结构疲劳分析方法及应用

在某点或某些点承受扰动应力,且在 足够多的循环扰动作用 之后形成裂纹或完全断裂的材料中发生的局部的、永久结构变化的发展过程,称为疲劳。由此,可以确定对结构进行疲劳设计的两个必要条件:1)扰动应力;2)足够多的循环。如过不具备这两个条件,设计过程中就没有必要考虑结构的疲劳问题。

目前,对结构进行疲劳分析主要有两种途径:1)利用有限元分析软件直接对结构进行疲劳分析,最终求得结构的疲劳寿命;2)根据不同的疲劳工况,利用有限元软件分析计算出结构应力的变化,然后将其与利用规范计算出的许用疲劳应力相比较,看是否满足要求。对于前者,最为关键的是定义输入载荷谱或应力谱,而当结构的工况相对较为复杂时,载荷谱或应力谱的定义过程就相当于后者的前期处理过程;同时,客户一般会在协议中指定结构设计计算时必须参考的标准规范,所以为了更好地满足客户的需求,建议结构疲劳计算时采用后者的方法。根据标准规范对结构进行疲劳分析时一般包括以下五个方面:

1. 疲劳载荷的确定

结构所承受的载荷可以分为三种:1)基本载荷,主要指设备在正常工作情况下通常出现的载荷(如结构自重、物料载荷、永久性动载等);2)附加载荷,主要指设备运行或停止时可能断续出现的载荷(如设备工作风载、摩擦阻力、运行阻力、非永久性动载等);3)特殊载荷,是指在设备工作和非工作状态时不应产生,但又无法避免的载荷(如非工作风载、结构碰撞、地震载荷等)。疲劳计算时只需考虑基本载荷,而且对于物料载荷或其它的基本载荷,有的标准规范中还规定了疲劳计算时载荷的缩小系数。

2. 循环次数的确定

同一结构,所考虑的疲劳载荷不同时,其循环次数也不尽相同,这主要是因为不同的疲劳载荷产生的原因是不同的。例如,对于堆取料机来说,考虑物料载荷的扰动影响时是指传送皮带上物料的有无,而考虑永久性动载的扰动影响时则是指设备在工作过程中的正常启、制动,即便是同一结构的同一载荷,针对不同的工作工艺流程,其循环次数也是不同的。所以,设备的工作工艺流程是不同载荷循环次数计算的决定性因素。当载荷的循环次数确定后,首先应该判断其对结构的循环扰动作用是否足够多,当循环次数N≤103(104)(低周疲劳)时,无需对结构进行疲劳校核。

3. 构件焊接形式的选择

工程中的钢结构多为焊接结构,构件的疲劳强度除取决于结构使用的材料外,还与接头的形状和制造方法密切相关。被连接件的形状和连接方法会影响到应力集中的形成,从而使构件的疲劳强度大为降低。不同的标准规范在经过大量试验的前提下,给出了针对不同的焊接接头形式的构件疲劳强度(图1,为AS4100-1998标准中所列举的针对载荷循环次数为2×106构件的焊接形式及其许用应力幅值,左边的数字便为其疲劳强度值,单位为MPa)。因此,如何根据结构的实际焊接形式恰当地对照标准中的焊接类型来确定结构具体部分的疲劳强度值,也需要一定经验的积累。

图1 构件不同焊接形式的疲劳强度

4. 有限元计算时应力的取值

结构按不同计算工况用有限软件计算完毕后,在后处理中可以选择的应力有很多种,究竟以哪种应力作为疲劳强度校核时的参考应力很值得探讨。在美国钢结构设计规范中明确提出,对于整个应力范围内全部承受压应力的结构,无需考虑结构的疲劳强度,因为这种情况下裂纹不会扩展出焊缝残余拉应力以外的范围。由此,应力的取值应该区分出正负值,所以原则上来说,针对不同的结构部位,只有主应力才能够严格地区分出结构局部承受的应力是拉应力还是压应力。按板壳单元计算结构的应力时,还有点的应力应该取值于板的顶面、中位面还是底面的问题。由于板壳的同一点在同一工况下当其在顶面上表现拉应力时,而底面上则可能表现为压应力,所以对于同一点,校核其疲劳强度时,该点的最大应力及最小应力值的取面应该保持一致。

5. 许用疲劳应力的确定

就目前不同的设计标准规范来说,疲劳计算常用方法可分为两种:1)应力比法,一般无较大残余应力的结构,如已消除残余应力的焊接结构或用螺栓、铆钉等连接的非焊接结构适合用应力比法确定其疲劳特性(目前采用应力比法的有GB3811、ISO5049、FEM,DIN,BS等规范)。2)应力幅法,对有较大焊接残余应力、较多焊接初始缺陷的焊接结构, 应力幅法比应力比法更能反映其疲劳的实际状态(目前采用应力幅法的有GB50017、AS、AISC等规范)。

由二者的名称,明显可以看出其区别所在,应力比法疲劳强度确定的关键是结构某点最小主应力与最大主应力的比值,而应力幅法疲劳强度确定的关键是结构某点最大主应力与最小主应力的差值。采用应力比法确定结构疲劳强度具有代表性的标准是FEM起重机设计规范和ISO5049移动式连续散料搬运设备钢结构设计规范;而采用应力幅法确定其疲劳强度具有代表性的标准是AS4100-1998和GB50017-2003钢结构设计规范。