考虑变应力幅的非线性累计损伤方法及其在钢结构桥梁疲劳分析中的应用
发布时间：2021-07-17 13:44
随着钢结构桥梁的应用越来越多,服役期间列车或者汽车的反复加载使得结构出现疲劳损伤的问题越来越受到重视。本文针对钢结构桥梁承受动载导致应力循环为变幅循环,建立了能考虑平均应力以及变幅循环的非线性累计损伤公式,通过对钢桁架桥与钢箱梁桥的计算,系统分析了这两类桥梁的疲劳破坏特点。主要研究成果如下:（1）针对数值模拟中应力循环为变幅循环,不同应力幅有着不同的非线性累计损伤速度,导致疲劳寿命不易计算的情况。基于连续介质热力学和耗散能理论,通过精确计算不同幅值对应的非线性累计损伤程度,建立了能够准确考虑平均应力、多轴应力系数、初始损伤、变幅循环的非线性累计损伤公式,该公式通过考虑循环块中不同幅值在总损伤中的占比,避免用等效应力幅代替各应力幅值导致精算精度低、以及逐个应力幅递推累加损伤导致计算成本过大的问题。经过论证发现本文建立的公式不仅误差在1%以内,而且能节省大量计算成本。（2）通过对非线性公式中的参数的分析发现:非线性累计程度与应力幅负相关,当应力幅极大时,损伤累计变为线性累计。在分析应力集中处的疲劳寿命时,应考虑多轴应力系数,如果简单考虑为单轴应力疲劳损伤,误差在±40%左右。在分析剩余疲劳...
【文章来源】：兰州交通大学甘肃省
【文章页数】：96 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
单轴应力循环块中各符号示意图
兰州交通大学硕士学位论文-5-图中：σm为平均应力；σmax和σmin分别为最大、最小应力；σa为应力幅；σar为半应力幅；Nb为应力循环块的个数；k为应力循环块中应力幅的数量。（2）损伤指标的定义损伤本构方程必须在连续介质力学意义上，以表征大小合适的“体单元”的力学行为，通过连续变量在体单元上的平均值来反映该体单元的局部损伤情况。过大或过小的体单元均不能良好的反映材料构造细节处的疲劳损伤。微观尺度上的损伤解释为产生非连续的损伤面，即微孔洞塑性逐渐扩展形成的表面[30]，见图1.2。图1.2一维损伤单元图中：SD为微孔洞面积，S为截面积。因此在细观尺度上，损伤的度量可以认为是微孔洞的面积。因此在典型体元（RVE）上简单的一维均质损伤指标，可以简化认为典型体元上微缺陷的有效表面密度，见式(1.1)。DDSS（1.1）但是不同位置的截面受力可能不同，导致微孔洞的发展速度不一样。因此在疲劳损伤理论计算时，应重点关注应力较大处位置的损伤寿命，避免判断破坏位置出现大的误差。根据上式可知，损伤指标D为标量，取值范围为0~1。当D=0时，体元上无损伤；当D=1时，体元完全断裂。事实上无论何种材料，断裂也就是裂纹萌生发生在D<1的不稳定过程中，这主要是由于反复荷载导致了在剩余抵抗面上突然引起原子的分离。定义损伤临界值Dc，该值取决于材料和载荷条件，而通常Dc在0.2~0.5的量级之间。（3）有效应力以图1.1的典型体元为例，通常单轴应力为=F/S，若认为微孔洞上没有应力，则材料上的实际应力定义为有效应力，它于实际承载面积有关，见式（1.2）、式（1.3）。=DFSS（1.2）
考虑变应力幅的非线性累计损伤方法及其在钢结构桥梁疲劳分析中的应用-8-该公式包含理论假设是：（1）等幅加载下，材料在各个应力循环中吸收等量净功，当累计净功达到限值时构件发生破坏。（2）无论应力循环为常幅或者变幅，材料破坏时的临界净功相等。（3）变幅加载中，各级应力幅造成的损伤互相独立，与应力幅的作用顺序无关。为了得到应力幅σi的疲劳破坏循环数为Ni，可以参考桥梁规范[20]中给出的S-N曲线，见图1.3。图1.3规范给出的疲劳寿命曲线图中ΔσC为常幅疲劳极限，ΔσV为截止限，Z1~14为不同连接形式下的疲劳寿命曲线。其中Z1为无连接损伤处的母材，Z4为高强螺栓连接处的母材。S-N曲线的函数见下式。iiC11lnlnlnN(1.14)式中C和β根据不同的连接形式选取，高强螺栓连接处母材中，C为2.81E+12，β为3。
【参考文献】：
期刊论文
[1]喷丸处理对马氏体时效超高强度钢疲劳性能的影响[J]. 康霞,殷广强,赵桂平. 金属热处理. 2020(02)
[2]金属材料超长寿命疲劳行为及其微结构敏感性[J]. 张若凡,詹敏,李雪,陈渝,何超,王清远. 成都大学学报(自然科学版). 2019(03)
[3]整体节点角焊缝疲劳性能分析及寿命评估[J]. 郭琪,邢颖,韩庆华,黄欣. 建筑钢结构进展. 2019(03)
[4]基于裂纹闭合效应的疲劳裂纹扩展特性研究[J]. 王爱君,栾春光. 煤矿机械. 2018(02)
[5]钢铁材料超高周疲劳的研究进展[J]. 邓海鹏,何柏林,于影霞,李力. 热加工工艺. 2017(04)
[6]基于累积塑性损伤的Q345钢疲劳裂纹扩展的过载效应研究[J]. 李逸候,杨平,董琴. 武汉理工大学学报(交通科学与工程版). 2016(06)
[7]基于ANSYS的某铁路桁架桥的力学特性研究[J]. 周双文,刘凤奎. 兰州工业学院学报. 2016(06)
[8]考虑非线性累积损伤的桥梁疲劳寿命分析[J]. 王会利,秦泗凤,谭岩斌. 大连理工大学学报. 2016(04)
[9]Q345qD桥梁钢高周疲劳性能及γ-P-S-N曲线试验研究[J]. 贾单锋,廖小伟,崔佳. 天津大学学报(自然科学与工程技术版). 2016(S1)
[10]基于实测数据的大跨桥梁疲劳标准车模型研究[J]. 钮宏,陈源丽,田浩. 中国市政工程. 2016(01)
博士论文
[1]正交异性钢桥面板疲劳设计参数和构造细节研究[D]. 赵欣欣.中国铁道科学研究院 2011
硕士论文
[1]高速钢轨踏面疲劳裂纹的扩展特性研究[D]. 王冰.西安理工大学 2019
[2]正交异性钢桥面板U肋—横隔板构造细节的疲劳性能研究[D]. 钱六五.湖南大学 2015
[3]典型高速公路实际运行车辆荷载模型研究[D]. 杨泽刚.东南大学 2015
[4]拉扭等比例加载下典型材料全寿命过程中的力学行为[D]. 赵石雷.北京工业大学 2014
[5]在役公路钢桁架连续梁桥剩余疲劳寿命评估[D]. 张杰.重庆交通大学 2014
[6]公路正交异性钢桥面板构造细节的热点应力分析及疲劳研究[D]. 冯兵.西南交通大学 2014
[7]焊接结构件的疲劳分析与研究[D]. 胡喜磊.太原科技大学 2013
[8]应用损伤力学研究钢桥的疲劳破坏[D]. 万志强.重庆交通大学 2012
[9]基于ANSYS的梁结构静态与动态分析[D]. 许小庄.东北大学 2011
[10]钢桁架拱桥的结构优化分析[D]. 雷霄雯.大连海事大学 2008
本文编号：3288288
【文章来源】：兰州交通大学甘肃省
【文章页数】：96 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
单轴应力循环块中各符号示意图
兰州交通大学硕士学位论文-5-图中：σm为平均应力；σmax和σmin分别为最大、最小应力；σa为应力幅；σar为半应力幅；Nb为应力循环块的个数；k为应力循环块中应力幅的数量。（2）损伤指标的定义损伤本构方程必须在连续介质力学意义上，以表征大小合适的“体单元”的力学行为，通过连续变量在体单元上的平均值来反映该体单元的局部损伤情况。过大或过小的体单元均不能良好的反映材料构造细节处的疲劳损伤。微观尺度上的损伤解释为产生非连续的损伤面，即微孔洞塑性逐渐扩展形成的表面[30]，见图1.2。图1.2一维损伤单元图中：SD为微孔洞面积，S为截面积。因此在细观尺度上，损伤的度量可以认为是微孔洞的面积。因此在典型体元（RVE）上简单的一维均质损伤指标，可以简化认为典型体元上微缺陷的有效表面密度，见式(1.1)。DDSS（1.1）但是不同位置的截面受力可能不同，导致微孔洞的发展速度不一样。因此在疲劳损伤理论计算时，应重点关注应力较大处位置的损伤寿命，避免判断破坏位置出现大的误差。根据上式可知，损伤指标D为标量，取值范围为0~1。当D=0时，体元上无损伤；当D=1时，体元完全断裂。事实上无论何种材料，断裂也就是裂纹萌生发生在D<1的不稳定过程中，这主要是由于反复荷载导致了在剩余抵抗面上突然引起原子的分离。定义损伤临界值Dc，该值取决于材料和载荷条件，而通常Dc在0.2~0.5的量级之间。（3）有效应力以图1.1的典型体元为例，通常单轴应力为=F/S，若认为微孔洞上没有应力，则材料上的实际应力定义为有效应力，它于实际承载面积有关，见式（1.2）、式（1.3）。=DFSS（1.2）
考虑变应力幅的非线性累计损伤方法及其在钢结构桥梁疲劳分析中的应用-8-该公式包含理论假设是：（1）等幅加载下，材料在各个应力循环中吸收等量净功，当累计净功达到限值时构件发生破坏。（2）无论应力循环为常幅或者变幅，材料破坏时的临界净功相等。（3）变幅加载中，各级应力幅造成的损伤互相独立，与应力幅的作用顺序无关。为了得到应力幅σi的疲劳破坏循环数为Ni，可以参考桥梁规范[20]中给出的S-N曲线，见图1.3。图1.3规范给出的疲劳寿命曲线图中ΔσC为常幅疲劳极限，ΔσV为截止限，Z1~14为不同连接形式下的疲劳寿命曲线。其中Z1为无连接损伤处的母材，Z4为高强螺栓连接处的母材。S-N曲线的函数见下式。iiC11lnlnlnN(1.14)式中C和β根据不同的连接形式选取，高强螺栓连接处母材中，C为2.81E+12，β为3。
【参考文献】：
期刊论文
[1]喷丸处理对马氏体时效超高强度钢疲劳性能的影响[J]. 康霞,殷广强,赵桂平. 金属热处理. 2020(02)
[2]金属材料超长寿命疲劳行为及其微结构敏感性[J]. 张若凡,詹敏,李雪,陈渝,何超,王清远. 成都大学学报(自然科学版). 2019(03)
[3]整体节点角焊缝疲劳性能分析及寿命评估[J]. 郭琪,邢颖,韩庆华,黄欣. 建筑钢结构进展. 2019(03)
[4]基于裂纹闭合效应的疲劳裂纹扩展特性研究[J]. 王爱君,栾春光. 煤矿机械. 2018(02)
[5]钢铁材料超高周疲劳的研究进展[J]. 邓海鹏,何柏林,于影霞,李力. 热加工工艺. 2017(04)
[6]基于累积塑性损伤的Q345钢疲劳裂纹扩展的过载效应研究[J]. 李逸候,杨平,董琴. 武汉理工大学学报(交通科学与工程版). 2016(06)
[7]基于ANSYS的某铁路桁架桥的力学特性研究[J]. 周双文,刘凤奎. 兰州工业学院学报. 2016(06)
[8]考虑非线性累积损伤的桥梁疲劳寿命分析[J]. 王会利,秦泗凤,谭岩斌. 大连理工大学学报. 2016(04)
[9]Q345qD桥梁钢高周疲劳性能及γ-P-S-N曲线试验研究[J]. 贾单锋,廖小伟,崔佳. 天津大学学报(自然科学与工程技术版). 2016(S1)
[10]基于实测数据的大跨桥梁疲劳标准车模型研究[J]. 钮宏,陈源丽,田浩. 中国市政工程. 2016(01)
博士论文
[1]正交异性钢桥面板疲劳设计参数和构造细节研究[D]. 赵欣欣.中国铁道科学研究院 2011
硕士论文
[1]高速钢轨踏面疲劳裂纹的扩展特性研究[D]. 王冰.西安理工大学 2019
[2]正交异性钢桥面板U肋—横隔板构造细节的疲劳性能研究[D]. 钱六五.湖南大学 2015
[3]典型高速公路实际运行车辆荷载模型研究[D]. 杨泽刚.东南大学 2015
[4]拉扭等比例加载下典型材料全寿命过程中的力学行为[D]. 赵石雷.北京工业大学 2014
[5]在役公路钢桁架连续梁桥剩余疲劳寿命评估[D]. 张杰.重庆交通大学 2014
[6]公路正交异性钢桥面板构造细节的热点应力分析及疲劳研究[D]. 冯兵.西南交通大学 2014
[7]焊接结构件的疲劳分析与研究[D]. 胡喜磊.太原科技大学 2013
[8]应用损伤力学研究钢桥的疲劳破坏[D]. 万志强.重庆交通大学 2012
[9]基于ANSYS的梁结构静态与动态分析[D]. 许小庄.东北大学 2011
[10]钢桁架拱桥的结构优化分析[D]. 雷霄雯.大连海事大学 2008
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