差异。 热点应力等于结构表面热点处膜应力与弯曲应力之和的最大值【17 1 ，不包含焊缝边沿细 小缺口带给的非线性应力，热点应力和缺口应力之间的区别也就在此，如图2 1 ，及公式 2 1 。 拶k = o u + + 口 卜一 ： ( a ) 梯形过渡( b ) 圆弧过渡 图3 32 种典型的梁端部构造 梁的断面形状有工字型和箱型两类，工字梁由三块钢板组成，结构简单，焊接工作量 小。箱型梁的断面为封闭形，整体结构刚度大，可以承受较大的外力，主要同时承受水平 和垂直弯矩或转矩作用时的工作状况。 3 1 3 焊接结构特点及其疲劳影响因素 金属结构是起重机最重要的组成部分之一，而焊接结构又是起重机金属结构的主要形 式。根据两个被连接件的制件的装配关系，焊接结构的基本类型有四种：对接接头、搭接 接头( 含盖板接头) 、丁字接头( 含十字接头) 和角接头【4 8 1 。根据接头焊区的形状和连接 特点，接头内的焊缝可分为对接焊缝、贴角焊缝、塞焊缝和槽型焊缝。其中焊接接头、丁 字接头、角接接头的贴角焊缝以及搭接接头的塞焊缝、槽型焊缝主要用来传递剪力，因此， 从焊缝连接构造和强度计算特点出发，把这类焊缝统称为角焊缝，而另一类焊缝称为对接 焊缝。对接接头通常采用对接焊缝( 若不焊透则为角焊缝) ，搭接接头一定是采用角焊缝， 但r 字接头和角接接头，两种焊缝型号都可能采用，主要区别在焊缝是否能够在板边整个 厚度上连续焊透。 起重机金属焊接结构的构造和工艺特征决定了焊接结构具有以下特点： ( i ) 焊接结构的刚性和整体性。焊接时刚性连接，焊缝既是连接元件又是结构中的 一部分。它使零部件之间不能产生位移，因此，刚性较大( 铆接接头有一定的移动可能) 不容易缓和高峰应力，也就是说应力集中的敏感性大。如果设计中采用了应力集中系数较 大的构造式或接头形式，在一定条件下( 如温度较低、结构材料的塑性较差等) 就可能在 这些部位发生破坏，甚至发展到整个结构的破坏。由于结构的整体性，容易保证整体结构 的刚度、强度及安全性。但如果设计不当或制造不良，事物向相反方向转化，优点反而变 为缺点。如结构的整体性，很可能给裂纹的扩展创造了十分便利的条件，当焊件结构某一 部分发生裂纹，就可能扩展到结构的整体而引起破坏，因此有些大型重要结构( 如桥梁等) 还保留一些铆接接头，其原因就在于此。 ( 2 ) 焊接时对基本金属不均匀加热和局部再熔炼的过程，因而造成在接头处( 基本 金属、热影响区、焊缝金属) 的化学成分、晶相组织及机械性能的差异( 不均匀) ，这必 然影响到结构强度。 ( 3 ) 焊接结构中普遍存在残余应力和变形。 武汉科技大学 硕士学位论文第1 9 页 ( 4 ) 焊接缺陷在整个焊接工艺过程中难以完全避免，它在不同程度上降低了结构的 强度。 归纳这些特点，可以说在材料、设计、制造工艺三方面，以及焊接结构使用时所处的 介质环境、载荷性质等因素都影响焊接结构的强度。 3 1 4 起重机金属结构疲劳破坏 起重机结构巾出现的疲劳破坏形式主要是焊接箱形梁在随机载荷作用下的疲劳破坏。 其疲劳破坏是材料在交变载荷作用下损伤逐渐累积的过程。破坏前不会出现明显的宏观塑 性变形，经过长期使用后，在征兆很不明显的情况下突然断裂，造成事故【5 0 1 。 疲劳裂纹一般发生在实际构件或结构的有高应力集中的某个危险区域内，如载荷变化 而引起的不连续，焊接接头的热影响区，表面粗糙度不好或某些其它外形上的问题。预测 裂纹的形成十分重要，因为如果这可以达到很高的置信度，那么破坏的危险显然大大减小， 至于裂纹扩展寿命则可用断裂力学概念来加以估计。若不允许有肉眼可见的疲劳裂纹，则 预示疲劳裂纹的形成对于高的或低的应力或应变循环可能同样重要。从上述讨论可见，应 力或应变的绝对幅值影响疲劳裂纹的形成，或许可以认为这是与塑性应变的累积有关。 图3 4 起重机主梁圆弧过渡处裂纹 通过对一些钢厂的起重机调研及查阅有关资料，发现常常关心的被认为危险截面的主 梁跨中部位很少见其发生疲劳破坏，反而在人们不怎么关心的起重机主梁端部于端梁连接 部位，梁的圆弧过渡处，端梁的中部，端梁与车轮连接部位等常发现疲劳裂纹，如图3 4 。某 钢厂2 0 0 7 年投产的3 5 0 t 铸造起重机，在2 0 1 2 定期检查时发现四个主梁端部过渡圆弧处均 有裂纹，如图3 5 。 第2 0 页武汉科技大学 硕士学位论文 图3 53 5 0 t 铸造起重机主梁圆弧过渡处裂纹 虽然投入使用的起重机都经过疲劳强度校核，但仍经常发生裂损，而且发现的大多数 裂纹并不在常常校核的主梁跨中截面和跨端截面，这些实事表明常规的计算方法并不能很 好地解释和评定起重机金属结构的疲劳行为和性能。 3 2 起重机典型焊接结构的热点应力分析 由于端部梯形过渡变截面梁、端部圆弧过渡变截面梁在起重机中较为常见，而这些结 构在起重机金属结构强度中又起着至关重要的作用，在对起重机的检测中又常常在这些过 渡部位发现裂纹，而我国现有的疲劳评估理论也不能准确的预测这些部位的疲劳寿命。因 而对这两种典型结构的疲劳强度展开细致的研究显得尤为重要。 3 2 1 典型梁结构几何模型及有限元模型简介 端部圆弧过渡梁是起重机端梁，起重机小车，人吨位桥式起重机主梁常见的截面形式。 端部梯形过渡梁也是中小吨位起重机主梁的常见形式，考虑起重机高度限制和应力集中的 影响梯形截面的斜率通常控制在1 ：2 到1 ：4 之间。根据常见起重机金属结构，本文针对上 述典型结构来研究其相应的热点应力。为简化计算，截面形式均采用工字型截面。端部梯 形过渡梁的梯形截面斜率取典型的l ：3 的比例。研究模型结构如图3 6 及图3 7 ，两种梁的 主要参数如表3 1 ： 图3 6 圆弧过渡梁研究模型 武汉科技大学倾i ：学位论文第21 页 图3 7 梯形过渡梁研究模型 表3 1 研究模型基本参数 参数基准基准增量 最小取值最人取值 h i ( r a m ) 6 0 01 0 04 0 08 0 0 h 2 ( m m ) 1 0 0 01 0 08 0 01 2 0 0 r ( m m ) 1 5 02 57 52 5 0 t l ( r a m ) 2 051 02 5 t 2 ( m m ) 1 52 5 i o 2 5 t 3 ( m m ) 1 52 51 02 5 l ( m m ) 6 0 0 01 0 0 0 4 0 0 01 0 0 0 0 l l ( m m ) 5 0 01 0 03 0 07 0 0 q ( t ) 4 51 53 09 0 为准确分析结构的热点应力情况，采用i i w 推荐的8 节点板壳单元对结构模型进行 划分，在本文关注且需要研究的特定部位圆弧过渡部位，按l l w 荐的接近t x t 人小密 网格划分，热点部位在距离方向按0 4 t 划分。其他部位划分较疏网格，t 3 = l5 m m 圆弧过 渡梁有限元网格模型如下图3 8 ，t 3 = 1 5 m m 梯形过渡梁的有限元网格模型如下图3 9 。为 模拟梁在起重机中的工况约束条件，模型采用一边端部固定，另一端部按铰接形式施加边 界条件，在模型中部施加集中载荷。 图3 8 圆弧过渡梁有限元网格 第2 2 页武汉科技大学硕士学位论文 图3 9 梯形过渡部位梁有限元网格 3 2 2 典型焊接结构的名义应力与热点应力 通过有限元计算得到结构中各个节点有限元计算应力结果，一种载荷工况下圆弧过渡 梁应力云图如图3 1 0 ，梯形过渡梁应力云图如图3 1 1 所示。从应力云图中的应力分布可以 看出在圆弧过渡部位应力较大，且腹板上较大的应力分布线与水平线成一定夹角。应力云 图的结果与起重机主梁及端梁等梁的圆弧过渡部位出现的疲劳裂纹，及裂纹沿腹板扩展的 方向较为吻合，说明此部位裂纹可以从结果中找到一定根据。 h n a i v s i sh e s u i t s 图3 n 圆弧过渡梁v o n m i s e s 应力云图 。a 。n 。a l y 1 。s 。i 。s 。r 。e 。s 。u 。l t s 图3 1 2 梯形过渡粱v o n m i s e s 应力云图 武汉科技大学硕士学位论文第2 3 页 端部圆弧过渡梁r = 1 5 0 ，t l = 2 0 ，t 2 = 1 5 , t 3 = 1 5 时，过渡圆弧附近名义应力及按i i w 推荐的 两点线性外推公式计算出热点应力分布如下图。其巾1 l 号节点为圆弧起始点，4 9 号为圆 弧截止点。从图3 1 3 及图3 1 4 可以看出热点应力较大的部