钢-PPUC组合正交异性钢桥面板疲劳性能

为有效解决传统钢桥面病害,提出了钢-聚酯型聚氨酯(钢-PPUC)混凝土组合桥面板结构,开展了正交异性钢桥面板的疲劳性能研究。以马鞍山公铁两用大桥为工程背景,建立局部有限元模型,采用热点应力法获得车轮荷载作用下钢桥面易疲劳开裂部位的应力响应,基于疲劳应力幅进行疲劳强度评估。考虑不同温度、不同铺装层厚度和不同结构形式条件下PPUC铺装层对正交异性钢桥面板疲劳性能的影响。结果表明:高弹性模量的PPUC铺装层对正交异性钢桥面板典型疲劳细节处的应力具有明显的改善作用;顶板与纵肋连接部位疲劳细节应力幅降幅最大,顶板与纵肋连接处桥面板细节、纵肋与横隔板连接处纵肋细节和纵肋对接焊缝细节均满足抗疲劳开裂要求;不同温度作用下的弹性模量变化对典型疲劳细节等效应力幅的影响是非线性的,铺装层厚度变化对典型疲劳细节等效应力幅的影响是近似线性的;为兼顾正交异性钢桥面板受力性能和行车舒适性两方面要求,提出了单层和双层复合型PPUC结构形式,计算得到2种结构形式对各疲劳细节应力幅最大降幅为21%~56%,最小降幅为8%~36%,为钢-PPUC组合桥面板抗疲劳设计提供理论依据。

2A12/6061异种铝合金TIG搭接接头的疲劳性能

对3 mm厚的2A12/6061异种铝合金板材进行搭接钨极惰性气体保护焊(TIG),利用光学显微镜、显微硬度仪、扫描电镜和疲劳实验机等对接头的疲劳性能进行分析。在实验结果的基础上,对搭接试样建立有限元模型,采用热点应力法预测接头的疲劳寿命,并与实验结果进行比较。结果表明:焊缝区组织为均匀的等轴晶,2A12侧焊缝与母材熔合较差,且与母材强度差异较大,导致2A12侧焊趾处更容易产生冶金缺陷和较大的应力梯度,进而加速疲劳裂纹的萌生;在不同载荷水平下,试件断裂位置均位于强度差异较大的2A12侧焊趾处,呈脆-塑性复合断裂特征,焊趾处冶金缺陷及焊缝局部强度差异为影响接头疲劳性能的主要因素。寿命预测结果表明:采用考虑板厚效应的热点应力法预测寿命准确,误差在两倍误差带内,采用IIW推荐的FAT40 S-N曲线是安全可靠的。

焊接结构的疲劳强度分析

通过名义应力法和热点应力法分别对标准焊接接头和实际结构的焊接接头进行疲劳强度分析,研究两种分析方法得到的应力和疲劳寿命差异。分析结果表明:名义应力法计算简便,但在接头受力复杂时得到的寿命结果偏大;热点应力法能反映接头的局部应力情况,计算寿命更接近实际寿命。

明珠湾大桥钢桥面板易损焊接节点疲劳寿命预测

准确预测正交异性钢桥面板疲劳易损部位在往复车辆荷载下的疲劳寿命,能够为桥面板的日常维护提供依据,进而避免疲劳破坏的发生。首先,建立了明珠湾大桥正交异性钢桥面板节段有限元模型,使用Dload子程序实现了移动车辆荷载模型的施加,确定了3个易损部位的应力历程;然后,通过编写雨流计数法程序得到了易损部位的疲劳应力频值谱;最后,基于热点应力法与临界距离理论对易损部位进行了疲劳寿命预测。结果表明,在车辆荷载作用下,钢桥面板U肋-横隔板连接处受力最为不利,疲劳寿命预测值仅23 a,为明珠湾大桥钢桥面板中最易产生疲劳开裂的位置,日常巡检时需尤为注意;U肋-盖板连接处和横隔板弧形开口部位在设计基准期内不会出现疲劳开裂。

风电机组永磁发电机温度场疲劳仿真研究

针对MW风电机组永磁发电机温度场疲劳计算问题进行研究,通过预埋在发电机绕组附近的温度传感器采集温度获得温度场疲劳载荷;分析确认发电机定子结构的材料力学性能、几何结构、应力与温度载荷满足线性关系;提出一种发电机母材及焊缝温度场疲劳计算的新方法;运用子模型技术及热点应力法对新方法的计算结果进行对比验证。研究结果表明,这种新方法满足发电机温度场疲劳计算的工程需求。

大尺度异形镂空浮体疲劳强度分析方法研究

海洋环境复杂多变,海上结构物需要长期承受随机波浪引起的交变载荷,极易产生疲劳破坏。本文以某海上大尺度异型镂空浮体为研究对象,通过计算分析找出异形浮体结构容易产生疲劳破坏的位置。为使结构疲劳谱分析计算结果更加准确,本文提出一种数值规则波模拟法,用来计算浮体结构在工作时应力的传递函数。在此基础上,分别采用基于热点应力与名义应力的谱分析方法计算浮体的疲劳寿命。结果显示,基于热点应力法得到的结构疲劳寿命略低于基于名义应力法得到的疲劳分析结果,更偏保守。研究结果可以为大型海上浮式结构的设计提供参考。

大尺度异形镂空浮体疲劳强度分析方法研究

海洋环境复杂多变,海上结构物需长期承受随机波浪引起的交变载荷,极易产生疲劳破坏。本文以某海上大尺度异型镂空浮体为研究对象,通过计算分析找出了异形浮体结构容易产生疲劳破坏的位置。为使结构疲劳谱分析计算结果更加准确,本文提出一种数值规则波模拟法,用来计算浮体结构在工作时应力的传递函数。在此基础上,分别采用基于热点应力与名义应力的谱分析方法计算了浮体的疲劳寿命。结果显示,基于热点应力法得到的结构疲劳寿命略低于基于名义应力法得到的疲劳分析结果,更偏保守。以上研究结果可为大型海上浮式结构的设计提供参考。

挑臂式钢箱梁面板-中纵梁构造细节疲劳性能研究及构造参数分析

为研究挑臂式面板-中纵梁构造细节的疲劳特性,运用大型通用有限元软件ANSYS建立精细化分析模型,结合热点应力法、Palmgren-Miner线性累积损伤理论及雨流计数法对该构造细节进行横纵向疲劳车加载应力结果计算分析,并开展构造参数影响研究。研究结果表明,轮载作用下该细节经历多次应力循环,应力影响线具有明显的轴重识别效果,采用横向应力/竖向应力研究其疲劳特性是合适的;该细节面板焊趾较腹板焊趾应力水平高,更易发生疲劳开裂,而腹板处焊趾具有无限寿命;面板厚度从12 mm增加到20 mm,面板焊趾和腹板焊趾热点应力分别降低55%和40%,中纵梁腹板与附近U肋的间距从250 mm增加到400 mm,面板焊趾和腹板焊趾热点应力增幅达61%和58%,而中纵梁腹板厚度从12 mm变化到20 mm,面板焊趾处和腹板焊趾处的热点应力基本不变,维持在53 MPa和22 MPa左右。建议在充分考虑安全性和经济性的情况下,合理选择面板厚度及中纵梁腹板与附近U肋的间距以提高面板-中纵梁构造细节的疲劳寿命。

钢桁桥节点构造演变及其疲劳评估热点应力法

为统一钢桁桥节点各疲劳构造细节,形成节点疲劳评估热点应力法,完善我国现行钢桁桥节点疲劳设计规范体系,从钢桁桥节点演变出发,选取当前钢桁桥常用的3类节点,包含栓焊整体节点、全焊整体节点和全焊相贯节点,总结笔者团队及相关学者多年理论、试验和数值成果,给出了各类节点热点应力S-N曲线。采用线弹性叠加理论将各类节点所受的复杂荷载工况简化为4种基本荷载工况,包含弦杆和腹杆平衡轴力、弦杆轴力、弦杆弯矩和腹杆平衡轴力及其相应组合,提出了相应的节点应力集中系数计算方法。结果表明:栓焊和全焊整体节点具有相似的焊接疲劳构造细节,统计了国内外疲劳试验数据共计1332个,提出了采用疲劳细节类别为90 MPa的一条热点应力S-N曲线作为其抗力曲线,统计了包括圆形钢管节点、圆形钢管混凝土节点、矩形钢管节点和矩形钢管混凝土节点在内的疲劳试验数据177个,提出了全焊相贯节点可采用疲劳细节类别为85 MPa的一条热点应力S-N曲线作为其抗力曲线;对于栓焊整体节点和全焊整体节点,提出了K型和KT型节点应力集中系数计算公式,对于全焊相贯节点,分别给出了圆形和矩形钢管混凝土K型节点应力集中系数计算公式,建立了整体节点和相贯节点焊趾处应力集中程度和几何无量纲参数的关系。

钢桁梁全焊整体节点应力集中系数研究

为探明全焊整体节点的疲劳性能,得到其应力集中系数计算公式并简化疲劳分析方法,首先验证了全焊整体节点的有限元模拟方法,分析了K型和KT型全焊整体节点在弦杆与腹杆平衡轴力、弦杆轴力、弦杆弯矩、腹杆平衡轴力等多种荷载工况下,斜腹杆与弦杆夹角、弦杆高度与圆弧板半径的比值、腹杆与弦杆厚度比对应力集中系数最大值的影响。结果表明:K型和KT型全焊整体节点应力集中系数有限元计算结果与单元类型和网格尺寸密切相关,建议选择C3D20R单元类型进行分析,提出了全局、腹杆和弦杆相贯线局部加密的方式;探明了几何无量纲参数对应力集中系数最大值的影响规律,并提出了K型和KT型全焊整体节点应力集中系数计算公式及应力集中系数最大值的计算公式,对比公式计算结果与有限元计算结果,其比值均值为1.012,均方差为0.034,变异系数为0.034,说明所提出公式具有较高的计算精度;采用应力集中系数计算公式进行实桥节点疲劳评估,计算得到中跨跨中节点最大热点应力幅为48.16 MPa,与有限元计算值44.04 MPa相差8.6%,说明该公式计算值偏大,但采用公式评估节点可得到偏安全结果。

模拟轮载作用下钢桥面板RD节点疲劳寿命计算方法对比分析

为深入研究RD(rib-deck)节点的疲劳性能,通过模拟车轮荷载对RD节点实施中心加载,得到了相应热点应力幅下的节点疲劳寿命。采用ABAQUS建立了钢桥面板RD节点的三维实体有限元模型,在有效数值模型的基础上,分别采用热点应力法和临界距离理论对RD节点的疲劳寿命进行了对比分析。研究结果表明:同一精度网格下采用两点外推法和三点外推法得到的热点应力结果比较接近,而采用临界距离理论的点法得到的特征应力则小于线法得到的特征应力;采用国际焊接协会(IIW)推荐的FAT 90曲线得到的评估结果过于保守,而FAT 125曲线的预测结果相对接近试验值。临界距离理论相比热点应力法能得到更准确的预测结果,其中点法和线法得到的预测值与试验值分别相差17%、32%;总体而言,热点应力法和临界距离理论均能得到相对保守的疲劳寿命预测结果,两种方法用于钢桥面板典型焊接节点的疲劳性能评估是可行且偏于安全的,但点法的预测精度更高,且实际应用中也较为便捷。

海上风电四桩导管架基础风致疲劳数值分析

文章采用有限元软件ANSYS对四桩导管架基础进行风致疲劳数值分析,整个导管架结构均采用八节点shell181壳单元模拟进行精细化建模计算。疲劳损伤计算采用热点应力法获取结构应力幅值,之后利用Miner线性累积损伤理论对结构疲劳寿命进行评估,最终累积疲劳损伤为0.61,满足设计要求。对热点应力法求得的应力与直接提取危险点表面应力进行对比,结果发现,前者小于后者,且更接近真实值。针对厂家提供的等效疲劳荷载、谱疲劳荷载分别进行四桩导管架基础的疲劳计算,结果发现谱疲劳与等效疲劳相比结果偏小。通过热点应力法对导管架基础进行疲劳计算,在保证安全的前提下能有效节省工程成本。

长输管道不等厚焊缝应力集中分析

国内外对大口径、高钢级、高压力等级长输管道不等厚焊缝结构的研究相对较少。从应力集中的角度对管道不等厚焊缝结构进行受力分析,并通过计算得出不同结构参数变化对焊缝应力集中的影响程度。分析结果表明:采用有限元法和两点线性外插法计算管道不等厚焊缝的热点应力和应力集中系数,验证了模型的可行性;通过归一化处理后,可更加直观地对比焊缝不同结构参数对焊根处轴向应力和应力集中的影响;壁厚比对焊缝应力集中的影响远大于焊缝宽度、焊缝余高和焊缝过渡角,应重点关注高壁厚比结构的风险管段;管道不等厚焊缝处的应力集中在弯曲状态下将二次恶化,需及时管控此类风险。所得结论可为管道企业对长输管道的日常管理活动提供数据参考与风险警示。

基于表面外推法的结构热点应力计算方法研究

为获得准确的结构热点应力,确保风电机组部件疲劳寿命的可靠性,建立不同网格尺寸、单元类型的有限元模型,研究了网格精度、单元类型、外推方法对焊接接头结构热点应力计算结果的影响。结果表明:结构热点应力随着网格尺寸细化呈现出先增大后减小的趋势,在网格尺寸为0.33t(t为板厚)时达到峰值。四面体单元模型的计算结果保守且受网格尺寸的影响更为显著,并且对网格精度有较高要求。不同网格精度的四面体模型运用两种外推法计算结果最大相差13.56%;六面体单元模型运用两种外推法计算结果相差均在10%以内。随着网格细化两种外推法的计算结果逐渐接近;当网格尺寸细化到0.2t时,六面体单元模型的结构热点应力仅相差1.87%。

正交异性钢桥面板足尺节段疲劳模型试验研究

正交异性钢桥面板疲劳问题突出,试验研究是评估其疲劳性能并揭示其疲劳特性的重要途径。以港珠澳大桥钢箱梁为研究对象,通过足尺节段模型对于正交异性钢桥面板的疲劳强度及其疲劳性能评估的关键问题进行试验和理论研究。采用足尺节段模型对多个关键疲劳易损部位进行疲劳试验研究;通过多点异步加载模拟行车效应对于结构疲劳特性的影响;采用在模型不同位置加载的方式验证各关键疲劳易损部位在设计寿命期内的抗疲劳安全性;在此基础上对于重要疲劳易损部位的疲劳性能进行试验和理论研究,探讨关键疲劳易损部位的疲劳强度及其疲劳性能评估的名义应力法和热点应力法。研究结果表明,港珠澳大桥正交异性钢桥面板的疲劳性能满足设计要求且有一定的安全储备;各关键疲劳易损部位的疲劳特性和疲劳强度存在显著差异,热点应力法适用于正交异性钢桥面板关键疲劳易损部位的疲劳性能评估。

基于热点应力法的正交异性钢桥面板疲劳寿命评估

正交异性钢桥面板构造复杂,其疲劳性能由各疲劳细节共同决定,既有规范推荐的寿命评估方法已不能满足设计要求。为准确评估其疲劳寿命,引入热点应力法,根据Eurocode规范确定疲劳检算加载工况和荷载谱;采用国际焊接协会IIW推荐的外推方法,计算其关键易损部位热点应力谱;采用泄水法对热点应力谱进行分析,通过热点应力S^N曲线和线性累积损伤理论计算其寿命。以某城市立交桥典型正交异性钢桥面板为研究对象,采用热点应力法评估其疲劳寿命。结果表明:该桥的疲劳寿命为103年,满足设计要求且有一定安全储备量;与名义应力法相比,热点应力法能够有效避免复杂应力状态下名义应力难以定义的问题,更适用于正交异性钢桥面板的寿命评估。

主梁新细节的疲劳寿命预测及参数分析

为研究沪通铁路长江大桥主梁新细节的过焊孔半径、过焊孔形状、焊脚尺寸对大桥疲劳性能的影响,采用热点应力法预测疲劳寿命,并将其与9个试件的疲劳实验结果进行比较,在此基础上建立有限元模型进行相关参数分析.研究表明:基于热点应力法预测的主梁新细节的疲劳寿命与试验测试值存在一定差异,但均小于15%;主梁新细节过焊孔附近的翼缘板网格尺寸对其热点应力影响较小,小于1.6%,对此焊接细节采用两点外推法与三点外推法计算热点应力均是可行的;焊脚尺寸、过焊孔半径对热点应力、翼缘板的最大应力有一定的影响,但变化幅度均不超过10%;热点应力、腹板、翼缘板最大应力受长短半轴比的影响显著,腹板最大应力的变化幅度达21.6%,而其他两者均未超过10%.建议在有条件时可采用椭圆形过焊孔的焊接细节,且长短轴之比适当取大些.

正交异性钢桥面板足尺模型疲劳试验研究

为研究公路钢桥正交异性板的疲劳破坏行为及疲劳强度,以重庆江津中渡长江大桥为背景,选取其主跨梁段建立正交异性钢桥面板的足尺试验模型,进行疲劳试验。试验过程中对疲劳易损构造处的应力数据进行采集,观测其开裂情况,并采用热点应力法评估其疲劳强度。结果表明:加劲肋腹板与横隔板切口焊接处出现疲劳裂缝;顶板与加劲肋腹板焊接处出现纵向疲劳裂缝;横隔板切口处无疲劳裂缝产生,但存在较大拉应力;加劲肋腹板与横隔板切口焊接处的疲劳强度大于Eurocode规范中的90类细节的疲劳强度,也大于AASHTO规范中的C类疲劳强度,顶板与加劲肋腹板焊接处的疲劳强度大于Eurocode规范中的112类细节的疲劳强度,也大于AASHTO规范中的C类疲劳强度。

高速列车荷载作用下铸钢焊接节点的疲劳分析

钢结构特别是焊接钢结构对动荷载特别敏感。武广客运专线武汉火车站采用了新型的"桥建合一"的结构型式,在长期往复动荷载作用下,上部大跨度钢结构的疲劳寿命令人关注。建立了铸钢节点包括焊缝的精细有限元模型,基于热点应力法和Miner线性累积损伤理论,分析了武汉站上部大跨度钢结构10管相贯焊接铸钢节点的疲劳寿命,结果表明:列车振动荷载引起的动应力对铸钢节点的疲劳寿命影响不大,满足结构使用寿命100年的要求。该分析方法可为国内类似结构的疲劳寿命分析提供参考。

4D轴货车焊接构架的疲劳强度分析方法

以某货车厂研制的新型4D轴货车焊接整体构架为研究对象,在ANSYS9.0有限元软件中建立完整的构架三维模型,根据UIC510-3规程,分析计算构架的应力分布情况、评估其疲劳强度,得出疲劳薄弱区.采用子模型技术,对疲劳薄弱区的焊接细节结构进行热点应力分析,进一步评价构架的疲劳强度.通过动应力实测编制疲劳薄弱区的应力谱,由S-N曲线和Miner累积损伤法则,预测构架的疲劳寿命.