SIMPLE SHAKEDOWN OF STRUCTURES UNDER VARIABLE MULTI-LOADINGS

The shakedown analysis of structures under variable multi-loadings is considered, and the corresponding simple shakedown condition is presented in this paper. Distribution of fixed stresses field is given, and the self-equilibrium of fixed stresses field is analyzed. Elastic shakedown and plastic shakedown conditions are presented based on the fixed stresses field. The theorem is convenient to evaluate the shakedown limit of structures under cyclical variable multiloadings through solving positive scalar fields and fixed stresses field factors at a series of dangerous positions of the structure, and tedious computations are avoided. Finally the theorem is applied to a thick-walled cylindrical tube under variable pressure and temperature, and the rolling contact problem. The results are in good agreement with some computational results.

General Analytical Shakedown Analysis of a Structure Subjected to Combined Loading with Constant and Cyclic Loads

The shakedown behavior of structures subjected to a combined loading of constant and cyclic loads has been well researched.For some specified problems,shakedown limit loads have been obtained.However,the general effect of combined loading on the structural shakedown has not yet been presented.The general analytic solution of the elastic shakedown limit load is thus derived for a structure subjected to combined loading.Polizzotto's extended static shakedown theorem for combined loading is applied.The stress field in equilibrium with the external constant load required in Polizzotto's extended theorem is constructed by subtracting the reference elastic stress field of the peak cyclic load from the elastic-plastic stress field of the combined constant load and peak cyclic load.The shakedown condition of the stress field is then derived according to the extended theorem.Through the analytical analysis of the shakedown condition,the structural shakedown behavior under combined loading is investigated.A general solution of the shakedown limit load is then derived,and the effects of the combined loading on the shakedown behavior are proposed.The obtained general analytical result is applied to a hollow tension specimen under constant tension and alternating torsion and a plate with a central hole under constant and cyclic tension.The results are consistent with the solutions reported in the literature.

压力容器及容器-管道系统的安定载荷计算方法对比

针对压力容器及容器-管道系统的安定载荷计算,介绍了循环弹塑性分析法、下限安定定理法和双极限载荷法3种求解安定载荷方法的原理和流程。基于这3种方法,具体计算了机械载荷下厚壁圆筒和标准椭圆封头中心接管的安定载荷,以及热载荷下标准椭圆封头中心管系整体模型的安定载荷,并对比分析了3种方法的优缺点。结果表明,循环弹塑性分析法能较准确地反映结构的实际承载能力,但求解复杂、工作量最大;双极限载荷法和下限安定定理法相对于循环弹塑性分析法的最大误差均小于5%,且偏保守,双极限载荷法的计算量最小。综合考虑计算精度和工作量,在工程设计中可采用双极限载荷法;对于计算精度要求较高、周围弹性材料对最大应力点的约束能力较弱的情况,建议采用循环弹塑性分析法。

General Analytical Shakedown Solution for Structures with Kinematic Hardening Materials

The effect of kinematic hardening behavior on the shakedown behaviors of structure has been investigated by performing shakedown analysis for some specific problems. The results obtained only show that the shakedown limit loads of structures with kinematic hardening model are larger than or equal to those with perfectly plastic model of the same initial yield stress. To further investigate the rules governing the different shakedown behaviors of kinematic hardening structures, the extended shakedown theorem for limited kinematic hardening is applied, the shakedown condition is then proposed, and a general analytical solution for the structural shakedown limit load is thus derived. The analytical shakedown limit loads for fully reversed cyclic loading and non-fully reversed cyclic loading are then given based on the general solution. The resulting analytical solution is applied to some specific problems： a hollow specimen subjected to tension and torsion, a flanged pipe subjected to pressure and axial force and a square plate with small central hole subjected to biaxial tension. The results obtained are compared with those in literatures, they are consistent with each other. Based on the resulting general analytical solution, rules governing the general effects of kinematic hardening behavior on the shakedown behavior of structure are clearly.

高速铁路钢轨上拱不平顺对波磨萌生的影响研究

高速铁路钢轨波磨是近年来致力于解决的一种极其复杂的轮轨关系问题。武广高铁胡家湾大桥存在钢轨上拱不平顺并伴随钢轨波磨病害,有必要通过理论与实践研究寻找钢轨上拱和波磨相伴相生的证据并诠释其机理。首先建立涵盖钢轨上拱-大幅值轮载-轮轨接触力统一数力学模型,采用能量法、轮轨接触理论和安定极限法进行解析计算,研究钢轨上拱矢度、列车参数和轨道参数的影响规律。然后阐释钢轨上拱、轮载与轮轨接触力之间的相互作用对理解钢轨波磨的萌生机理和减磨措施以及提出车轮多边形发生机理猜想所具有的启示意义,最后简要总结钢轨上拱引发波磨需要进一步研究的前沿问题。计算结果表明:钢轨上拱矢度对轮轨接触力影响显著,如以CRH2型动车组和弹性支撑块式无砟轨道组合为例,当钢轨上拱0.2 cm时,动轮载为21.45 t,相较平顺时增大3.1倍,切向力为15.86 kN,增大2.1倍,法向应力为1 131.6 MPa,增大1.5倍,超出安定极限值20.1%;轮轨接触力随着静轮重、簧下质量和轨道垂向刚度的增加而增大,随着轨道阻尼的增大而减小。研究发现,钢轨上拱激励轮轨系统高频共振导致了钢轨波磨的萌生与发展。防止或抑制此类型波磨的主要措施有:控制钢轨上拱不平顺、防止轮轨系统共振、减小轮载变化幅值、提高钢轨材质强度与耐磨性能以及采取预防性和修复性打磨等。

大型复杂结构安定性数值分析的新方法及其应用

大型复杂结构承载后普遍存在局部高应力区,特别是某些巨型结构,由于受几何尺寸和制造能力的限制,其局部高应力往往会接近甚至超过材料的屈服极限,因而成为弹性范围内的设计难题。应用安定性分析设计准则,则可通过利用材料的塑性承载能力很好地解决这类问题。为此,在大型复杂结构的强度分析中引入安定性理论,应用Melan安定下限定理,通过将峰值载荷下的弹塑性应力场与弹性参考应力场相减,构造定理要求的自平衡应力场,并推导了相应的安定性判定条件。在此基础上,结合弹塑性增量有限元技术,通过不同载荷水平下的加载卸载计算,计算相应载荷水平下的残余应力场。根据加载卸载得到的残余应力场与构造的自平衡场的关系,按照安定性判定条件确定安定极限载荷,从而建立了一种适合于大型复杂结构安定性数值分析的新方法,并应用该方法对某125MN锻造液压机的主液压缸缸体结构进行了安定性分析。

材料循环软化性能对安定极限载荷的影响

针对材料的循环软化性能对结构安定极限载荷的影响展开研究。以机械结构中常用的具有循环软化性能的Q235材料为研究对象,通过拉伸试验和循环加载试验进行相应的力学性能测试,进而以安定性分析研究中带中心圆孔方板这一典型结构为例,基于上述试验所测定的材料性能参数,对其受均布拉伸载荷循环作用情况下的安定极限载荷进行了有限元分析,并对方板进行了安定极限载荷的物理试验测试。结果显示,通过拉伸试验及循环加载试验所测得的Q235的屈服强度分别为293.1和251.3 MPa,采用以循环加载试验测定的屈服强度得到的方板的安定极限载荷,较采用拉伸试验的减小约14.1%,且更接近试验测试结果。

极限载荷法在应力分析中的应用——压力容器应力分析设计中的六个重要问题(四)

在应力分析中存在着应力分类法和塑性极限载荷法,应考虑静强度和安定性问题引起的两种失效模式,文章对比了两种分析方法在评判静强度和安定性问题上的区别。极限载荷法相比应力分类法解决了静强度问题,可得到较为经济的解,但需要对安定性问题进一步校核。针对安定性问题,总结了三种求解安定压力的方法,指出极限载荷法和弹性分析相结合的计算方法是压力容器应力分析的好方法。

循环内压下球形封头开孔接管的安定评估方法

基于有限元软件Abaqus系统,研究了开孔半径和开孔位置因素对球形封头在循环内压下弹性安定极限载荷的影响,提出了相应的经验评估方法。验证结果表明,安定评估方法可较好地评定循环内压下开孔球形封头的安定性。

安定理论在柔性路面设计中的应用

在阅读大量国内外相关文献的基础上总结了安定理论在柔性路面设计中的应用,同时讨论了2种求解柔性路面在车辆重复荷载作用下安定下限的方法,对安定分析在柔性路面设计领域的应用前景进行了展望。

循环荷载下路基红黏土临界应力水平分析

根据设计改装的循环动单轴压缩试验,研究不同含水率、不同轴向应力水平、不同循环加载次数、不同应力加载路径条件下路基土的塑性力学行为,并结合shakedown概念,界定了循环动荷载作用下红黏土的安定界限(shakedown limit)和临界应力水平,系统地分析了影响循环动荷载作用下路基土力学行为的因素和永久变形的发展趋势,以及路基土在循环载荷作用下的力学行为发展规律。通过试验结果的分析,把红黏土的塑性变形分为稳定、破坏和临界3个阶段,并按3个阶段划分出可接受状态和不可接受状态,由此确定路基红黏土在循环荷载作用下的临界应力水平为41.8%。

平板封头与筒体连接区应力释放槽深度的探讨

对具有不同应力释放槽深度的平板封头与筒体连接结构进行了弹性及弹塑性有限元分析,计算了连接区的最大应力强度值、各应力评定路径的应力强度水平系数以及结构的极限载荷,从分析设计角度,探讨了槽深对结构抗疲劳性能、安定性以及局部塑形垮塌的影响.发现随着槽深增加,最大应力强度值max、薄膜加弯曲应力强度值IV均先略有增加而后递降,但当槽深达到一定深度后,max及IV基本保持不变.而结构的极限载荷并不随槽深而变化,表明应力释放槽并未改变筒体对平板封头约束的性质.对不同标准中规定的开槽处平板封头厚度进行了讨论,推荐了确定该厚度的方法.

厚壁球壳的安定分析

讨论了弹性－幂强化材料厚壁球的安定性，研究了其在内压作用时的卸载规律和残余应力分布规律；在等向、随动两种强化模型情况下对厚壁球壳在循环内压作用下的安定分别进行了讨论，获得了球壳的安定载荷。

考虑循环软化的箱型承载结构安定性分析

安定性分析是承受循环载荷作用的结构设计与安全评定的重要理论依据,更能反映结构的实际承载能力。材料在循环载荷作用下会呈现一定的循环硬化/软化特性,从而影响结构的安定性。以常用的Q235钢为研究对象,分别对Q235板材进行单向拉伸和对称应变控制的循环加载试验,测量相应的应力-应变曲线及材料力学性能参数,研究其单向拉伸性能及循环硬化/软化特性。运用试验所测得的不同加载条件下的材料参数对箱型承载结构进行安定性数值分析,并与文献中该箱型结构的安定性试验研究结果进行对比。结果表明,Q235在循环载荷作用下表现出循环软化特性。采用单向拉伸条件下的性能参数得到的安定性分析结果与物理试验结果相比,误差为25.3%;采用材料循环加载条件下的性能参数得到的安定性分析结果与物理试验结果相比,误差为6.7%,考虑循环软化特性时安定性分析结果更接近物理试验结果。