非線性連接接頭疲勞仿真及試驗

趙術(shù)杰，邵 飛，徐 倩，朱 樂，姜鵬宇任俊宏

（1.陸軍工程大學(xué)野戰(zhàn)工程學(xué)院，江蘇 南京210007；2.陸軍研究院作戰(zhàn)保障研究所，江蘇 無錫214000）

浮橋在水中的受力情況異常復(fù)雜，由于水力學(xué)特性較為復(fù)雜，導(dǎo)致其接頭部位的受力情況難以簡化計算。受海上風(fēng)浪影響，浮橋構(gòu)件之間持續(xù)相互碰撞，其接頭部位疲勞性能良好與否決定了整座棧橋的使用壽命。處于海洋環(huán)境下的浮橋，若采用剛性連接，在波浪荷載持續(xù)作用下，連接件始終處于較高應(yīng)力水平下工作直接導(dǎo)致其疲勞壽命較短。為解決此問題，考慮采用剛性和柔性連接相結(jié)合的方式，進(jìn)行浮橋間的連接。受力除橋上通載外，也包括風(fēng)浪荷載，導(dǎo)致浮橋構(gòu)件持續(xù)相互碰撞。因此，連接構(gòu)件的疲勞性能好壞決定了浮橋正常工作使用壽命。目前，接頭的形式和種類繁多，國內(nèi)研究者對接頭疲勞性能展開了相關(guān)研究。張銀龍[1]等對軍用橋梁疲勞問題指出了若干研究重點(diǎn)，其中就包括接頭的疲勞問題。李峰[2]等對丙丁接頭的接觸進(jìn)行了細(xì)致的研究，與經(jīng)驗合成計算結(jié)果和常規(guī)有限元分析的結(jié)果進(jìn)行對比，證明接觸分析方法對連接件塑性變形、疲勞分析和優(yōu)化設(shè)計有重要指導(dǎo)意義。文章[3]研究了一種新型的剛?cè)峤M合的非線性連接接頭，朱樂[3-4]等完成了非線性接頭有關(guān)靜力特性的數(shù)值模擬，但實際的靜力特性和疲勞性能都有待研究，為驗證接頭在設(shè)計載荷作用下疲勞壽命能否達(dá)到10 000次通載的技術(shù)指標(biāo)要求，對此類接頭展開了靜力強(qiáng)度和疲勞的仿真和試驗。

1 基于ANSYS Workbench接頭疲勞仿真

接頭實體模型在Solideworks中建立，其爆炸視圖如圖1所示。由于模型的對稱性，為減小計算量，本實體模型為二分之一模型。模型最兩邊的構(gòu)件不是接頭所包含部分，只是為了更好的模擬之后實驗而增加的部分，其作用是方便接頭和壓力機(jī)相連。

圖1 接頭實體模型爆炸視圖

將建立好的實體模型導(dǎo)入至ANSYS Workbench中。Workbench疲勞分析模塊分析是ANSYS Me_chanical內(nèi)置功能之一，其疲勞仿真分析是建立在靜力分析的基礎(chǔ)上[5]。因為夾具板只是為了試驗方便而臨時設(shè)計的裝置，不是實驗探究的目的。在網(wǎng)格劃分中，將夾具板網(wǎng)格大小設(shè)置為20 mm，其余接頭、柔性板和螺栓的網(wǎng)格大小設(shè)置為5 mm.邊界條件為一邊夾具板設(shè)置為固支，荷載加載在另外一邊夾具板上。接頭的設(shè)計荷載為250 kN，所以在算例中荷載大小為125 kN.將力的方向設(shè)置為朝向夾具板方向，即為壓力。接觸設(shè)置中，將接頭與接頭、接頭與銷釘之間的接觸設(shè)置為摩擦接觸，摩擦系數(shù)設(shè)置為0.18，其余設(shè)置為綁定接觸。在疲勞模塊中，分析類型選擇為應(yīng)力疲勞?？紤]到單個構(gòu)件的強(qiáng)度不能在整體結(jié)構(gòu)中完全發(fā)揮，將疲勞強(qiáng)度影因子設(shè)置為0.95.荷載類型設(shè)置為幅值為從0至1的正弦荷載。選用平均應(yīng)力曲線考慮平均應(yīng)力的影響。疲勞計算結(jié)果為通載12 129次，達(dá)到設(shè)計荷載下通載10000次的要求。其結(jié)果如圖2所示。

圖2 疲勞計算結(jié)果

考慮到本接頭將運(yùn)用到浮橋中，其大部分時間受到風(fēng)浪荷載，其應(yīng)力水平較小。改變疲勞模塊的scale factor大小，可以得到不同荷載峰值大小下的疲勞計算結(jié)果。其結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同荷載疲勞壽命計算結(jié)果

從圖3可得，隨著荷載的減小，疲勞壽命都呈指數(shù)式增加。當(dāng)循環(huán)荷載峰值達(dá)到設(shè)計荷載一半時，接頭所能承受的通載次數(shù)已經(jīng)達(dá)到148 190次，能滿足一般使用的要求。

2 非線性連接接頭實驗構(gòu)件

實驗構(gòu)件主要由單雙耳接頭、承接板和夾具板通過螺栓和銷釘連接而成。單雙耳接頭之間采用銷釘連接。接頭與夾具板通過高強(qiáng)螺栓連接，夾具板和接頭之間有一層15 mm厚聚氨酯材料制成的承接板，從而形成剛?cè)峤M合連接。單個接頭與夾具板連接如圖4所示。

圖4 單個接頭與夾具板連接示意圖（陰影部分為聚氨酯墊塊）

3 試驗設(shè)計及分析

試驗在總裝工程兵技術(shù)裝備研究所結(jié)構(gòu)力學(xué)試驗室進(jìn)行，壓力機(jī)型號為MTS815.實驗試件總共有6組相同試件（B1-B6）。先將試件B1用來作靜力極限承載試驗，之后將剩余5組試件（試件B2-B6）用來作疲勞試驗。

通過試件B1，測定剛?cè)峤M合接頭的極限承載力。通過試件B2-B6的疲勞試驗來驗證設(shè)計的合理性。試件的加載示意圖如圖5所示。本次試驗重點(diǎn)是檢驗接頭的疲勞壽命能否滿足指標(biāo)要求，為浮橋技術(shù)的應(yīng)用提供依據(jù)。

圖5 剛?cè)峤M合接頭加載示意圖

3.1 加載方式

在實際的使用中，非線性連接接頭是不包含夾具板部分。因為接頭形狀特殊，設(shè)計夾具板方便接頭與壓力機(jī)的連接，實際連接處理方式如圖6所示。

圖6 接頭與壓力機(jī)連接圖

3.2 接頭靜載強(qiáng)度試驗

靜載強(qiáng)度試驗的目的是了解非線性連接接頭的極限承載力，并通過檢測各個工況下結(jié)構(gòu)各部位的應(yīng)力響應(yīng)情況，確定結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)，為優(yōu)化設(shè)計提供依據(jù)。

采用靜載加壓試驗方法，共進(jìn)行1次預(yù)加載，3次循環(huán)加載。預(yù)加載為50 kN、100 kN、150 kN.循環(huán)加載為 50 kN、100 kN、150 kN、200 kN、250 kN，每級荷載穩(wěn)定1分鐘，記錄應(yīng)變情況。最后1次加載后若接頭無破壞，則直接從250kN開始加載，每級荷載增加25 kN，同時監(jiān)測應(yīng)變情況；當(dāng)出現(xiàn)屈服后，每級荷載增加值減為10 kN，直至破壞。

每組非線性接頭都設(shè)置應(yīng)變測點(diǎn)10個，其中應(yīng)變花2個（5號和6號測點(diǎn)），應(yīng)變片8個（1-4、7-10號測點(diǎn)），測點(diǎn)布置位置如圖7所示。

圖7 接頭應(yīng)變片測點(diǎn)布置

3.3 接頭疲勞性能試驗

疲勞性能試驗采用恒應(yīng)力幅試驗方法，試驗加載如圖3所示，拉壓力最大荷載為250 kN，拉壓力最小荷載為25 kN，應(yīng)力比R=0.1，加載頻率0.5 Hz.試驗?zāi)康臑闇y試剛?cè)峤M合接頭的疲勞性能，確定疲勞危險斷面及破壞形式。

3.4 試驗結(jié)果及分析

3.4.1 接頭靜載強(qiáng)度試驗及結(jié)果

靜載強(qiáng)度試驗?zāi)康臑楂@得剛?cè)峤M合接頭的極限承載力，通過檢測各個工況下結(jié)構(gòu)各部位的應(yīng)力響應(yīng)情況，確定結(jié)構(gòu)的薄弱部位，為下一步的優(yōu)化設(shè)計提供依據(jù)[4]。

當(dāng)荷載達(dá)到250 kN時，試件B1并未屈服。卸載后，加載直至結(jié)構(gòu)極限承載能力。表1、表2中為最后一次加載所得數(shù)據(jù)，按照設(shè)計計算結(jié)果，最大接頭力為250 kN，因此在此荷載下我們輸出了各測點(diǎn)應(yīng)力響應(yīng)值，以便與計算結(jié)果對比。試驗中，應(yīng)變片測點(diǎn)在設(shè)計最大接頭力時，即試驗荷載250 kN時，最大應(yīng)力為221.5 MPa，設(shè)計許用應(yīng)力為[σ]=472 MPa，因此試驗應(yīng)力響應(yīng)均在許用范圍內(nèi)。

表1 應(yīng)變片測點(diǎn)應(yīng)力數(shù)據(jù)（單位：MPa）

表2 應(yīng)變花測點(diǎn)應(yīng)力數(shù)據(jù)（單位：MPa）

測點(diǎn)5#和6#位于接頭銷孔后部，從理論上分析該處的應(yīng)力較大，并且最大應(yīng)力方向不為水平，因此該2個測點(diǎn)布設(shè)了應(yīng)變花。從試驗響應(yīng)看，該位置應(yīng)力水平總體高于其他測點(diǎn)。應(yīng)變花測點(diǎn)在荷載250 kN時，最大主應(yīng)力為221.5 MPa，小于材料DB685的設(shè)計許用應(yīng)力為[σ]=472 MPa，因此試驗應(yīng)力響應(yīng)均在許用范圍內(nèi)。

試驗過程中，當(dāng)?shù)诙喓奢d加至600 kN時，再無法繼續(xù)加載，檢查發(fā)現(xiàn)，耳板變形過大。卸載后對接頭進(jìn)行詳細(xì)檢查，并未發(fā)現(xiàn)破壞，實際接頭承受拉壓力時，由于浮橋箱體結(jié)構(gòu)的支撐作用，并不會發(fā)生此類情況，實際接頭在應(yīng)用時的最大承載能力高于試驗接頭工況。從試驗測點(diǎn)應(yīng)力看，荷載加至600 kN時，最大應(yīng)力為549.74 MPa，大于材料的設(shè)計許用應(yīng)力[σ]=472 MPa，但小于DB685材料的屈服極限強(qiáng)度[σs]=590 MPa.

3.4.2 接頭疲勞試驗及結(jié)果

對試件B2到試件B7進(jìn)行了疲勞壽命測試，試驗結(jié)果見表3.

表3 剛?cè)峤M合接頭疲勞壽命測試結(jié)果

連接接頭失效原因均為高強(qiáng)螺栓斷裂，部分接頭破壞形式如圖8所示。螺栓達(dá)到了10.9級標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)初步計算校核，均未達(dá)到接頭材料和螺栓的屈服強(qiáng)度，說明此破壞形式是由于螺栓受力不均勻引起，在實際結(jié)構(gòu)中由于接頭與浮橋結(jié)構(gòu)相連，受力相對均勻，可避免這種形式破壞。各組試件和螺栓破壞形式如圖8所示。

圖8 各組試件和螺栓破壞形式

疲勞壽命一般可認(rèn)為遵循對數(shù)正態(tài)分布，所以在進(jìn)行數(shù)據(jù)處理前，疲勞壽命均取其對數(shù)，對數(shù)疲勞壽命記為：

式中，n為疲勞壽命子樣個數(shù)，S為子樣標(biāo)準(zhǔn)差，β為正態(tài)母體標(biāo)準(zhǔn)差修正因數(shù)，Γ（·）為伽馬函數(shù)，k為單側(cè)容限因數(shù)，up和uγ分別為與可靠度p和置信度γ相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)偏量。

對于接頭試樣，n=5，p=95%，γ =95%，則 β=1.063 8，k=2.889，因此安全對數(shù)疲勞壽命為x^=xˉ-3.073 3S，利用表4中接頭試件的疲勞壽命數(shù)據(jù)計算得xˉ=4.329 8，S=0.080 73，x^=4.0817，取對數(shù)函數(shù)的反函數(shù)最終得到具有95%可靠度和95%置信度的安全疲勞壽命為：

結(jié)果與仿真結(jié)果很相近。

4 結(jié)論

（1）根據(jù)實驗結(jié)果，在實際的使用中，螺栓容易在構(gòu)件破壞之前破壞，在實際的使用中，應(yīng)定期更換螺栓，以減小螺栓破壞對整體構(gòu)件使用的影響。從接頭破壞形態(tài)分析，螺栓都是發(fā)生拉伸破壞，可適當(dāng)增加螺栓數(shù)量，來增加構(gòu)件疲勞壽命。

（2）靜載試驗未加載到接頭破壞，不能確定接頭的極限承載力，但從應(yīng)力響應(yīng)分析，結(jié)構(gòu)能夠滿足強(qiáng)度要求，并且有較多的強(qiáng)度富余。

（3）疲勞仿真的結(jié)果與實驗分析的結(jié)果一致，說明模型建立的正確性，可用此方法指導(dǎo)類似接頭的計算。