基于臨界面法的纖繩節(jié)點板疲勞損傷評估

謝志英 (長江大學城市建設學院，湖北 荊州 434023)

基于臨界面法的纖繩節(jié)點板疲勞損傷評估

謝志英 (長江大學城市建設學院，湖北 荊州 434023)

采用基于臨界面的多軸疲勞壽命預測方法，對纖繩節(jié)點板在長期的風荷載作用下的疲勞損傷進行了評定。以最大剪應變平面的方法確定每一個時間點的臨界損傷面，根據(jù)非比例多軸加載下最大剪應變臨界面不斷變化的特點，再以該平面對材料損傷影響的大小為權(quán)值進行加權(quán)平均，把權(quán)值平均最大的剪應變平面定義為臨界損傷平面；用多軸循環(huán)計數(shù)法對臨界損傷面上的正剪應力同時進行循環(huán)計數(shù)，確定每個循環(huán)的臨界損傷參量。結(jié)果表明，臨界面法更符合纖繩節(jié)點板多軸非比例加載的實際情況，因而可以給出更加合理的結(jié)果。

纖繩節(jié)點板；多軸非比例加載；損傷參量；臨界面法

近幾十年來，大量高聳結(jié)構(gòu)特別是桅桿結(jié)構(gòu)疲勞破壞事故頻頻發(fā)生。研究表明，在桿身弦桿及纖繩節(jié)點板處最易受到疲勞損傷。纖繩節(jié)點板的疲勞破壞的原因是纖繩的微風共振出現(xiàn)頻率很高，使纖繩節(jié)點板區(qū)出現(xiàn)頻繁的振蕩彎曲應力，最終導致疲勞破壞。傳統(tǒng)對疲勞的描述方法是以應力或應變作為力學參量，用它們與循環(huán)加載次數(shù)的回歸關(guān)系作為相應的疲勞方程，即以s-n曲線為依據(jù)的名義應力法及局部應力應變法。

圖1 基于臨界面法的疲勞壽命預測步驟

到目前為止，還沒有一個普遍令人接受的多軸疲勞壽命預測模型。其主要原因是損傷參量中含有物理意義不明確的材料常數(shù)，而這些材料常數(shù)有時并不是恒定不變的，從而給壽命估算帶來了困難。目前最為普遍接受的方法是臨界面法[1～4]，該法將最危險的損傷平面與經(jīng)受最大法向應變的最大剪切平面結(jié)合起來，用其面上的切應變與法向應變構(gòu)造多軸疲勞損傷參量，進而建立多軸疲勞壽命預測模型。

對于纖繩節(jié)點板，在隨機風荷載作用下，所受拉力隨機變動，采用臨界面法能更加恰當?shù)拿枋銎涠噍S非比例加載的受力狀態(tài)，從而能夠更加準確的估算其疲勞壽命。

1 臨界面法的基本原理

首先找出臨界損傷平面，然后將其面上的剪切和法向應力(應變)進行各種組合來構(gòu)造多軸疲勞損傷參量，建立疲勞壽命方程，具體流程如圖1所示。

2 纖繩節(jié)點板疲勞壽命預測

2.1臨界損傷面的確定

1)節(jié)點板的局部模型 根據(jù)節(jié)點板的局部尺寸，通過ANSYS有限元軟件,采用SOLID45單元，六面體網(wǎng)格劃分單元，耳板材料和桿身材料均為16Mn鋼，建立如圖2所示的實體模型。

以纖繩的應力作為外荷載，并考慮其角位的變化進行有限元計算，取節(jié)點板上危險點在循環(huán)載荷作用下在整體坐標系O-X-Y-Z下的應變張量, 計算得到危險點(NODE2572)的正剪應變時程。

圖2 節(jié)點板局部實體

2)臨界損傷面的確定和計算 臨界損傷面即疲勞失效發(fā)生在某一特定的平面[5]，疲勞損傷的累積、壽命估算都在該平面上。而疲勞裂紋通常萌生于滑移帶的局部塑性變形區(qū)，已有的試驗結(jié)果證明，這些滑移帶的滑移方向與最大剪應變的方向非常接近，并且在不同載荷情況下，疲勞裂紋通常都萌生于最大剪應變平面[6]，基于此，選取通常采用的確定臨界面的方法——最大剪切平面為臨界損傷面，即首先求出每一時刻的最大剪應變平面，作為這一時刻的損傷臨界面。根據(jù)非比例多軸加載下最大剪應變臨界面不斷變化的特點，把權(quán)值平均最大剪應變平面定義為臨界損傷平面[7,8]:

(1)

式中，θr(ti)、Φr(ti)為每一時刻的臨界損傷面所對應的角度；w(ti)為θr(ti)、Φr(ti)的權(quán)值，與該平面對材料損傷影響的大小有關(guān)。

2.2多軸循環(huán)計數(shù)

多軸應力時間歷程的應力循環(huán)計數(shù)算法是多軸疲勞壽命預測的關(guān)鍵技術(shù)之一。對于非比例加載，臨界面上剪應變和正應變歷史存在相位差，峰谷值不同時出現(xiàn)，因此，需要多軸載荷壓縮處理和循環(huán)計數(shù)方法[9]。

1)峰谷值檢測 多軸加載的峰谷值的取舍要保持同步性,即只要臨界平面上剪應變和正應變隨機載荷序列中的對應點有一方是峰谷值就被提取。圖3和圖4所示分別為經(jīng)數(shù)據(jù)壓縮之后的臨界面上的正剪應變時程曲線，上層耳板有峰谷值點94個，下層耳板有峰谷值點95個。

圖3 上層節(jié)點板峰谷值檢測的正剪應變時程曲線 圖4 下層節(jié)點板峰谷值檢測的正剪應變時程曲線

圖5 多軸循環(huán)計數(shù)

2)循環(huán)數(shù)提取 材料損傷是由于滑移面上沿滑移方向上的切應力達到臨界值發(fā)生滑移,從而產(chǎn)生駐留滑移帶造成的,所以剪應變是控制疲勞損傷的重要參數(shù)。同時因疲勞裂紋是由于沿裂紋尖端剪切帶的聚合過程而擴展的,它會因正應變的存在而加速[10],所以可以首先對臨界平面上剪應變歷史進行雨流計數(shù),得到剪應變的全循環(huán)和折返點信息,然后提取每個全循環(huán)中剪應變折返點對應的正應變最大變程。

2.3疲勞壽命的估算

1)單個循環(huán)的疲勞損傷 Manson-Coffin[9]公式適用于中短壽命區(qū)，同時需要作平均應力的修正。通常不做試驗難以選擇平均應力的修正方法。而Δεeq-N曲線[11]適用于各個壽命區(qū)，且不需要作平均應力的修正。但是相對于Manson-Coffin公式，其試驗工作量要大一些。

此處采用Δεeq-N曲線的壽命估算模型來計算每個循環(huán)的疲勞損傷，即：

(2)

式中，A0、A1為回歸常數(shù)；εu為對應于1/4循環(huán)時的應變，由εu=εeq|N=10+0.0025確定；εe為對應于疲勞極限時的應變，由εe=εeq|N=108+0.0025確定。

2)疲勞損傷累積及壽命預測 雖然節(jié)點板是多軸非比例加載的復雜受力狀態(tài)，但是其隨機載荷系列中的疲勞載荷幾乎全部處于高周疲勞區(qū)，因此，此處仍然可以采用Miner定理[12]進行損傷累積。即：

(3)

式中，Ni為對應于當前載荷水平Si的疲勞壽命；ni為實際的循環(huán)次數(shù)。破壞準則為D=∑ni/Ni=1。根據(jù)Miner線性累積損傷理論，可以得到桅桿結(jié)構(gòu)上下節(jié)點板的危險點在0°方向13m/s的風速下60s內(nèi)的疲勞損傷分別為1.47E-07和4.26E-10。

3 結(jié) 論

1)臨界面法更加符合纖繩節(jié)點板多軸非比例加載的實際情況，因而可以給出更加合理的結(jié)果。

2)基于臨界面法的節(jié)點板疲勞壽命計算主要包括：采用權(quán)值平均法進行臨界面的確定；用多軸循環(huán)計數(shù)進行臨界面上損傷參數(shù)的確定；確定和計算多軸疲勞統(tǒng)一損傷參量。

3)給出了一種多軸載荷處理方法與循環(huán)計數(shù)方法,該方法實現(xiàn)了多軸載荷的取舍同步性,可以同時得到剪應變和正應變的循環(huán)計數(shù)結(jié)果。

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[編輯] 李啟棟

TU312+.3

A

1673-1409(2009)01-N105-03

2008-12-23

謝志英(1966-)，女，1988年大學畢業(yè)，碩士，高級工程師，現(xiàn)主要從事土木工程方面的教學與研究工作。