基于有效缺口应力法的钢桥焊接细节疲劳分析

为了验证有效缺口应力法对于钢桥焊接构造细节疲劳寿命评估的适用性,简化基于S-N曲线的疲劳寿命评估程序,开展3种典型钢桥焊接构造细节在应力比为0.1的条件下的高周疲劳试验.采用ABAQUS有限元分析局部有效缺口应力,得到不等厚对接焊接接头、十字形非传力角焊缝接头和十字形传力角焊缝接头疲劳试样的有效缺口应力S-N曲线,探讨局部有效缺口应力对焊接接头失效模式的影响.结果表明,焊接位错量会严重影响十字形传力角焊缝接头的失效模式,采用有效缺口应力法可以有效地区分焊根或焊趾失效;名义应力S-N疲劳设计曲线与有效缺口应力FAT225疲劳设计曲线相比,具有更高的安全保证.3种构造细节的有效疲劳试验数据表明,采用有效缺口应力FAT200疲劳设计曲线更合理.

基于有效缺口应力法的正交异性钢桥面板疲劳评价

为验证有效缺口应力法在正交异性钢桥面板疲劳评价中的适用性,开展了横隔板弧形切口2种不同过渡形式的局部应力研究.采用Ansys分别计算U肋与横隔板连接处焊趾和焊根处的有效缺口应力,并加以比较,表明焊趾处更易萌生裂纹.采用S-N曲线评估其疲劳寿命,表明有效缺口应力法可以应用于正交异性桥面板的疲劳评价.有限元分析假定缺口的真实半径为0,这可能导致试验结果的保守性.基于不同U肋厚度的比较,发现U肋厚度的增加将导致U肋与横隔板端焊缝处更易产生疲劳裂纹.相关研究结果可为正交异性钢桥面板的设计和疲劳评价提供参考.

基于有效缺口应力的地铁构架疲劳损伤研究

地铁构架的疲劳失效在焊接接头的焊趾和焊根处均有可能发生,因此需要一种有效的疲劳评估方法来全面地分析转向架的疲劳可靠性。针对该问题,基于有效缺口应力法建立了某地铁转向架构架整体有限元模型,以及电机吊座翼板与横梁连接部位焊接接头的局部网格细化有限元模型,得到了焊接接头焊趾和焊根处的有效缺口应力分布。根据Miner损伤理论和对应的S-N曲线计算得到有效缺口应力法与名义应力法的累积损伤。结果表明,接头焊根处更易发生疲劳失效。此外,有效缺口应力法比名义应力法更加安全。为进一步研究不同载荷对损伤的影响,通过对比各载荷的累积损伤结果发现:对于有效缺口应力,损伤占比较大的5种载荷分别是扭转载荷、电机横向载荷、电机垂向振动载荷、电机驱动载荷、齿轮箱垂向振动载荷,其中扭转载荷占比最大,达30%~60%。文章验证了有效缺口应力法在地铁车辆构架疲劳评价中的安全性和适用性。

基于外推缺口应力法的铸钢节点环形对接焊缝的疲劳寿命评估

运用外推缺口应力法研究了铸钢节点环形对接焊缝的疲劳寿命.首先分析了焊接铸钢节点有限元模型的网格敏感性以确定最优网格尺寸.基于焊接铸钢节点有限元模型焊趾和焊根处的应力场分析,使用外推缺口应力法的sharp模型推导有效缺口应力法rounded模型的有效缺口应力,其关键问题是计算外推点C,而参数C与焊接铸钢节点的几何参数之间具有指数函数关系.通过设置不同的几何参数值,确定相应的C值,通过多元线性回归分析可得到外推点C与几何参数之间的函数关系.最后,基于有效缺口应力疲劳参量,根据IIW规范评估了典型铸钢节点环形对接焊缝的疲劳寿命.研究结果表明,外推缺口应力法有效地简化了有效缺口应力的计算过程,同时可准确地评估铸钢节点环形对接焊缝的疲劳设计寿命.

基于不同应力法的焊接构架纵向角接头疲劳累积损伤评估

在焊接构架结构应力计算整体有限元模型基础上,通过考虑接头角焊缝和1 mm焊趾虚拟缺口半径,对转臂定位座板与箱形侧梁下盖板的组焊纵向角接头进行逐步细化,构建热点应力和有效缺口应力计算局部模型.在动态疲劳试验载荷等效的9级载荷谱作用下,分别基于名义、热点及有效缺口三种不同应力参量,结合IIW建议的疲劳设计S-N曲线进行累积损伤计算.结果表明,有效缺口应力的累积损伤远高于名义和热点应力,极有可能引起评估结果过于保守.为充分发挥有效缺口应力法的优势,需要以更加符合结构实际的缺口几何数据和强度数据作为支撑.

考虑焊趾形貌的十字焊接接头疲劳评定研究

针对十字焊接接头,考虑焊趾形貌特征,分别建立了包含圆弧形焊趾和直线形焊趾的两种有限元模型,分析了焊趾局部的应力状态;以有效缺口应力为控制参量,估算了循环拉伸载荷作用下十字焊接接头的疲劳寿命;开展了相关疲劳试验,对估算结果进行了验证。研究表明焊趾形貌对焊接接头的疲劳特性有较大影响,圆弧形曲线可以较好地描述焊趾形貌,循环拉伸载荷作用下裂纹通常在焊趾部位萌生,且位于靠近焊缝端面的圆弧段凸顶点附近,考虑焊趾形貌的有效缺口应力法可以作为焊接结构疲劳寿命的有效评定方法。

超声冲击处理焊接节点疲劳性能改善及寿命预测方法研究进展

对超声冲击处理焊接节点疲劳寿命提高及其机理和疲劳寿命预测方法的研究现状及研究不足进行了综述。目前研究表明超声冲击处理通过改变焊趾局部几何形状从而降低该部位的应力集中、在焊趾部位引入残余压应力和消除焊趾部位焊接缺陷并细化局部晶粒可以有效地提高焊接节点的疲劳寿命,然而目前的研究对象主要针对焊接后立即进行超声冲击处理的焊接节点,针对实际工程中已经服役一定时间的焊接节点开展的相关研究较少。此外,实际工程中的焊接节点在进行超声冲击处理时一般处于持荷状态,目前对持荷状态下进行超声冲击处理的焊接节点的疲劳性能相关研究也较少。焊后态节点的疲劳寿命可采用基于名义应力、热点应力和有效缺口应力的S-N疲劳曲线进行计算。然而,名义应力和热点应力均难以直接反映超声冲击处理对焊趾的局部改变,而目前常用的有效缺口应力计算方法也只针对焊后态节点,因此对超声冲击处理焊接节点的疲劳寿命预测方法仍需开展进一步的研究。

模数式桥梁伸缩缝疲劳寿命分析与结构优化

为提高伸缩缝结构的强度和疲劳寿命,提出了一种考虑移动车轮荷载的伸缩缝结构动力响应计算方法,该方法同时考虑了车轮的竖向与水平冲击荷载,这些冲击荷载作用在内力影响线分析得到的最不利作用点上。在动力分析基础上,采用包含有效缺口应力、雨流计数和线性累计损伤理论的结构疲劳寿命分析方法,评估了模数式伸缩缝的疲劳寿命。针对伸缩缝结构强度与疲劳寿命的不足,依次提出了4种结构优化方法:①优化焊趾结构,减小应力集中。②增设单中梁支撑肋板,提高局部抗弯刚度。③增设双中梁支撑肋板,均匀提高抗弯刚度。④增设带横向连接的双中梁支撑肋板,同时提高局部抗弯和抗扭刚度。研究结果表明:中梁与横梁的连接焊缝和中梁跨中是典型的双缝模数式伸缩缝的易损位置。中梁与横梁的连接焊缝上的最大Mises应力超过了Q345级钢材的屈服应力,疲劳寿命远小于中国桥梁规范要求的200万次。优化焊趾结构无法满足强度要求;增设单中梁或双中梁支撑肋板能够能使结构满足强度要求,但无法达到规范要求的疲劳寿命;增设带横向连接的双中梁支撑肋板,可以达到强度和疲劳寿命要求。