焊接工程师课程-IWE-3-3.14-15动载焊接结构的设计

2010第29期国际焊接工程师班编稿 上海交通大学陈立功 IWE 3 3 314 15动载焊接结构的设计 1 焊接结构疲劳强度设计的一般原则 总则 排除或减小应力集中的影响 动载结构设计三步曲 1 考虑实用性的功能设计 提出结构承载能力 强度 刚度 腐蚀度 寿命的具体要求 不高不低 兼顾安全性和经济性 2 方案设计 在了解动载状况和寿命要求的前提下确定材料 构造 工艺等综合设计方案 教材中的 传递 自动化程度 控制方式 等应转化为动载状况问题 3 施工图设计 动载焊接结构 焊接接头的合理选择及细部重要尺寸的正确计算 动载结构设计强调 重视应力集中的现实 1 焊接接头 属刚性连结 由于连结形式 焊接变形 焊接缺陷等导至应力集中和存在焊接残余应力的必然性 2 动载对应力集中的敏感性 残余应力与动载最大应力叠加的可能性 动载结构设计注意点 排除和减小应力集中 1 承受拉 弯 扭构件 在截面面积变形时的平缓过渡 避免附加应力和应力集中 2 对接 角接 丁字 十字接头等 优先采用对接焊缝 少用角接焊缝 3 由于单面搭接接头角焊缝的焊根 焊趾存在偏心弯矩和应力集中 尽量避免使用 4 角焊缝和非溶透对接焊缝的焊根 焊趾是危险的应力集中位置 通过开坡口加大熔深减小焊根部的应力集中 通过对焊趾的加工 圆滑打磨 重熔等 减低应力集中 5 在拉应力场的焊根 焊趾端部或应力集中处 开应力缓和槽 孔 1 2010第29期国际焊接工程师班编稿 上海交通大学陈立功 IWE 3 3 314 15动载焊接结构的设计 2 疲劳强度的许用应力设计法 传统方法 我国原钢结构设计规范 对基本计算和连结的疲劳计算采用疲劳许用应力 1 许用应力的确定通过试验确定材料和结构的疲劳强度或疲劳极限 r 0 特定疲劳N次的 d或N足够大时 d 按存活率 一般结构 97 7 特重要结构99 99 和疲劳循环次数 如2 106次 确定疲劳确定 r 疲劳强度的许用应力为 rp r n式中n为安全系数 存活率 使用周期终了构件安全水平指数 查表或计算获得 p7 14页 2 最大疲劳工作应力为 max rp 3 传统方法存在的问题未考虑疲劳载荷的积累效应 未考虑过载峰值对疲劳寿命的影响 未考虑变化的不确定因素 已把这些不确定因素涵盖在安全系数n内 2 2010第29期国际焊接工程师班编稿 上海交通大学陈立功 IWE 3 3 314 15动载焊接结构的设计 3 焊接结构的寿命设计3 1疲劳裂纹的亚临界扩展静载条件下 按线弹性断裂力学 对初始裂纹a0只有在 max 0 C 即K K1C时 才会失稳扩展 在疲劳载荷下 初始裂纹a0在循环载荷 max 0 C 裂纹就会缓慢扩展 初始裂纹a0扩展到临界裂纹aC的过程 称疲劳裂纹的亚临界扩展阶段 研究疲劳裂纹亚临界扩展规律对疲劳设计 疲劳寿命确定具有重要理论意义和实用价值 3 2疲劳裂纹扩展规律两种设计原则 1 按疲劳裂纹发生寿命设计 以积累损伤不产生疲劳裂纹为限度 2 按疲劳裂纹扩展寿命设计 以积累损伤 疲劳裂纹不失稳扩展为限度 c a0 ac a0 aC 失稳扩展 亚临界扩展 3 2010第29期国际焊接工程师班编稿 上海交通大学陈立功 IWE 3 3 314 15动载焊接结构的设计 疲劳裂纹扩展速率计算公式一般公式 da dN f a C N疲劳次数 a裂纹长度 疲劳应力 C材料常数帕瑞斯 Paric 公式 da dN C K n K应力强度因子幅度 K Kmax Kmin n 2 7 塑性 脆性 帕瑞斯认为 K是裂纹尖端的应力强度因子 故也是裂纹扩展速度的重要参量 10 2 10 1 10 3 da dN mm 次 10 4 500 1500 2000 1000 K mm3 2 对无限大薄板 K a 1 2 K a 1 2 按帕瑞斯公式 亚临界扩展速率不受试验几何形状和加载方式的影响 只受应力强度因子幅值的影响 其过分强调 K和 作用 而忽视了Kmax的增大 特别是Kmax趋近K1C时对裂纹扩展的加速作用 4 2010第29期国际焊接工程师班编稿 上海交通大学陈立功 IWE 3 3 314 15动载焊接结构的设计 福曼 Forman 修正公式 da dN C K n 1 r K1C K C K n K1C Kmax K Kmax C K nKmax K1C Kmax K 由于引入循环特征系数r 能更好描述不同r的疲劳裂纹扩展规律 裂纹扩展速率是C r K和K1C的函数 K1C越大da dN越小 10 2 10 1 10 3 da dN mm 次 10 4 500 1500 2000 1000 K mm3 2 R 0 1050 2310 3330 4550 524 5 r min max m a m a 1 r 1 2010第29期国际焊接工程师班编稿 上海交通大学陈立功 IWE 3 3 314 15动载焊接结构的设计 由于许多高韧性材料的K1C无法测得 因此华格 Walker 提出疲劳扩展速率计算公式da dN C Kmax 1 r m n C Kmax Km Kmaxm n C KmKmax1 m n式中m 1 301不绣钢m 0 667 铝合金2024 T3m 0 5 7075 T6m 0 425 n 2 7当m 1时 华格公式与帕瑞斯公式完全一致 试验结果见左下图 当 K在较大范围变化时 我国著名学者陈篪 篪chi音 迟 竹制乐器 提出了广域计算公式 da dN K2 Kth2 K1C2 K2 p 10 2 10 1 10 3 da dN mm 次 10 4 1000 100 K mm3 2 r 0 1030 2310 3330 4550 524 A C B D 平断口A 转折点 全切变或平面断口D 切变斜断口C 开始形成小脊断口B Kth 转折点 da dN mm 次 K mm3 2 6 n 直线的斜率 2010第29期国际焊接工程师班编稿 上海交通大学陈立功 IWE 3 3 314 15动载焊接结构的设计 7 2010第29期国际焊接工程师班编稿 上海交通大学陈立功 IWE 3 3 314 15动载焊接结构的设计 3 3疲劳裂纹扩寿命计算若经N0次疲劳循环 裂纹扩展的a0长 在有K1C计算出裂纹失稳扩展的临界长度aC 即可根据上述公式 如帕瑞斯公式da dN C K n 求定积分 得到剩余寿命 公式1公式2 由于 ac a0 n等都是不变或基本不变的数 可以合并到新常数C 故上2个公式可以简化为 国际焊接学会 N C m我国钢结构标准 C N 1 m 8 2010第29期国际焊接工程师班编稿 上海交通大学陈立功 IWE 3 3 314 15动载焊接结构的设计 4 疲劳极限状态设计法 基于计算机技术的发展和疲劳试验技术的发展 4 1从随机变幅载荷的实际情况出发 1 仅适合低应力 中 高周随机疲劳 不适合以下状况 表面温度大于150 及相变 蠕变等问题 腐蚀介质环境下腐蚀对疲劳扩展的影响 消应力热处理可能造成构件的晶粒粗大对疲劳寿命的影响 2 应力强度因子 K Kmax Kmin 与裂纹扩展速度直接相关 本设计法将 max min作为重要计算参数 因为 比 K更容易材料和计算 3 实际结构多在随机变幅疲劳载荷下服役 通过传感器实测并记录疲劳应力谱 再采用统计方法 将不同应力水平的 i及其发生率ni 绘制成疲劳应力谱直方图f f 或然率 研究分析表明 i及其ni所产生的疲劳损伤 符合疲劳线性累积损伤定则 9 2010第29期国际焊接工程师班编稿 上海交通大学陈立功 IWE 3 3 314 15动载焊接结构的设计 fi i t ni i 设计应力谱 实测应力谱 10 统计的不同动载幅度 i 概率n曲线 直方图 实测动载 时间曲线 疲劳应力谱 直方图 2010第29期国际焊接工程师班编稿 上海交通大学陈立功 IWE 3 3 314 15动载焊接结构的设计 4 疲劳线性累积损伤定则D n1 N1 n2 N2 ni Ni 1当D 1时 则损伤累积到疲劳破坏的程度 式中 Ni是对应于 i的疲劳循环次数根据此公式 可以将随机变幅应力转化成等效等幅应力的表达式 5 等效等幅应力 eq imni N 1 m式中 N ni 相当于在 eq作用下的 发生疲劳破坏的次数 i 变幅载荷所引起的各个水平的应力幅值 ni 对应于 i的循环次数 并假定 1 低于疲劳极限的 i 无影响 不计入 2 i加载顺序的影响忽略不计 均方根差Seq反映 i的分散度 和对 eq计算准确度的影响 11 2010第29期国际焊接工程师班编稿 上海交通大学陈立功 IWE 3 3 314 15动载焊接结构的设计 4 2疲劳强度曲线针对各自不同的实际结构特点 eq或 S 疑 i 是疲劳载荷在结构上的应力效应 R是结构抵抗疲劳载荷的能力 二者皆随结构的不同时间 环境的而变化 是疲劳极限设计法的因素 1 将实际结构细分各种不同的细节类别 共8种 见讲义表1 采用试验与理论分析计算求得它们的疲劳强度 Ri 其平均值和均方差值按下式计算 2 各细节的疲劳强度值 R Ri 2SR 绘制 R N疲劳强度曲线 讲义表2提供了不同疲劳寿命N的疲劳强度 R 且将N 2 10 6的疲劳强度作为细节类型 3 欧洲钢结构疲劳设计规范表达式 m 抗力变化分项系数 s 载荷变化分项系数 m s均 1的系数 表明允许的载荷效应指标 eq减小了由 m s决定的额度 以确保安全 12 2010第29期国际焊接工程师班编稿 上海交通大学陈立功 IWE 3 3 314 15动载焊接结构的设计 4 中国钢结构设计标准GB 17 88疲劳设计计算公式 e 疲劳应力幅值 e max min对随机变幅疲劳应力按等效等幅应力 eq计算 e eq im ni N 1 m 这属于疲劳载荷在结构上的综合效应 对 R s m 也可由疲劳强度曲线 R N得出 C N 1 m 称允许疲劳应力幅度 分8个级别 与表1列出了19种构件及其连结的8个类别相对应 各类别的C值和N 2 106时的 值见表3 根据具体构件和连结的类别查到m C的值 再根据计算公式 C N 1 m 即可计算出不同循环次数N时的允许疲劳幅值 N 13 2010第29期国际焊接工程师班编稿 上海交通大学陈立功 IWE 3 3 314 15动载焊接结构的设计 按表1 按表3 14 2010第29期国际焊接工程师班编稿 上海交通大学陈立功 IWE 3 3 314 15动载焊接结构的设计 按表2 查细节类别为90N mm mm的不同N的疲劳强度数值 R 查表与计算结果列表 用Origin作图 c 1 47e12 m 3 15 2010第29期国际焊接工程师班编稿 上海交通大学陈立功 IWE 3 3 314 15动载焊接结构的设计 4 3设计寿命是正常使用 正常运行而无须修理的周期考虑各零部件寿命的均衡性 防止薄弱环节对对整体寿命的影响 4 4保证使用周期终了时的存活率结构的载荷效应和承载能力 会随时间环境的变化而变化 极限设计要考虑这些变化的影响 并保证周期终了时 结构的实际存活率 存活率可以通过安全水平指数 的计算或查表获得 4 5国际焊接学会 循环加载焊接钢结构疲劳设计规范焊接结构的疲劳寿命取决于结构内焊接接头的疲劳强度 而焊接接头的疲劳强度又取决于疲劳载荷的应力幅值和接头类别所决定的应力集中状况 本规范适合屈服强度小于700MPa的碳钢 碳锰钢和细晶粒调质钢 不适合严重腐蚀介质下工作的焊接结构 16 2010第29期国际焊接工程师班编稿 上海交通大学陈立功 IWE 3 3 314 15动载焊接结构的设计 1 疲劳评定程序 载荷历程 应力谱 结构寿命 焊接接头细节类别 相关S N曲线 等效等幅应力 实际需要寿命 安全评定 2 S N疲劳强度曲线根据常幅疲劳试验的数据建立 采用双对数疲劳曲线 公式 C值大小决定各曲线的位置 m在3 4之间变化 当应力幅值小时如 m 3 C 7 10 10或m 3 5 C 4 10 11 可视为静载无须进行疲劳强度计算 疲劳应力幅值 R5 10 8时 亦无须进行疲劳强度计算 3 载荷效应应力幅值计算 并未考虑焊缝附近的孔洞 拐角的应力集中因素 疲劳强度计算时应于以考虑 17 2010第29期国际焊接工程师班编稿 上海交通大学陈立功 IWE 3 3 314 15动载焊接结构的设计 18 细节类型 常幅疲劳极限 C N 1 m 2010第29期国际焊接工程师班编稿 上海交通大学陈立功 IWE 3 3 314 15动载焊接结构的设计 19 m 3 常幅疲劳极限 细节类型 N C m 2010第29期国际焊接工程师班编稿 上海交通大学陈立功 IWE 3 3 314 15动载焊接结构的设计 20 m 3 5 2010第29期国际焊接工程师班编稿 上海交通大学陈立功 IWE 3 3 314 15动载焊接结构的设计 4 6欧洲钢结构协会的疲劳设计规范公式 m 抗力变化分项系数 s 载荷变化分项系数 m s均 1的系数 表明允许的载荷效应指标 eq减小了由 m s决定的