动载焊接结构设计Ⅱ(疲劳强度寿命计算)._第1页
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文档简介

1、WTI Harbin动载焊接结构的设计 I、n TWE -3/3.14-15 18*动载焊接结构的设计aoac裂纹长度“思考题6:应该如何进行焊接结构的疲劳强度设计?1、焊接结构疲劳强度设计的一般原则设计过程可分为以下三个步骤:?考虑实用性,进行功能设计 根据结构未来的工作情况,合理地提出结构的承载 能力、强度、刚度、耐蚀度、使用寿命等比较具体的要求。考虑安全性,这些要 求不能太低;考虑经济性,这些要求也不能过高。?进行方案设计根据上述要求,选择确定结构材料、结构构造形式、传动形式、自动化程度、控制方式、生产制造工艺等综合设计方案,它们互相联系,又互相 制约;?进行具体的施工图设计绘图前,进行

2、必要的计算,以便确定结构的重要尺寸。 我们要讲的是如何合理选择动载焊接结构、焊接接头的结构形式和怎样进行必要 的计算。设计动载焊接结构必须特别强调两点: 动载”对应力集中非常敏感;焊接 接头属于刚性连接形式,对应力集中也比较敏感。而且 焊接结构”难免有焊接残 余应力、变形、焊接缺陷等,存在应力集中现象。因此,设计动载焊接结构时,必须注意以下几点:?承受拉伸、弯曲、扭转的构件,截面面积变化时,尽量保持平顺、圆滑的过 渡,尽量防止或减小构件截面刚度突然变化,避免造成较大的附加应力和应力集 中。?对接、角接、丁字、十字接头等,均应优先采用对接焊缝,少用角焊缝;?单面搭接接头角焊缝的焊根、焊趾处,既有

3、偏心弯矩的作用,又有严重的应力 集中,承受疲劳载荷的能力很低,必须尽量避免采用这种接头形式;?承受疲劳载荷的角焊缝(未焊透的对焊缝,也看作角焊缝),危险点在应力集 中比较严重的焊缝根部或焊趾处。应采用如下措施:开坡口,加大熔深,减小焊缝根部的应力集中;将焊趾处加工成圆滑过渡的形状,减小焊趾的应力集 中;?处于拉应力场中的焊趾、焊缝端部或其它严重的应力集中处(如裂纹),应设 置缓和槽、孔,以便降低应力集中的影响。总之,应采取一切措施,排除或减小应力集中的影响。2、疲劳强度的许用应力设计法我国钢结构标准,原设计规范基本金属及连接的疲劳计算中,采用疲劳许用应 力。?许用应力的确定 先通过实验测定材料

4、、结构的疲劳强度或疲劳极限,再 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2X106 次)确定疲劳强度 r;疲劳强度的许用应力rp r式中:n-安全系数;?设计原则最大疲劳工作应力 max站用应力 rp ?缺点没有考虑疲劳载荷的累积效应; 没 有考虑过载峰对疲劳寿命的影响;没有考虑千变万化 的不确定因素。过去把这些不确定因素的影响,涵盖在安 全系数里,加以考虑。电站两例 3、焊接结构的疲劳寿命设计3. 1疲劳裂纹的亚临界扩展 思考题7:何谓焊接结构的疲劳寿命?如何设计才能保证焊接结构的疲劳寿命,又经济合理?图1亚临界裂纹扩展与临界尺寸一个初始裂纹aO的构件,只有

5、载荷应力达到临界值C时(图1),亦即当裂纹尖端WTI Harbin动载焊接结构的设计 I、n TWE -3/3.14-15 19Ir聶 tVjiZ 艸I的应力强度因子K1达到临界值K1C时,才会失稳破坏。一个有初始裂纹aO的构件承受 max 0C的循环应力时,裂纹会发生缓慢扩展。初始裂纹 aO扩展到临界裂纹aC的过程,称为疲劳 裂纹的亚临界扩展阶段。研究疲劳裂纹亚临界扩展规律,对结构的疲劳寿命设计 和确定现役结构的疲劳寿命,具有重要的理论意义和实用价值。3.2疲劳裂纹扩展规律疲劳寿命设计有两种设计原则:?按疲劳裂纹发生寿命A K,N/mfn3/21 2旷 .o o111 :I?、EE之 p、0

6、P100 10 00A K,N/mm8/2w Me ?«、Z£>UUM仝1o0 103V0.231O0.333A0,455O0. 524£ /r3L07*&试验ia度室iii100*以华格公式处理A kpZ / mmV2设计:该设计法以积累损伤不产生疲劳裂纹为限度。?按疲劳裂纹扩展寿命设计:该设计法以积累损伤,疲劳裂纹不失稳为限度。(如某水电厂发现水轮机蜗壳上有一个较长的裂纹,为例)疲劳裂纹扩展速率计算公式:,C C:与材料有关的系数K n 27 (塑脆)n图2不同加载方式的实验结果a K a2,可见亚临界裂纹扩展速率不一般公式:dN f a, 帕瑞

7、斯公式:dN C 对于无限大薄板:K 帕瑞斯的实验结果如图裂纹扩展速率K相同,r不同, ,即 K的作用,受试样几何形状和加载方式的限制,各实验点都落在一条直线上, 直接接受应力强度因子幅值K的控制。但图3的结果说明,裂纹扩展速率并不相等,这说明,帕瑞斯公式过分强调了而忽视了 Kmax增大,特别是Kmax趋近K1C时,对裂纹扩展的加速作用。考虑 了上述因素的是福曼公式:图3不同r对da/dN的影响dNCC Kn 1 r K1C KKKmaxKn 1 r图4福曼公式处理后的da/dN K1C KmaxKmi nKmaxKKmax C K Kmax K1C Kmax以福曼公式处理图2的实验结果,绘到

8、图4上,其直线度更好。但许多高韧性材料难以测出 K1C,难以使用此公式。合并 Kmax、K1C Kmax作用的是华格公式: dN CKmax 1 rn C Km K 1 m nm CKmax KmKmax mn max图5华格公式处理后的da/dN式中m 1:不锈钢(301型)m 0.667;WTI Harbin动载焊接结构的设计 I、n TWE -3/3.14-15 2O铝合金 2024-T3 m 0.5,7075-T6 m 0.425。数据处理结果见图5。n 27,是图中直线的斜率。K在较大的范围内变化时,如图6所示,n有不同的数值。能够反映这 一广域情况的是陈篪公式:2dadN K2 K

9、th1C K2 pK23. 3疲劳裂纹扩展寿命的估算若经过NO次疲劳循环,裂纹扩展到a0长,再由K1C 计算出裂纹失稳扩展的临界尺寸 aC,即可根据上述公 式,如帕瑞斯公式dN C K ,求定积分,得出剩nNfaC图6 da/dN A K的一般关系图 余寿命:情况:NCnNf2N Nf NO dNKa,代入上式得NO aC12aCn aCNOda。 naOC K对于无限大板中心穿透裂纹的aOn 121 式中 n 2。2,则剩余寿命:NInnaC a0相比,NfNO 11C与中,上面的两个公式可以简化为:或N C规范)m (用于我国钢结构标准)。式中:C N 实验数据求得。、aC、aO、n等都是

10、不变或基本不变的数,将它们合并到常数cN c(用于国际焊接学会设计m,设定 m ,c可使通过4、疲劳极限状态设计法转折点11转折点Iij全切变或平面斷口 世&帚 切变斜断口 (C)开始形成小普断(£?)宏观斷口示爲;图ABC DOT 平撕口(彳)应力强胆因子幅度置,AK2)随着计算机技术的飞速发展,现代极限设计法,日趋科学和完善。疲劳极限状态 设计法的基本特点和基本公式如下。4. 1从结构的随机变幅载荷的实际情况出发;?疲劳极限状态设计法,仅适用于低应力中、高周随机变幅疲劳的结构元件及其 连接的疲劳计算。对于:结构表面温度高于150C易氧化,更高可能有相变、 蠕变等,问题;海

11、水、腐蚀介质环境会加速裂纹的产生和扩展;消除焊接残余应力的高温热处理可能使构件晶粒粗大,疲劳寿命降低;高应变低周疲劳扩展速率很大等,以上特殊情况,另有计算办法,不属于疲劳极限设计法的应用范 围。WTI Harbin动载焊接结构的设计 I、n TWE -3/3.14-15 21i羊爭£單I _?裂纹尖端K因子的变化幅值 K Kmax Kmin与裂纹扩展速率直接相关。疲 劳极限状态设计法,将应力变化幅值max min,作为重要的计算参量。因 与 K在特定结构中有对应关系,而比K容易测量和计算。11 IUiUhV?实际结构多在随机变幅疲劳载荷下服役。通过传感器可实际测量并记载(或用理论计算

12、),获得随机变幅疲劳载荷应力谱(如图 7所示),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。整理后的直方图如图8所示。实验研究结果表明,i图7货车主梁的疲劳应力谱及其直方图及其ni所产生的疲劳损伤,符合疲劳线性累积损伤定则。?疲劳线性累积损伤定则:D n1n2niNi 1 N1N2D 1时,则损伤累积到发生疲劳破坏的程度。式中:Ni是对应于i发生疲劳破坏的循环次数根据此式,可以推导出,将随机变幅应力转换成等效等幅应力的表达式。?等效等幅应力e eqmi niN m式中:Nni,相当于在等幅应力eq作用下,发生疲劳破坏的次数;i的循环次数。假定:低于疲劳极限的i,无影

13、响,不i加载顺序的影响忽略不计。i :变幅载荷引起的各个水平的应力幅值;ni :对应计入;1neq 2反映i的分散度,影响计算eq的准确Seq n 1i均方差 度。4.l£-)'«IIIDbl疲劳强度曲线针对各自不同的实际结构特点。eq或 S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。二者都会因为结构的不同和时间、环境的不同而不断变化。疲劳极限设计法将所有这些因 素一一给予考虑:?将实际结构细分成各种不同的细节形式, GB-17-88列出的构件和细节类型19 '种如表1所示,采用实验与理论分析计算的方法求得它们的疲劳强度Ri (表中类别为WTI

14、 Harbin动载焊接结构的设计 I、n TWE -3/3.14-15 2218种疲劳强度级别,见表3)。 下式计算:Ri有一定的分散度,其平均值、均方差按1n'平均值Ri ;均方差SRni 1'R1 rTR n 1i 1Ri表1疲劳计算的构件和连接分类h II|-无雀駅的*牛長厲“ h札制工字啊2.««,边力軌制如刨放;(b)两址沏自瓠第自动BM迪W 割忒标准应捋合(栩箱构工粹M工及检收摇范、 ft标權)ft佝对建澤»近的*本盘: L輝二 BTJtseffite* (符合(钢靖构工fittH及捡收 «范 -a标奉)2. Aims巻

15、87;外观用寸荷替一«标准不网隅戾cattO 證諭对楼烽曾齢近韓签 丰金坤1理加工碳平淆过«,井紐无扬检验 苻fr-a标准Llf丄镰闻他耳纯附近的龄金焊谢£无真舲搂19毎附近的£本豪币L揮firs旻绘无 检验特音二tt擦准】.单農Ktt坤t(Q自动fl伽宇工卑広单屍買啊欖阿加劲ffi端附近的茎*&属I用回挥不祈弧蹄1©节点板时«产»», tt®以及 桁架构件处的墓;*金过厦號在理厨铲 平、暗& 圆滑过漁不得有蝉S起弧、«矩弟节点械焊按于翠«缘或n械处 的基本金H L 1

16、50 nnWTI Harbin动载焊接结构的设计 I、n TWE -3/3.14-15 2333Lih極RM肌円97101112131415161?1819LScP"1|*W中斷处的基本金厲(扳端有正 面押缝】两ffi面箱輝缝连援端鄙的基本金a三面圉得角焊缝«部的基本金属三面8#威两«面角»«连#的节点 板萋本金 (节蛊梅计宽度扩散州&=常总)K形时稚悍4扯的墓本金AI两掘粕找偏高小于口 I力.焊缱无揃檢Ift且悍tt角fll4V+字形探头箱挥縫处的S車金A”两 板轴线AK小于止按有效而确定的切应力范ffl计算撫钉违接处的基本金A遽接&

17、#171;栓和虚孔处的基本金厲高强度螺栓连接处的基本金AS注.1,所育时撞輝均领坪曲Z瑜款1$中的切应力=算中-s与T“中同方胸甘.Ifcltti与亍g、JS方向时取毎曲WTI Harbin动载焊接结构的设计 I、n TWE -3/3.14-15 24,.-.rl-WE3H 鈕 nR 2 SR。绘制它们的疲劳强度曲线?各个细节的疲劳强度值R N,如图9所示。表2列入了 10、2X10、5X0 566和10次等,不同疲劳寿命N的疲劳强度值6Ro8欧洲规范,将N = 2 X0次的疲劳强度值作为细节类型。1000500翊节类型常盘勞tos100ttltHtn肾350tri 二 5i5 W呂J 丄 m

18、iil _ 丄L , I i ,-,1|5 M 也51F 应力宿环发aw負dpo5勺军舞累翟5,10*m5-3O ECCS-TC6用蛊办戟锻直示的a劳豪鹰曲线图9用应力幅值表示的扌应劳强度曲eq-厂L J - b *.- u . 0表5-5给出了各曲线披劳®挺占5的数值.细: 表55婕劳强度軌®也“斤(MPa)彳3163118j56330140103157339125'92513041U83452711艸74 .402449066362173059121937152291716316 12515256412313fi50S7201224533181輻!2916-36

19、'25 '155 XIE 戢细节婪型ZX戯止眼表2疲劳強滾数们 a R iMra中,m-抗力变化分项系数;s 载荷变化分eq减小项系数。m、 S均为1的系数。这表明,将容许的载荷效应指标了由 m、S决定的额度,以确保安全。?我国钢结构设计标准GB-17-88中,疲劳设计采用的计算公式:e中,疲劳应力幅值 e maxmin,对于随机变幅疲劳应力,按等效等幅应力eq计算:eqminiN;这属于疲劳载荷在结构上的综合效应。R,也可由疲劳强度曲线。称为容许疲劳应力幅值,分 别相对应。将8个类别的R N得出:8个级别,与表1中列出的19种构件及其连接的8个类 值一并列入表33查m、c的值

20、,根据m、c值及N 2106时的中。根据具体构件和连接形式可由表1查其类别,再由表计算公式:,即可计算出不同循环次数N 时的容许疲劳应力幅值 命N。WTI Harbin动载焊接结构的设计 I、n TWE -3/3.14-15 25N ;或由eq计算寿是特定结构或连接的疲劳抗力,与结构本身存在的应力集中情况密切相关。4. 3设计寿命是结构正常使用,疲劳a度评定8序忡按捕養细M饕克 七我的S呦曲堆'F 口V表3磔许疲劳应力幅值及I计畀参数构件容许皿力和连接度曲线讣算参數U/n 2X nil"类别斜率皿eMPa11894X10'1762+861X0144333.26X10&

21、#39;'ns432. 08X191935SL47X10''90630, 96X1 卩78750. 65X1 屮6980.41X1 屮59,二比一J1【接査表求轡思考题创按卿国的国家标准* ! ;如何抿据議K衰3对輝接结构ift计规范:进行疲劳强度.瘦劳寿命设计7 !须修理的周期;在设计结构时,应考虑各零部件寿命的均衡性,防止薄弱环节降低结构的整体寿 命。度。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 境的变化而不断变化。与原有的设计方法不同,极限状态设计要考虑这些变化的 影响,并保证使用周期终了时,结构的实际存活率,即保证结构有足够的

22、可靠 使用周期终了时的存活率可以通过安全水平指数Ig s Ig m 2SR22Seq4. 5的疲劳强度,而焊接接头的疲劳强度,又取决于施加疲劳载荷的应SR力幅值和接头类别所决定的应力集中情况。本规范适用于,焊态的s 700MPa的碳钢、碳锰钢和细晶粒调?则计算等效等幅应力,结合接头细节类型的S-N疲劳强度曲线,推算结构寿命,并作比较:若高于实际需求寿命,则接头形式、细 节类型可用。否则,应采取必要的安全措施。? S-N疲劳强度曲线本规范的S-N双对数坐标疲劳强度曲线,如图10所示,是根据焊接试样的常幅 疲劳试验的数据建立的。数学分析表达式为:Nm,c值的大小决定着各条曲线的位置。m值在34之间

23、变化,是双对数坐标疲劳强度曲线的斜率,m 值相同,线就互相平行。图10 a) m=3 ;图10 b ) m = 3.5,它们在N=2X1O处相交(疲劳强度值相等)。图10中125、112,等是各细节类型N = 2X106时的疲 劳强度R2X106,表4中列出了各曲线的c值,以便计算不同N值(疲劳寿命)时的疲劳强度Ro 28种接头细6WTI Harbin动载焊接结构的设计 I、n TWE -3/3.14-15 26in MH®节类型及其说明列于表5中,图10、表4、表5的数据、类型互相对应。本规范认为,当应力幅值较小时,如m= 3,c <7X1010或m= 3.5,c <4

24、X 1011 相当于载荷应力幅值< 33MPa时,可视为静载,无须进行疲劳强度计算。载荷应力 幅值e R5X10 (疲劳极限)时,亦不需进行疲劳强度计算。?载荷效应应力幅值计算,并未考虑焊缝附近孔洞、拐角应力集中因素,疲劳强度计算时,应 予以考虑。8图 10 IIW. DOC639-81 的 S-N 曲线表4 S-N曲线的C至及其相应的疲劳强度、疲劳极限1ZS3. 91X 汩921251.37X10112321122月TX1D 'ee100S. OOX 10®741002,00X10'7750L 虻 X 10°L翦X1J泸B01 Q2X5980禺71工

25、16X口5271e.ojxio'"55635.0X10"<663485«3. SIX 肿41斶4350S. S力XJ71.77X1&35045L 92X 胪33451.22X10*SSC ffl «9?懾隈,W类塑锻期类泰壇别c值硬劳櫃ffi UPfl訂 = 3b) ffl = $ 5次标厨疳式和应力的1头形状T y8希点祕百分之育125丁 HttKtfts*w、rziOQf '4 -rm-II si IIw1>1/a23>ft工厂,用煙知以外的任何方注.叹平 畀匹輝的K向林携头*无检«标«s

26、製奴形式和应力的«头戒状1,00W类别如ft456aJIn】2J4B «413不曙合第2顼娶求的W向时接接头.无摘检M希養板的向彈st a力Kffl计y母 材为基础扣除筮«形响开S口的fefeSS埠用自动 #方法施»焊缝上不檸®用自动焊方法摘焊的纵角# »理a上不停®手工祐幄的纵育连挨角#»或开 城口#縫C应力范fflan近#S的盖 板为基确)埶向续箱悍C应力范HK#» ««处的ft板为基础埶向开圾口憚#或角埠ST或以半 岡孔斷开的断集角母矗(应力范嗣取宙 澤篡御那的盖板)纵fifth

27、s焊的角接板】<150h>150h靠近«都接的»梶在扳边绦处惮接的角接飯非承®的剪切连接輝接在累履板上的加强歸*以靠近 »扳的JfflR正应力戴圈为基础坤按在黑擢扳上的加»»以 »近板的«正应力ffiffl为基础WTI Harbin动载焊接结构的设计 I、n TWE -3/3.14-15 288071125112100BQ717163500050SOBO1590Wn Fi?TiK7711716K晤口的十字接头,错边水于 板厚的U轉坝次标朗*#«坟瑤盍*&力 的接头啊类剧18192031

28、2223242525271成1-5W向角焊的+字tt头*边小于板厚的1E5横向卓的4焊錐板按头焊趾处失 «(应力计*«立在承ft板与*板具有 同样ft度的墓a上纵向承裁角焊的ft板接头»乎的直綫議團弧过涙的对搂板平清过厦的不同宽度和厚度的«向 对tt婵童与序号2冀型相同 与序号3典SffiB欖向对ft郑缝*平滑血打虜. 无«探快规聲上的ft稅輝SI的悍出1处 t应力范n取自痒雜板)扳篥上的ftte非烽搖的1»师«上的实层A札焊a端部(应力范8取自焊趾awas中蜒上的垃宽盖振.耳匸憑按处«郃 (应力范围取自理站卽的&

29、#171;自动火培B割的平板材料,除tjt尖角.检a后无纹存在WTI Harbin动载焊接结构的设计 I、n TWE -3/3.14-15 294. 6欧洲钢结构协会的钢结构疲劳设计规范715010090112505050125图9用应力值示的疲劈强度曲线(圏久表2在第24 V6/U页丿kJ. TPW- 4 R M r 010*眾57给IB 了各曲线疲劳®度古J的数®.细蠢5-5 ®劳强度臨®2ft(MPa)#3163k118j55330140103157339125'92513(M1J28315271K074 .40244906636217ao

30、5912畑71522917163162515256412313fi50S72012245S3IS109402916朋)5'6'25 "15戯it眼细节冀型 辎幅吏曲靈很ZK 5«5 XI泸叢2疲劳强度数值Affj,iMPa(Eurocode3该规范强度计算的解析表达式为:Rm s S思考题9:欧洲钢结构协会式中:R结构细节的疲劳强度值;的钢结构疲劳设计规范的优点有哪些?如何综合利用不同规范的不同优点?m 1抗力变化系数;S疲劳载荷效应值;S 1载荷变化系数。各个结构细节的疲劳强度值R,以双对数疲劳强度曲线R N的形式,绘制在图9上。把纵坐标刻度(100100

31、0之间)分为 20级,以平行等距直线表示,图中绘出 14级 不同细节类型的疲劳强度曲线,每一级大约 有12%疲劳强度的差别。R或R N 。式中:m图线的不同的图线段有不R与循环数N有一m图线的解析表达式为: 斜率;平 行的图线段有相同的m值, 同的常数C,同一图线的 一对应的关系。当构件的全部应力幅值低于 N 5 106的疲劳强度值(常幅疲劳极限)时, 一般不再进行疲劳强度计算;低于截止限(N 108次时的疲劳强度值)的应力幅值 在进行变幅疲劳强度计算时,可忽略不计。 N 105,等4种典型疲劳寿命数的疲劳强度值3SU裁*焊的平板料, «部失st应力範ffl以»»

32、議大 高度面积为荃a45WTI Harbin动载焊接结构的设计 I、n TWE -3/3.14-15 30WE3JlifU U列于表2中。以N 2106时的疲劳强度值160,140,等为细节类型,将各个细节类型的构造细节及其说明一一列入表 711中。图中的疲劳强度R及其图线是以板厚15mm的试样试验获得的,当板厚t 25mm时,其细节校正后的疲劳强度RC R 。垂直载荷的角焊缝,承受疲劳载荷时,破坏截面与载荷约呈 300夹角,角焊缝接 头均取最小截面,按切应力计算,等效切应力幅值e的计算公式与 e类同,因其应力集中严重,疲劳强度值R很低,如图11,表6所示。空芯截面构件,用途甚广,或用于一般结

33、构,或用于网架结构,各有自己的细节 分类图、疲劳设计曲线图和疲劳强度数值表,可查手册,不再赘述。表6抗切疲劳强度数值t表7非焊件细节a节类型2 X 10竹BOjB生用037尬柬叠艷養玄9那!«%»或4计1(应力时痔虑心的创h 讣的掃«或崔tt盖&.对节的IF車,»连搖以毛140«0140轨即障I冲医制品Tftttr蒂材| 轧制R而=无*fflO-节用打方袪改暮刃边,證面和虬砂陷 晌切和« «材剪切材 H.魅后«”障祈机Tjamfttt不連除 協国帯慕A注J初顧11滾的机M亀割谊绿 的tt料A手Z%割的材料爺

34、后*«. ff廉 所桶ia不连性.时fl节豳的事莪门團fet打(K撫辜 1:4)吐善凹九或怙#直力挥申的彩响, 陌農用非坤»理S-苛dE一国一此峯SIT堂0孙叭1O5 ID*®50 箱环水数N图】9用切应力范围表示的疲劳强度曲线图II川冃用力幅値我示 的披劳强度曲线WTI Harbin动载焊接结构的设计 I、n TWE -3/3.14-15 31WfI 恤riu 习表8焊制截面构细节1ZS1121WW色0F7L说建鉄玄lur从nff篇輝的自动时也 卯比覽饶虚坍性.W« U0 M,営&勒 MAR” 悵曲*3同走节中Mtt* wa'Tiujf

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