一種應力幅法疲勞強度預測方法
2023-05-30 20:10:16 1
專利名稱：一種應力幅法疲勞強度預測方法
技術領域：
本發明涉及一種應力幅法疲勞強度的計算方法，特別涉及一種只要明確鋼結構的利用等級、構件和連接類型，通過規範查找載荷譜係數等參數，就可以直接預測某一工作級別下的許用應力幅法疲勞強度預測方法。
背景技術：
目前應用較多的疲勞計算方法有最大應力法、應力比法和應力幅法。
疲勞破壞現象表明，構件在交變應力作用下發生失效，具有以下特徵1、破壞時的名義應力遠小於材料在靜載荷下的強度指標；2、構件在一定量的交變作用力下發生破壞有一個過程，既需要進行一定數量的應力循環；3、構件在破壞前沒有明顯的塑性變形，即使再好的塑性材料也會呈現脆性破壞；4、構件在同一破壞斷面，明顯劃分成光亮區域與顆粒狀的粗糙區域。
結構在循環交變應力作用下的疲勞強度取決於結構的工作級別、材料種類、結構件(或連接)的應力集中情況、最大應力值和交變應力的循環特性等。大量的實驗證明焊接結構由於焊接殘餘應力的存在，裂縫產生部位的實際應力狀態與名義應力產生很大差別，由外載荷引起的應力和高額的殘餘內應力迭加，不僅改變了實際應力的大小，而且改變了焊縫及其附近區域應力的拉壓性質，因而影響焊接結構疲勞強度的不再是最大應力和應力比，而受控於該處的應力最大值和最小值之差
(即應力幅)，以及接頭構造，材料強度的不同對於大多數焊接連接類別的疲勞強度並無顯著差別。研究表明結構疲勞強度取決於結構工作級別(應力譜和應力循環次數)、構件連接類別和應力幅值。
國際上許多國家的鋼結構設計規範和起重機規範也相繼將應力幅法作為焊接結構疲勞強度設計的依據，如歐洲鋼結構協會ECCS-TC6，英國BS5400和BS7608，原西德橋規DV804，瑞典焊接結構規範，日本鋼結構協會疲勞設計指南和日本起重機設計規範JIS B 8821等。我國2003年頒布實施的鋼結構設計規範GB50017-2003也完全採用了應力幅法進行疲勞強度核算。
算例低架橋結構在交變應力作用下工作，根據岸橋的工作級別推斷低架橋的工作級別在A8級，並在使用年限內總的應力循環次數達到百萬次以上。由於疲勞破壞時應力遠小於靜載下的材料屈服強度或強度極限，因而屈服強度或極限強度已不能作為交變應力下的強度指標，所以除了以上的靜應力計算外，還要進行必要的疲勞計算。
發明內容
本發明針對現有技術中所存在的缺陷，而提供一種只要明確鋼結構的利用等級、構件和連接類型，通過規範查找載荷譜係數等參數，就可以直接預測某一工作級別下的許用應力幅法疲勞強度預測方法。
為了達到上述目的，本發明提供的一種應力幅法疲勞強度預測方法，其主要包括常幅應力幅疲勞強度預測方法和變幅應力幅疲勞強度預測方法； 所述常幅應力幅疲勞強度預測方法通過能夠實現公式(1)和公式(2)的模塊得到，
式中
——焊接部位應力幅，有
對於非焊接部位為折算應力幅
其中σmax——計算部位每次應力循環中最大應力； σmin——計算部位每次應力循環中最小應力。
——常幅疲勞容許應力幅(N/mm2)，
其中n——應力循環次數，可從鋼結構設計規範中選用， c、β——依據構件和連接類型可根據鋼結構設計規範選用； 所述變幅應力幅疲勞強度預測方法通過預測結構在使用壽命期間各種載荷的頻率分布應力幅水平以及頻次分布總和所構成的設計應力譜，並將其折算為等效常幅疲勞，且通過基於
算法的模塊實現。
根據上述技術方案得到的本發明只要明確鋼結構的利用等級、構件和連接類型，通過規範查找載荷譜係數等參數，就可以直接預測某一工作級別下的許用應力幅，便於起重設備設計人員應用。
以下結合附圖和具體實施方式
來進一步說明本發明。
圖1為起重機利用登記表。
圖2為構件和連接類別參數表。
圖3為起重機工作級別的劃分表。
具體實施例方式 為了使本發明實現的技術手段、創作特徵、達成目的與功效易於明白了解，下面結合具體圖示，進一步闡述本發明。
應力幅法包括常幅應力幅和變幅應力幅兩種，首先，對於常幅(應力循環內的應力幅保持常量)疲勞計算公式推導，據文獻公式為
式中
——焊接部位應力幅，有
對於非焊接部位為折算應力幅
其中σmax——計算部位每次應力循環中最大應力； σmin——計算部位每次應力循環中最小應力。
——常幅疲勞容許應力幅(N/mm2)，據鋼結構設計規範公式為
其中n——應力循環次數，可從鋼結構設計規範中選用； 結構的疲勞壽命分為有限疲勞和無限疲勞兩種，在此保守計算，按照無限疲勞極限計算低架橋疲勞壽命，根據鋼結構設計規範取利用等級為U7級(如圖1所示)，總循環次數選擇2×106。
c、β——依據構件和連接類型可根據鋼結構設計規範選用，此處算例選取第三類應用於計算，即c＝3.26×1012、β＝3(如圖2所示)。
因此，常幅疲勞容許應力幅
即選定工作級別和聯機類別後，結構的固有屬性無限疲勞壽命設計應力幅為117.69MPa。
對於變幅(應力循環內的應力幅隨機變化)疲勞，若能預測結構在使用壽命期間各種載荷的頻率分布應力幅水平以及頻次分布總和所構成的設計應力譜，則可將其折算為等效常幅疲勞，按鋼結構設計規範公式進行計算
式中
——變幅疲勞的等效應力幅，據鋼結構設計規範公式為
將公式(4)進一步推導
其中∑ni——以應力循環次數表示的結構預期使用壽命； ni——預期壽命內應力幅水平達到
的應力循環次數。
式中的
即為起重機設計規範中的載荷譜係數kp， 即
其中∑ni——起重機設計規範kp公式中的N； β——起重機設計規範kp公式中的指數m＝3； pi——第i個起升載荷； pmax——最大起升載荷； 故
將(7)代入(3)中，
將(8)變換，
公式(9)即為構件在變幅應力下的疲勞壽命須滿足的應力幅條件。
低架橋桁架梁變幅疲勞算例，根據低架橋符合A8級工作等級，從起重機設計規範起重機工作級別劃分中選取kp，如圖3所示。
選取kp＝0.5 將ANSYS計算結果中的σmax＝207.19MPa、σmin＝62.63MPa代入 Aσc＝σmax-σmin＝144.56MPa 將許用常應力幅折算成了許用變應力幅，
可以看出ANSYS計算結果和變應力幅滿足公式(5)的疲勞壽命要求。
即低架橋機構滿足A8級工作級別的變幅疲勞強度準則
換言之，低架橋結構達到A8級利用等級，並滿足一定的構件和連接類型，同時要達到循環次數2×106次，其最大應力幅不能超過148.2MPa。
按照應力循環次數為2×106次，以每小時卸箱40隻，每天工作12小時，每年按365天計算，低架橋的允許壽命可達11.42年。
以上顯示和描述了本發明的基本原理和主要特徵和本發明的優點。本行業的技術人員應該了解，本發明不受上述實施例的限制，上述實施例和說明書中描述的只是說明本發明的原理，在不脫離本發明精神和範圍的前提下，本發明還會有各種變化和改進，這些變化和改進都落入要求保護的本發明範圍內。本發明要求保護範圍由所附的權利要求書及其等效物界定。
權利要求
1、一種應力幅法疲勞強度預測方法，其特徵在於，該方法主要包括常幅應力幅疲勞強度預測方法和變幅應力幅疲勞強度預測方法；
所述常幅應力幅疲勞強度預測方法通過基於公式(1)和公式(2)的模塊實現；
所述變幅應力幅疲勞強度預測方法通過預測結構在使用壽命期間各種載荷的頻率分布應力幅水平以及頻次分布總和所構成的設計應力譜，並將其折算為等效常幅疲勞，且通過基於[□σ]＝[□σc]/kp1/β算法的模塊實現。
2、根據權利要求1所述的一種應力幅法疲勞強度預測方法，其特徵在於，所述公式(1)和(2)為
□σ≤[□σc](1)
式中□σ——焊接部位應力幅，有□σ＝σmax-σmin，
對於非焊接部位為折算應力幅□σ＝σmax-0.7σmin，
其中σmax——計算部位每次應力循環中最大應力；
σmin——計算部位每次應力循環中最小應力。
[□σc]——常幅疲勞容許應力幅(N/mm2)，
[□σc]＝(c/n)1/β(2)
其中n——應力循環次數，可從鋼結構設計規範中選用，
c、β——依據構件和連接類型可根據鋼結構設計規範選用。
全文摘要
本發明公開了一種應力幅法疲勞強度預測方法，該方法主要包括常幅應力幅疲勞強度預測方法和變幅應力幅疲勞強度預測方法；所述常幅應力幅疲勞強度預測方法通過基於公式(1)和公式(2)的模塊實現；所述變幅應力幅疲勞強度預測方法通過預測結構在使用壽命期間各種載荷的頻率分布應力幅水平以及頻次分布總和所構成的設計應力譜，並將其折算為等效常幅疲勞，且通過基於[□σ]＝[□ρc]/kp1/β算法的模塊實現。本發明只要明確鋼結構的利用等級、構件和連接類型，通過規範查找載荷譜係數等參數，就可以直接預測某一工作級別下的許用應力幅，便於起重設備設計人員應用。
文檔編號G01M99/00GK101344461SQ200810043469
公開日2009年1月14日 申請日期2008年6月11日 優先權日2008年6月11日
發明者楊勇生, 劉濤偉 申請人:上海海事大學