專利名稱：一種應(yīng)力幅法疲勞強(qiáng)度預(yù)測方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種應(yīng)力幅法疲勞強(qiáng)度的計算方法，特別涉及一種只要明確鋼結(jié)構(gòu)的利用等級、構(gòu)件和連接類型，通過規(guī)范查找載荷譜系數(shù)等參數(shù)，就可以直接預(yù)測某一工作級別下的許用應(yīng)力幅法疲勞強(qiáng)度預(yù)測方法。

背景技術(shù)：
目前應(yīng)用較多的疲勞計算方法有最大應(yīng)力法、應(yīng)力比法和應(yīng)力幅法。
疲勞破壞現(xiàn)象表明，構(gòu)件在交變應(yīng)力作用下發(fā)生失效，具有以下特征1、破壞時的名義應(yīng)力遠(yuǎn)小于材料在靜載荷下的強(qiáng)度指標(biāo)；2、構(gòu)件在一定量的交變作用力下發(fā)生破壞有一個過程，既需要進(jìn)行一定數(shù)量的應(yīng)力循環(huán)；3、構(gòu)件在破壞前沒有明顯的塑性變形，即使再好的塑性材料也會呈現(xiàn)脆性破壞；4、構(gòu)件在同一破壞斷面，明顯劃分成光亮區(qū)域與顆粒狀的粗糙區(qū)域。
結(jié)構(gòu)在循環(huán)交變應(yīng)力作用下的疲勞強(qiáng)度取決于結(jié)構(gòu)的工作級別、材料種類、結(jié)構(gòu)件(或連接)的應(yīng)力集中情況、最大應(yīng)力值和交變應(yīng)力的循環(huán)特性等。大量的實驗證明焊接結(jié)構(gòu)由于焊接殘余應(yīng)力的存在，裂縫產(chǎn)生部位的實際應(yīng)力狀態(tài)與名義應(yīng)力產(chǎn)生很大差別，由外載荷引起的應(yīng)力和高額的殘余內(nèi)應(yīng)力迭加，不僅改變了實際應(yīng)力的大小，而且改變了焊縫及其附近區(qū)域應(yīng)力的拉壓性質(zhì)，因而影響焊接結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度的不再是最大應(yīng)力和應(yīng)力比，而受控于該處的應(yīng)力最大值和最小值之差

(即應(yīng)力幅)，以及接頭構(gòu)造，材料強(qiáng)度的不同對于大多數(shù)焊接連接類別的疲勞強(qiáng)度并無顯著差別。研究表明結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度取決于結(jié)構(gòu)工作級別(應(yīng)力譜和應(yīng)力循環(huán)次數(shù))、構(gòu)件連接類別和應(yīng)力幅值。
國際上許多國家的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范和起重機(jī)規(guī)范也相繼將應(yīng)力幅法作為焊接結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度設(shè)計的依據(jù)，如歐洲鋼結(jié)構(gòu)協(xié)會ECCS-TC6，英國BS5400和BS7608，原西德橋規(guī)DV804，瑞典焊接結(jié)構(gòu)規(guī)范，日本鋼結(jié)構(gòu)協(xié)會疲勞設(shè)計指南和日本起重機(jī)設(shè)計規(guī)范JIS B 8821等。我國2003年頒布實施的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范GB50017-2003也完全采用了應(yīng)力幅法進(jìn)行疲勞強(qiáng)度核算。
算例低架橋結(jié)構(gòu)在交變應(yīng)力作用下工作，根據(jù)岸橋的工作級別推斷低架橋的工作級別在A8級，并在使用年限內(nèi)總的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)達(dá)到百萬次以上。由于疲勞破壞時應(yīng)力遠(yuǎn)小于靜載下的材料屈服強(qiáng)度或強(qiáng)度極限，因而屈服強(qiáng)度或極限強(qiáng)度已不能作為交變應(yīng)力下的強(qiáng)度指標(biāo)，所以除了以上的靜應(yīng)力計算外，還要進(jìn)行必要的疲勞計算。


發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)中所存在的缺陷，而提供一種只要明確鋼結(jié)構(gòu)的利用等級、構(gòu)件和連接類型，通過規(guī)范查找載荷譜系數(shù)等參數(shù)，就可以直接預(yù)測某一工作級別下的許用應(yīng)力幅法疲勞強(qiáng)度預(yù)測方法。
為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供的一種應(yīng)力幅法疲勞強(qiáng)度預(yù)測方法，其主要包括常幅應(yīng)力幅疲勞強(qiáng)度預(yù)測方法和變幅應(yīng)力幅疲勞強(qiáng)度預(yù)測方法； 所述常幅應(yīng)力幅疲勞強(qiáng)度預(yù)測方法通過能夠?qū)崿F(xiàn)公式(1)和公式(2)的模塊得到，
式中

——焊接部位應(yīng)力幅，有
對于非焊接部位為折算應(yīng)力幅
其中σmax——計算部位每次應(yīng)力循環(huán)中最大應(yīng)力； σmin——計算部位每次應(yīng)力循環(huán)中最小應(yīng)力。


——常幅疲勞容許應(yīng)力幅(N/mm2)，
其中n——應(yīng)力循環(huán)次數(shù)，可從鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范中選用， c、β——依據(jù)構(gòu)件和連接類型可根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范選用； 所述變幅應(yīng)力幅疲勞強(qiáng)度預(yù)測方法通過預(yù)測結(jié)構(gòu)在使用壽命期間各種載荷的頻率分布應(yīng)力幅水平以及頻次分布總和所構(gòu)成的設(shè)計應(yīng)力譜，并將其折算為等效常幅疲勞，且通過基于

算法的模塊實現(xiàn)。
根據(jù)上述技術(shù)方案得到的本發(fā)明只要明確鋼結(jié)構(gòu)的利用等級、構(gòu)件和連接類型，通過規(guī)范查找載荷譜系數(shù)等參數(shù)，就可以直接預(yù)測某一工作級別下的許用應(yīng)力幅，便于起重設(shè)備設(shè)計人員應(yīng)用。



以下結(jié)合附圖和具體實施方式
來進(jìn)一步說明本發(fā)明。
圖1為起重機(jī)利用登記表。
圖2為構(gòu)件和連接類別參數(shù)表。
圖3為起重機(jī)工作級別的劃分表。

具體實施例方式 為了使本發(fā)明實現(xiàn)的技術(shù)手段、創(chuàng)作特征、達(dá)成目的與功效易于明白了解，下面結(jié)合具體圖示，進(jìn)一步闡述本發(fā)明。
應(yīng)力幅法包括常幅應(yīng)力幅和變幅應(yīng)力幅兩種，首先，對于常幅(應(yīng)力循環(huán)內(nèi)的應(yīng)力幅保持常量)疲勞計算公式推導(dǎo)，據(jù)文獻(xiàn)公式為
式中

——焊接部位應(yīng)力幅，有
對于非焊接部位為折算應(yīng)力幅
其中σmax——計算部位每次應(yīng)力循環(huán)中最大應(yīng)力； σmin——計算部位每次應(yīng)力循環(huán)中最小應(yīng)力。


——常幅疲勞容許應(yīng)力幅(N/mm2)，據(jù)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范公式為
其中n——應(yīng)力循環(huán)次數(shù)，可從鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范中選用； 結(jié)構(gòu)的疲勞壽命分為有限疲勞和無限疲勞兩種，在此保守計算，按照無限疲勞極限計算低架橋疲勞壽命，根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范取利用等級為U7級(如圖1所示)，總循環(huán)次數(shù)選擇2×106。
c、β——依據(jù)構(gòu)件和連接類型可根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范選用，此處算例選取第三類應(yīng)用于計算，即c＝3.26×1012、β＝3(如圖2所示)。
因此，常幅疲勞容許應(yīng)力幅
即選定工作級別和聯(lián)機(jī)類別后，結(jié)構(gòu)的固有屬性無限疲勞壽命設(shè)計應(yīng)力幅為117.69MPa。
對于變幅(應(yīng)力循環(huán)內(nèi)的應(yīng)力幅隨機(jī)變化)疲勞，若能預(yù)測結(jié)構(gòu)在使用壽命期間各種載荷的頻率分布應(yīng)力幅水平以及頻次分布總和所構(gòu)成的設(shè)計應(yīng)力譜，則可將其折算為等效常幅疲勞，按鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范公式進(jìn)行計算
式中

——變幅疲勞的等效應(yīng)力幅，據(jù)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范公式為
將公式(4)進(jìn)一步推導(dǎo)



其中∑ni——以應(yīng)力循環(huán)次數(shù)表示的結(jié)構(gòu)預(yù)期使用壽命； ni——預(yù)期壽命內(nèi)應(yīng)力幅水平達(dá)到

的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)。
式中的

即為起重機(jī)設(shè)計規(guī)范中的載荷譜系數(shù)kp， 即
其中∑ni——起重機(jī)設(shè)計規(guī)范kp公式中的N； β——起重機(jī)設(shè)計規(guī)范kp公式中的指數(shù)m＝3； pi——第i個起升載荷； pmax——最大起升載荷； 故
將(7)代入(3)中，
將(8)變換，
公式(9)即為構(gòu)件在變幅應(yīng)力下的疲勞壽命須滿足的應(yīng)力幅條件。
低架橋桁架梁變幅疲勞算例，根據(jù)低架橋符合A8級工作等級，從起重機(jī)設(shè)計規(guī)范起重機(jī)工作級別劃分中選取kp，如圖3所示。
選取kp＝0.5 將ANSYS計算結(jié)果中的σmax＝207.19MPa、σmin＝62.63MPa代入 Aσc＝σmax-σmin＝144.56MPa 將許用常應(yīng)力幅折算成了許用變應(yīng)力幅，
可以看出ANSYS計算結(jié)果和變應(yīng)力幅滿足公式(5)的疲勞壽命要求。
即低架橋機(jī)構(gòu)滿足A8級工作級別的變幅疲勞強(qiáng)度準(zhǔn)則

換言之，低架橋結(jié)構(gòu)達(dá)到A8級利用等級，并滿足一定的構(gòu)件和連接類型，同時要達(dá)到循環(huán)次數(shù)2×106次，其最大應(yīng)力幅不能超過148.2MPa。
按照應(yīng)力循環(huán)次數(shù)為2×106次，以每小時卸箱40只，每天工作12小時，每年按365天計算，低架橋的允許壽命可達(dá)11.42年。
以上顯示和描述了本發(fā)明的基本原理和主要特征和本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)。本行業(yè)的技術(shù)人員應(yīng)該了解，本發(fā)明不受上述實施例的限制，上述實施例和說明書中描述的只是說明本發(fā)明的原理，在不脫離本發(fā)明精神和范圍的前提下，本發(fā)明還會有各種變化和改進(jìn)，這些變化和改進(jìn)都落入要求保護(hù)的本發(fā)明范圍內(nèi)。本發(fā)明要求保護(hù)范圍由所附的權(quán)利要求書及其等效物界定。
權(quán)利要求
1、一種應(yīng)力幅法疲勞強(qiáng)度預(yù)測方法，其特征在于，該方法主要包括常幅應(yīng)力幅疲勞強(qiáng)度預(yù)測方法和變幅應(yīng)力幅疲勞強(qiáng)度預(yù)測方法；
所述常幅應(yīng)力幅疲勞強(qiáng)度預(yù)測方法通過基于公式(1)和公式(2)的模塊實現(xiàn)；
所述變幅應(yīng)力幅疲勞強(qiáng)度預(yù)測方法通過預(yù)測結(jié)構(gòu)在使用壽命期間各種載荷的頻率分布應(yīng)力幅水平以及頻次分布總和所構(gòu)成的設(shè)計應(yīng)力譜，并將其折算為等效常幅疲勞，且通過基于[□σ]＝[□σc]/kp1/β算法的模塊實現(xiàn)。
2、根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種應(yīng)力幅法疲勞強(qiáng)度預(yù)測方法，其特征在于，所述公式(1)和(2)為
□σ≤[□σc](1)
式中□σ——焊接部位應(yīng)力幅，有□σ＝σmax-σmin，
對于非焊接部位為折算應(yīng)力幅□σ＝σmax-0.7σmin，
其中σmax——計算部位每次應(yīng)力循環(huán)中最大應(yīng)力；
σmin——計算部位每次應(yīng)力循環(huán)中最小應(yīng)力。
[□σc]——常幅疲勞容許應(yīng)力幅(N/mm2)，
[□σc]＝(c/n)1/β(2)
其中n——應(yīng)力循環(huán)次數(shù)，可從鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范中選用，
c、β——依據(jù)構(gòu)件和連接類型可根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范選用。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種應(yīng)力幅法疲勞強(qiáng)度預(yù)測方法，該方法主要包括常幅應(yīng)力幅疲勞強(qiáng)度預(yù)測方法和變幅應(yīng)力幅疲勞強(qiáng)度預(yù)測方法；所述常幅應(yīng)力幅疲勞強(qiáng)度預(yù)測方法通過基于公式(1)和公式(2)的模塊實現(xiàn)；所述變幅應(yīng)力幅疲勞強(qiáng)度預(yù)測方法通過預(yù)測結(jié)構(gòu)在使用壽命期間各種載荷的頻率分布應(yīng)力幅水平以及頻次分布總和所構(gòu)成的設(shè)計應(yīng)力譜，并將其折算為等效常幅疲勞，且通過基于[□σ]＝[□ρc]/kp1/β算法的模塊實現(xiàn)。本發(fā)明只要明確鋼結(jié)構(gòu)的利用等級、構(gòu)件和連接類型，通過規(guī)范查找載荷譜系數(shù)等參數(shù)，就可以直接預(yù)測某一工作級別下的許用應(yīng)力幅，便于起重設(shè)備設(shè)計人員應(yīng)用。
文檔編號G01M99/00GK101344461SQ200810043469
公開日2009年1月14日 申請日期2008年6月11日 優(yōu)先權(quán)日2008年6月11日
發(fā)明者楊勇生, 劉濤偉 申請人:上海海事大學(xué)