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****动载焊接结构的设计1、 焊接结构疲劳强度设计的一般原则设计过程可分为以下三个步骤：⑴ 考虑实用性，进行功能设计 根据结构未来的工作情况，合理地提出结构的承载能力、强度、刚度、耐蚀度、使用寿命等比较具体的要求。
考虑安全性，这些要求不能太低；考虑经济性，这些要求也不能过高。
⑵ 进行方案设计 根据上述要求，选择确定结构材料、结构构造形式、传动形式、自动化程度、控制方式、生产制造工艺等综合设计方案，它们互相联系，又互相制约；⑶ 进行具体的施工图设计 绘图前，进行必要的计算，以便确定结构的重要尺寸。
我们要讲的是如何合理选择动载焊接结构、焊接接头的结构形式和怎样进行必要的计算。
设计动载焊接结构必须特别强调两点：① “动载”，对应力集中非常敏感；②焊接接头属于刚性连接形式，对应力集中也比较敏感。
而且“焊接结构”难免有焊接残余应力、变形、焊接缺陷等，存在应力集中现象。
因此，设计动载焊接结构时，必须注意以下几点：⑴ 承受拉伸、弯曲、扭转的构件，截面面积变化时，尽量保持平顺、圆滑的过渡，尽量防止或减小构件截面刚度突然变化，避免造成较大的附加应力和应力集中。
⑵ 对接、角接、丁字、十字接头等，均应优先采用对接焊缝，少用角焊缝； ⑶ 单面搭接接头角焊缝的焊根、焊趾处，既有偏心弯矩的作用，又有严重的应力集中，承受疲劳载荷的能力很低，必须尽量避免采用这种接头形式；⑷ 承受疲劳载荷的角焊缝（未焊透的对焊缝，也看作角焊缝），危险点在应力集中比较严重的焊缝根部或焊趾处。
应采用如下措施：① 开坡口，加大熔深，减小焊缝根部的应力集中；② 将焊趾处加工成圆滑过渡的形状，减小焊趾的应力集中；⑸ 处于拉应力场中的焊趾、焊缝端部或其它严重的应力集中处（如裂纹），应设置缓和槽、孔，以便降低应力集中的影响。
总之，应采取一切措施，排除或减小应力集中的影响。
2、疲劳强度的许用应力设计法我国钢结构标准，原设计规范基本金属及连接的疲劳计算中，采用疲劳许用应力。
钢结构桥梁疲劳寿命评估方法研究引言：钢结构桥梁作为交通基础设施的重要组成部分，承载着巨大的交通流量和运载荷。
然而，长期受到动态荷载的作用，钢结构桥梁往往容易发生疲劳破坏。
因此，准确评估钢结构桥梁的疲劳寿命成为了维护管理的重要课题。
本文将讨论钢结构桥梁疲劳寿命评估方法的研究进展以及存在的挑战和未来发展方向。
一、背景和意义钢结构桥梁疲劳寿命评估是指通过分析桥梁所受到的动态荷载，预测桥梁在使用寿命内出现疲劳破坏的概率。
疲劳破坏是指桥梁在长期交通荷载下反复受力而导致的损伤积累和裂纹扩展，可能最终导致桥梁失效。
因此，准确评估疲劳寿命对于实施及时的维护和修复措施，保障桥梁的安全运营至关重要。
二、疲劳寿命评估方法研究进展1. 数字化模拟方法数字化模拟方法是目前主要应用于钢结构桥梁疲劳寿命评估的方法之一。
该方法基于桥梁受力和应力分析，通过建立数学模型，模拟荷载作用下的疲劳破坏过程。
然后利用数值计算方法，预测裂纹扩展速率和疲劳寿命。
2. 动态试验方法动态试验方法是通过在实际桥梁上进行长期监测和数据采集，评估桥梁的疲劳寿命。
该方法基于实测数据，分析动态荷载对桥梁的影响，提取桥梁的结构和材料参数，并利用相关的疲劳寿命模型计算桥梁的疲劳寿命。
3. 统计预测方法统计预测方法是通过对大量实验数据的统计分析，建立起桥梁疲劳寿命与设计参数、材料性能、施工和维护质量等之间的关系模型。
利用这些模型，可以根据桥梁的设计参数和实际使用情况，预测桥梁的疲劳寿命。
三、存在的挑战和未来发展方向1. 材料和荷载模型的不确定性钢结构桥梁的材料特性和荷载条件是影响疲劳寿命评估准确性的关键因素。
然而，由于现实中桥梁的使用环境和荷载条件的复杂性，材料和荷载模型的确定性往往存在挑战。
未来的研究应关注材料行为和荷载特性等方面的不确定性，提高评估方法的可靠性和准确性。
2. 动态荷载的实时监测和预测桥梁所受到的动态荷载是影响桥梁疲劳寿命的主要因素之一。
然而，目前对于动态荷载的监测和预测技术还存在一定的限制。
第三部分疲劳断裂疲劳断裂是金属结构失效的一种主要型式，典型焊接结构疲劳破坏事例表明疲劳断裂几率高，具有广泛研究意义。
疲劳破坏发生在承受交变或波动应变的构件中，一般说来，其最大应力低于材料抗拉强度，甚至低于材料的屈服点，因此断裂往往是无明显塑性变形的低应力断裂。
疲劳断裂过程的研究表明，疲劳寿命不是决定于裂纹产生，而是决定于裂纹增大和扩展。
因此，本章将在介绍疲劳断裂的基本特征和基本概念基础上，利用断裂力学原理着重分析疲劳裂纹的扩展机理、规律、影响因素及疲劳寿命估算。
§3-1疲劳的基本概念在交变载荷作用下，金属结构产生的破坏现象称为疲劳破坏。
为防止结构在工作时发生疲劳破坏传统疲劳设计采用σ―N曲线法确定疲劳强度。
一、应力疲劳和应变疲劳1、应力疲劳在低应力、高循环、低扩展速率的疲劳称为应力疲劳，也叫弹性疲劳。
七特点是在应力循环条件下，裂纹在弹性区内扩展，且裂纹扩展速率低。
2、应变疲劳在高应力、低循环、高扩展速率下的疲劳称为应变疲劳，也叫塑性疲劳。
其特点是应变幅值很高，最大应变接近屈服应变，故疲劳裂纹扩展速率高（达每次循环10-2mm），寿命短（小于104周）。
二、疲劳强度和疲劳极限1、乌勒（Wöhler）疲劳曲线（1）结构在多次循环载荷作用下，在工作应力σ（σmax）小于强度极限σb时即破坏，在不同载荷下使结构破坏所需的加载次数N也不同，表达结构破坏载荷σ和所需加载次数N之间的关系（σ―N）即为乌勒（Wöhler）疲劳曲线。
（2）疲劳曲线在加载次数N很大时趋于水平，若以σ―lgN表示则为两段直线关系（3）图示（略）2、疲劳强度（条件疲劳极限）（1）疲劳曲线上对应于某一循环次数N的强度极限σ即为该循环下的疲劳强度（σr）（2）σr =f（N）σr对应σmax，一般N<1073、疲劳极限（1）结构对应于无限次应力循环而不破坏的强度极限即疲劳极限（2）为σ―lgN疲劳图中的水平渐近线三、应力循环特性1、应力循环中各参数及应力循环特性系数①σmax―应力循环中最大应力值，σmax=σm+σa②σmin―应力循环中最小应力值，σmin=σm-σa③σm=（σmax+σmin）/2--应力循环中平均应力值④σa=（σmax-σmin）/2―应力循环中应力振幅⑤ r=σmin/σmax―应力循环中应力循环特性系数2、特殊循环特性(1)对称交变载荷，r=-1，疲劳强度σ-1(2)脉动载荷，r=0，疲劳强度σ(3)拉伸变载荷，0<r<1，疲劳强度σr拉伸变载荷σmin和σmax均为拉应力，但大小不等，0<γ<1，其疲劳强度用σr，脚标γ用相应的特性系数表示。
焊接接头疲劳寿命评估与优化在工程结构中，由于使用环境和外部载荷的影响，焊接接头会经历疲劳破坏。
为了保证工程结构的性能和安全，需要对焊接接头进行疲劳寿命评估与优化。
本文将对焊接接头疲劳寿命评估与优化进行探讨。
一、焊接接头疲劳寿命评估焊接接头的疲劳寿命评估是确定该结构在给定载荷下允许的循环应力次数，以避免疲劳破坏的重要步骤。
在评估焊接接头的疲劳寿命时，需要考虑以下几个方面：1.接头的应力状态焊接接头的应力状态分为剪切应力、轴向拉力和轴向压力等。
不同的应力状态将会使焊接接头产生不同形式的疲劳损伤，因此评估疲劳寿命时需要对应力状态进行分析。
2.接头的载荷载荷是影响焊接接头寿命的另一个重要因素。
接头的载荷可以是静态、动态和交变载荷等，不同形式的载荷将对接头产生不同的应力，从而影响其疲劳寿命。
3.接头的构造形式接头的构造形式会影响焊缝的尺寸和几何，同时也会影响焊接接头的疲劳寿命。
在评估焊接接头的疲劳寿命时，需要对接头的结构进行分析，以确定其对焊接接头疲劳寿命的影响。
二、焊接接头疲劳寿命优化为了延长焊接接头的疲劳寿命，需要进行优化。
疲劳寿命优化的一般步骤如下：1.确定接头疲劳应力在优化焊接接头的疲劳寿命之前，需要确定接头的疲劳应力。
可以通过数值模拟、试验或现有数据等方法获得接头的应力状态。
在确定疲劳应力时，需要考虑接头的载荷和应力状态等因素。
2.确定接头的疲劳强度接头的疲劳强度是指在给定的载荷和循环次数下所能承受的最大应力值。
可以通过试验或计算方法来获得接头的疲劳强度。
在确定疲劳强度时，需要考虑接头的材料、几何形状和焊接工艺等因素。
3.改善焊接质量焊接接头的质量对接头的疲劳寿命有着重要的影响。
因此，在优化焊接接头的疲劳寿命时，需要考虑改善焊接质量。
可以通过优化焊接工艺、选用合适的焊接材料、加强焊缝的预热和热处理等方法来改善焊接质量。
4.优化接头的结构接头的结构对焊接接头疲劳寿命有着重要的影响。
因此，在优化焊接接头的疲劳寿命时，需要考虑优化接头的结构。
焊接接头疲劳性能评估与寿命预测研究焊接接头是工程结构中常见的连接方式之一，其质量和性能对工程结构的稳定性和安全性至关重要。
疲劳是焊接接头最常见的失效模式之一，因此对焊接接头的疲劳性能评估和寿命预测进行研究具有重要意义。
焊接接头的疲劳性能评估是通过对其应力状态和疲劳寿命进行分析来判断其可靠性和寿命的一种方法。
在研究中，首先需要对焊接接头的几何形状、材料性能、工艺参数等因素进行详细的分析和测量。
通过有限元分析等数值模拟方法，可以得出焊接接头的应力分布情况。
在进行疲劳性能评估时，一般会采用疲劳试验和载荷谱分析相结合的方法。
疲劳试验可以模拟出焊接接头在实际工作条件下的疲劳载荷，通过观察和测量焊接接头在不同应力水平下的疲劳寿命，进而确定其疲劳性能。
而载荷谱分析则是通过测量和分析焊接接头在实际工作条件下的载荷变化规律，得出其实际工作状态下的应力水平，从而进行疲劳寿命预测。
寿命预测是根据焊接接头材料的疲劳性能和实际工作状态下的应力水平，通过一定的寿命模型和计算方法，来估计焊接接头的使用寿命。
常用的寿命模型包括SN曲线法、线性损伤累积法、有效应力法等。
不同的寿命模型适用于不同类型的焊接接头和不同的实际工作条件，研究人员可以根据具体情况选择合适的模型进行寿命预测。
然而，焊接接头的疲劳性能评估和寿命预测是一个复杂的工作，涉及到多种因素和复杂的计算。
首先，焊接接头的疲劳性能与其材料性能、几何形状、工艺参数等密切相关，需要综合考虑各个因素的影响。
其次，在进行疲劳试验时，需要考虑到焊接接头的加载方式、频率、应力水平等条件的选择，并且对疲劳试验的结果进行合理的统计和分析。
最后，在进行寿命预测时，还需要考虑到焊接接头在不同应力水平下的寿命分布情况、载荷谱的确认和修正等因素。
因此，疲劳性能评估与寿命预测研究是一个综合性的工作，需要融合多学科的知识和专业的技术。
在实际工程中，焊接接头的疲劳失效往往会导致严重的安全事故和经济损失，因此对焊接接头的疲劳性能评估和寿命预测进行研究具有重要的实际应用价值。
焊接接头的疲劳性能研究及寿命预测方法引言焊接接头是工程结构中常见的连接方式，其疲劳性能对于结构的安全性和可靠性至关重要。
因此，对焊接接头的疲劳性能进行研究和寿命预测具有重要的理论和实际意义。
一、焊接接头的疲劳性能研究1. 疲劳破坏机理焊接接头在工作过程中，由于受到载荷的作用，会产生应力集中现象，从而导致接头发生疲劳破坏。
疲劳破坏主要包括裂纹的形成、扩展和最终断裂。
2. 影响疲劳性能的因素焊接接头的疲劳性能受到多种因素的影响，包括焊接工艺、焊缝形状、焊接材料、应力水平等。
其中，焊接工艺是影响疲劳性能的重要因素之一，包括焊接温度、焊接速度、焊接电流等。
3. 疲劳试验方法为了研究焊接接头的疲劳性能，通常采用疲劳试验方法。
疲劳试验可以通过施加不同的载荷和循环次数，模拟真实工作条件下的应力变化，从而评估焊接接头的疲劳寿命。
二、焊接接头寿命预测方法1. 经验法经验法是一种简化的寿命预测方法，通过根据已有的试验数据建立经验公式，来预测焊接接头的疲劳寿命。
这种方法的优点是简单易行，但是由于其基于试验数据的经验总结，其适用范围较窄。
2. 统计学方法统计学方法是通过对大量的试验数据进行统计分析，建立疲劳寿命的概率分布模型，从而预测焊接接头的寿命。
这种方法考虑了试验数据的分布特征，能够提供较为准确的寿命预测结果。
3. 数值模拟方法数值模拟方法是利用计算机软件对焊接接头进行有限元分析，通过模拟实际工作条件下的应力分布和变化规律，来预测焊接接头的疲劳寿命。
这种方法具有较高的精度和灵活性，但是需要大量的计算资源和较长的计算时间。
结论焊接接头的疲劳性能研究及寿命预测方法是一个复杂而重要的课题。
通过对焊接接头的疲劳破坏机理的研究，可以更好地理解焊接接头的疲劳性能。
同时，选择合适的寿命预测方法，可以为焊接接头的设计和使用提供科学依据，提高结构的安全性和可靠性。
未来，还需要进一步深入研究焊接接头的疲劳性能，开发更准确、高效的寿命预测方法，以满足不断发展的工程需求。
钢结构疲劳裂纹萌生寿命预测方法研究综述概述说明1. 引言1.1 概述钢结构在建筑和桥梁等领域中广泛应用，然而长期使用和外部环境的影响会导致钢材料产生疲劳裂纹。
这些裂纹对结构的强度和可靠性产生不可忽视的影响，因此研究钢结构疲劳裂纹的萌生寿命预测方法具有重要意义。
本文将综述目前已有的相关研究成果，以便了解现有方法的优缺点，并为未来进一步探索提供参考。
1.2 文章结构本文共分为五个部分。
首先是引言部分，对文章进行概述并说明文章的目的。
第二部分是正文，详细介绍钢结构疲劳裂纹萌生寿命预测方法的研究现状及发展趋势。
第三部分是针对具体方法进行详细介绍，包括方法一、方法二和方法三。
第四部分是结论，总结了本文讨论的要点并提出了未来可能的研究方向。
最后一部分是参考文献，列举了本文所引用的相关文献资料。
1.3 目的本文的目的是通过综述现有研究成果，全面了解钢结构疲劳裂纹萌生寿命预测方法的优劣及其发展趋势。
通过分析不同方法的原理、适用范围和实际应用情况，旨在为工程师和研究人员提供一种指导，以选择适合特定场景的合适预测方法，并为未来深入研究提供启示。
钢结构的疲劳裂纹萌生寿命预测方法是关于钢结构材料在长期重复受力下出现裂纹的时间预测研究。
这一领域中有许多不同的方法被提出并应用于工程实践中，下面将详细介绍其中几种常见的方法。
首先，一种常用的方法是基于振动信号分析的疲劳裂纹预测方法。
该方法通过对钢结构在工作过程中产生的振动信号进行监测和分析，识别和评估潜在裂纹的位置和大小。
它利用信号处理技术，如快速傅立叶变换（FFT）和小波变换来分析振动信号频谱，并将得到的结果与已知信息进行对比，以判断是否存在裂纹。
其次，另一种常见的方法是基于有限元分析（FEA）的疲劳寿命预测方法。
该方法使用计算机模拟和数值仿真技术，在钢结构中施加实际工作条件下可能遇到的不同载荷，并确定其对结构中潜在裂纹产生影响和导致失效所需时间。
这种方法需要提供材料特性、几何形状、载荷历史和边界条件等输入参数，并使用适当的材料本构模型和疲劳损伤准则。
基于断裂力学的城市钢桥面板疲劳寿命分析*摘要：正交异性钢桥面板承受着车辆动荷载的反复作用，容易造成疲劳累计损伤，导致钢桥面板出现疲劳开裂现象。
为研究某城市桥梁钢桥面板的疲劳寿命，建立钢桥面板有限元模型，选取钢桥面板4种典型疲劳细节，根据实测所得到的城市车辆荷载频值谱，计算得到相应的应力历程和应力谱。
基于线弹性断裂力学理论，对这4种疲劳细节进行疲劳寿命分析，结果表明：在桥梁设计基准期内钢桥面板不会发生疲劳破坏。
关键词：正交异性钢桥面板；城市桥梁；车辆荷载；断裂力学；疲劳寿命分析钢桥具有自重轻、强度高、施工快、造型优美等特点，受到了桥梁设计者的青睐[1]。
由于其各组成板件的连接需要大量的焊接，从而产生焊接缺陷以及残余应力，在车辆动载的反复作用下，钢桥面板易出现疲劳开裂现象，这种现象已在英国、德国、法国等钢桥面板应用较早国家的许多实桥中出现[2]。
钢桥面板疲劳寿命的评估问题是桥梁工程领域的热点研究课题。
对钢桥面板进行疲劳寿命评估主要有基于S - N曲线法和基于线弹性断裂力学(LEFM)法这两种方法[3]。
基于S - N曲线法中未考虑桥梁结构的构件的初始裂纹，以及运营阶段在荷载作用下裂纹的扩展，这不符合实际情况，在计算过程中存在相应的误差[4]。
而采用LEFM法能较好地解决这个问题，经过实测或假定构造的初始裂纹，预测裂纹的扩展速率，进而得到桥梁的疲劳寿命。
本文以某城市钢桥为例，采用经调查的城市道路车辆荷载频值谱，应用LEFM法对钢桥面板进行疲劳寿命评估。
该成果可为城市桥梁疲劳寿命分析提供参考。
1 疲劳裂纹扩展模型结构疲劳破坏的过程可以分为两个阶段：第一阶段为疲劳裂纹的形成，但在实际工程中由于钢桥本身的初始缺陷及残余应力等原因，这个阶段的寿命基本上为零；第二阶段为疲劳裂纹的扩展，在进行疲劳寿命分析时主要是要确定裂纹扩展速率da/dN与相关参数之间的关系[5](a为裂纹长度；N为循环次数)。
通过大量的试验表明，裂纹扩展速率da/dN与应力强度因子幅度ΔK在对数坐标中的关系曲线如图1所示。
金属材料断裂力学与疲劳寿命评估金属材料在工程领域中扮演着重要的角色，然而在使用过程中，常常会面临断裂问题以及疲劳寿命限制。
因此，了解金属材料的断裂力学和疲劳寿命评估是非常重要的。
本文将从理论和实践两个方面探讨金属材料的断裂力学和疲劳寿命评估。
一、断裂力学断裂力学是研究材料在外力作用下发生突然破裂的学科。
在实际工程中，通过断裂力学的研究可以预测金属材料在不同应力条件下的破裂行为，为工程设计提供指导。
1. 断裂模式金属材料的断裂模式可以分为静态断裂和疲劳断裂两种。
静态断裂是指金属材料在单次或瞬时加载下发生的破裂，常见的断裂模式有拉伸断裂、剪切断裂等。
而疲劳断裂则是指金属材料在长期循环加载下发生的破裂，通常出现在周期应力小于其单次强度的情况下。
2. 断裂韧性断裂韧性是衡量金属材料抵抗断裂的能力。
高韧性意味着材料在受到应力破坏时能够吸收较多的能量，从而延缓破裂的发生。
通过断裂韧性的测试，可以评估金属材料的断裂特性，为工程设计提供参考。
3. 断裂力学模型在断裂力学研究中，通常使用了多种力学模型来描述材料的破裂行为。
其中，最常用的模型是线弹性断裂力学模型和韧性断裂力学模型。
线弹性断裂力学模型通常适用于瞬时加载情况下的断裂分析，而韧性断裂力学模型则更适用于疲劳断裂的研究。
二、疲劳寿命评估金属材料在长期循环加载下容易发生疲劳破坏，因此评估金属材料的疲劳寿命是确保工程结构安全可靠的前提。
1. 疲劳曲线疲劳曲线描述了金属材料在循环加载下的寿命曲线。
常见的疲劳曲线包括S-N曲线和e-N曲线。
S-N曲线表示了应力幅与疲劳寿命的关系，对于一些长期稳定的金属材料来说，该曲线呈现出一个标准的倒数曲线趋势。
而e-N曲线则是描述应变幅与疲劳寿命的关系。
2. 疲劳寿命预测根据金属材料的疲劳曲线以及实际工程中的应力加载条件，可以通过疲劳寿命预测模型来评估金属材料的疲劳寿命。
常用的预测模型包括线性寿命模型、风险寿命模型等。
这些模型基于统计学和概率论，将材料的载荷、强度、寿命等因素进行分析，给出可靠的疲劳寿命评估。
残余应力构件疲劳寿命预测的断裂力学模型摘要：残余应力对构件疲劳寿命影响显著，尤其当残余应力与构件的应力之和大于疲劳极限时，疲劳寿命将会降低。
通过断裂力学方程与有效应力集中系数的求解，建立了用断裂力学表示的有效应力模型。
使用模型计算残余应力对疲劳强度定量的影响，为设计上减小残余应力对疲劳寿命影响提供依据。
关键词：残余应力；疲劳；断裂力学引言目前大多数构件在生产使用当中都会产生残余应力，有意设计的残余应力会给构件的强度带来有利影响，这时加以利用可以提高构件强度；然而不少残余应力对构件产生不利的影响，特别是在循环荷载作用时减小构件疲劳寿命，发生疲劳断裂、疲劳裂纹扩展等灾害性事故。
因此研究残余应力对构件疲劳性能的影响具有重要意义。
由于残余应力的影响因素很多，并且残余应力变化没有规律，其对构件的疲劳寿命影响也难以直接计算。
大多数情况是通过实验的方法来研究残余应力对构件疲劳寿命的影响。
文献[1]通过实验的过程观察残余应力的分布特点，得出残余应力存在应力集中现象。
文献[2]盲孔发和热时效工艺分析线圈的残余应力的分布和应力的改善。
文献[3]提出了测量和计算残余应力的方法，并通过实验研究残余应力对裂纹形成的影响。
这些研究考虑了残余应力集中对疲劳性能的影响。
本文采用断裂力学来描述残余应力对疲劳强度的特性，考虑使用环境、生产工艺、材料的弹性性质、残余应力的分布和大小、受载形式、应力梯度、循环应力的稳定性等对疲劳强度的影响，建立有效应力集中系数的断裂力学模型。
1、残余应力构件疲劳切口系数的断裂力学描述对于含切口的试件，相同条件和相同循环次数下，无应力集中试件中疲劳强度与有应力集中试件的疲劳强度之比称为疲劳切口系数[4]式中分别为无应力集中试件中疲劳强度和有应力集中试件的疲劳强度。
这一定义不仅适用于无限寿命，同时也适用于有限寿命。
它们通常由疲劳试验确定。
关于计算疲劳切口系数，已有很多学者做过大量研究并且形成很多计算公式.，Frost和 Phillips首先开始研究缺口的断裂力学方法，他们提出应力集中系数可能存在不确定性[5]，用断裂力学理论描述金属材料的疲劳行为，可以考虑裂纹长度和缺口几何形状，取裂纹的门槛幅值为裂纹扩展的临界条件等多种因素对切口试件疲劳强度的影响，断裂力学法给出的疲劳切口系数为[6]当缺口较小时式中为最大非扩展裂纹的几何因子，为有效缺口深度，为考虑塑性变形的初始裂纹长度。
门座起重机金属结构疲劳寿命估算方法王㊀斌㊀何㊀然㊀文茂堂深圳市质量安全检验检测研究院㊀㊀摘㊀要:起重机金属结构是起重机的关键组成部分,其内部应力状况是评定起重机安全使用的重要内容㊂在对一台港口用单臂架门座起重机的主要金属结构件危险点的应力进行测试的基础上,根据现场测试获得的应力数据,运用累计损伤理论,并结合设备的实际工作强度,给出了该起重机的疲劳寿命计算方法,可为该设备的剩余使用寿命提供理论参考值㊂㊀㊀关键词:起重机;应力分析;疲劳寿命Method for Estimating Fatigue Life of Metal Structure of Portal CraneWang Bin㊀He Ran㊀Wen MaotangShenzhen Institute of Quality and Safety Inspection and Testing㊀㊀Abstract:The metal structure of the crane is the key component of the crane,its internal stress condition is an im-portant part of evaluating the safe use of the crane.Based on the stress test of the dangerous points of the main metal struc-tural parts of a single-boom gantry crane for port,according to the stress data obtained from the field test,using the cumula-tive damage theory,and combining with the actual working strength of the equipment,the fatigue life calculation method of the crane is given.This can provide a theoretical reference value for the remaining service life of the equipment.㊀㊀Key words:crane;stress analysis;fatigue life1㊀引言门座起重机(以下简称门机)是港口起重设备的重要组成部分,其安全使用问题始终是起重机厂家和使用户关心的首要问题之一㊂金属结构是起重机的受力骨架[1],也是起重机使用安全中最为关键的部分㊂研究统计表明,起重机的破坏和失效,大部分是由于金属结构的破坏所引起的[2]㊂老旧起重机由于已使用多年,有些已经接近或者超过其设计使用年限,起重机的金属结构内部难免会出现一定缺陷㊂这些缺陷和损伤由于隐蔽性较高,常规的年度检查以及维护保养中难以发现,这给起重机的安全使用埋下了巨大的隐患㊂组成起重机的重要金属结构件的应力状况能够反应金属结构在起重机工作过程中的受力情况,若结构件内部有缺陷,则其应力状况也会产生相应的变化㊂因此,为了保障起重机的安全使用,有必要对已使用多年的起重机主要金属结构件进行应力测试和分析㊂目前,对起重机金属结构应力分析的研究,主要包含强度分析和疲劳分析两个方面㊂门机适用性较强,起吊载荷灵活多变,疲劳失效是其金属结构失效的主要形式[3]㊂通过运用应力测试方法,对一台港口现役单臂架门座起重机的主要金属结构件进行应力测试,并根据应力测试的结果,依据雨流计数法以及累计损伤理论,对该起重机主要金属结构件的剩余疲劳寿命进行了预测,为该起重机的安全运行提供了理论参考和依据,同时也为其他起重机械疲劳寿命预测提供了一定的技术参考㊂2㊀主要金属构件应力数据测量金属疲劳寿命的计算,依据计算时采用疲劳损伤模型的不同,拥有多种不同的方法,目前主要有名义应力法㊁局部应力应变法㊁断裂力学法[4]㊁应力严重系数法[5]㊁能量法[6]㊁损伤力学法等㊂考虑到门机所受载荷应力水平一般小于材料的屈服极限,处于较低水平,属于高周疲劳破坏,因此,用名义应力法进行疲劳寿命估算㊂名义应力法,从材料的名义应力基本假定前提出发,结合测量部位应力集中的影响,对照待测材料的S-N曲线,采用损伤理论,用测得的应力值对材料的疲劳寿命进行估算㊂用名义应力法进行寿命估算22Copyright©博看网. All Rights Reserved.时,首先应当对设备主要构件中易发生疲劳的危险部位进行应力测试,获取起重机工作时危险部位应力的变化情况㊂2.1㊀设备概况和危险部位测点选取本项目所检测门机型号为MQ40100,额定起重量为40t,最大幅度为100m,已投入使用12年㊂检查起重机金属结构件损伤的基本状况,并根据该起重机的结构特点,在臂架㊁圆筒㊁滑轮组支撑以及人字架等主要结构件中所受应力较大的截面处,选取16个测点作为应力测试点,具体测点布置见图1㊂图1㊀应力测点布置图2.2㊀测试工况和应力测试结果现场测试时,考虑到待检测门机平时作业情况较为复杂,起吊载荷重量多变,且在接近额定载荷工况下使用频率较高,为了提高设备估算结果的安全系数,综合考虑设备的实际使用状况,采用额定载荷作为疲劳应力测试载荷,以设备在加载额定载荷,采用对应最大幅度进行装卸作业作为疲劳应力测试工况㊂测试时,起重机具体的工作流程为:①吊具朝向海侧,载荷位于装料区,起升钢丝绳处于松弛状态时仪器调零,并开始记录测试数据;②起吊试验载荷并提升至设备常用装卸作业高度,根据装卸作业时的常用路径将臂架旋转180ʎ;③旋转臂架回到初始装料区域,载荷落地,使起升钢丝绳完全松弛㊂以上工作流程视为该起重机装卸作业的1个工作循环㊂疲劳应力测试时,为了保证采集的应力数据能够更加真实准确地反映设备工作时的实际应力情况,需要对以上循环进行重复作业,以减少偶然随机因素的影响㊂本次测试中,对以上测试进行了10次重复作业和连续采样㊂各测点在测试工况下的应力值情况统计见表1㊂表1㊀各测点应力值情况统计测点最大值/MPa最小值/MPa变化幅值/MPa A1-3.201-15.25912.058A2+28.366+13.55314.813A3+8.695-16.98325.678A4+7.276-16.20223.478B1+5.426-40.37145.797B2+0.982-8.3079.289B3-1.567-48.17046.603B4-1.441-46.40644.965C1-8.640-20.34311.703C2-7.372-21.66214.290C3+48.206+10.39537.811C4+50.643+11.94638.697D1+82.408+18.48563.923D2+8.414-1.1269.540D3-19.272-85.91066.638D4+5.693-43.32449.017㊀㊀注:表中 + 表示该点测得应力为拉应力; - 表示该点测得应力为压应力㊂由表1可知,臂架根部测点B3㊁B4,以及圆筒处测点D1㊁D3,其应力最值和变化幅值较大㊂因此,进一步选取B3㊁B4㊁D1㊁D3作为疲劳危险点,进行疲劳寿命计算㊂测点B3㊁B4以及测点D1㊁D3处的应力时间历程曲线分别见图2㊁图3㊂图2㊀测点B3、B4应力时间历程曲线32Copyright ©博看网. All Rights Reserved.图3㊀测点D1、D3应力时间历程曲线3㊀疲劳应力谱获取通过对待测设备装卸作业时各测点的应力数据进行采集,获得了各选定测点在测试工况下的应力时间历程曲线数据㊂由于起重机工作过程中测点所受载荷作用的随机性,无法通过数学公式进行描述,必须借助统计方法对各测点的应力时间历程数据进行统计处理,将应力时间历程数据处理成疲劳应力谱,以便结合材料的S-N曲线进行进一步计算㊂3.1㊀滤波处理在应力数据测量过程中,受仪器以及外部环境的影响,所测得的应力时间历程数据通常会受到干扰信号的影响,从而产生一定的偏差,因此,需要对测量数据进行滤波处理,以减少干扰信号的影响㊂3.2㊀峰谷点处理和雨流计数法统计目前,国内外对于金属疲劳寿命的计算通常采用循环计数法中的雨流计数法[7-8]对应力数据进行统计处理㊂采用雨流计数法进行统计处理时,只对应力时间历程数据中的波峰和波谷点的幅值进行统计分析,因此需要对原始应力数据中的峰谷值进行筛选,去掉应力数据中的非峰谷点以及其他对金属疲劳寿命计算无影响的幅值小于最大幅值的峰谷点㊂各危险测点应力测试数据,经过雨流计数法处理以后,便能获得能够反映测点在起重机工作过程中所受应力幅值㊁应力均值以及循环次数之间关系的疲劳应力载荷谱㊂本次测试采用的DH5930便携式应变测试分析系统内含数据处理模块,数据后处理时可以直接调用相关模块,对数据进行滤波㊁峰谷以及雨流计数法统计㊂4㊀剩余疲劳寿命估算4.1㊀材料P-S-N曲线的确定S-N曲线是以标准试样经过疲劳测试获得的表示材料外加应力幅和疲劳循环次数之间关系的曲线,不同材料的S-N曲线可以查阅疲劳设计手册获得㊂为了提高计算时的安全系数,标准的S-N曲线由于可靠度较低,难以满足寿命估算要求,因此通常采用可靠度更高的P-S-N曲线,将疲劳测试时的载荷抗力按随机变量来处理㊂在工程实际中,通常采用双对数坐标形式,将材料的P-S-N曲线进行简化表达成直线形式,其表达式为:lg N=C+m lgΔσ(1)式中,N为p%存活率下的疲劳寿命;Δσ为应力范围,MPa;C㊁m为不同材料及不同可靠度情况下的方程常数,根据所检测起重机主要焊接结构件的材料以及接头形式确定㊂本项目起重机的主要金属材料为Q235,在95%存活率下,C㊁m的值分别取为13.45与-3.371[9]㊂4.2㊀平均应力的修正反映材料疲劳性能的S-N曲线,通常是平均应力为零的基本S-N曲线㊂然而实际构件受载情况复杂,构件所受载荷平均应力大部分情况均值并不为零,因此,还应当对雨流计数法处理后获得的疲劳应力谱进行平均应力的修正,将有均值的应力谱先转换为均值为零的疲劳应力谱㊂目前,常用的疲劳分析平均应力修正方法有Goodman法和Gerber法㊂Goodman法的表达方程为直线方程,简单易用,且估算关系较为保守,能够满足工程计算要求,Goodman法表达式为:σᶄa=σa1-σmσb(2)式中,σᶄa为修正的应力幅值;σa为应力幅值;σm为平均应力;σb为材料的抗拉强度极限㊂将经过雨流计数法处理后得到的应力幅值以及均值的分布图代入到上述公式中,即可获得修正后42Copyright©博看网. All Rights Reserved.的应力幅值分布图㊂臂架处测点B3的应力幅值分布修正图见图4㊂图4㊀臂架测点B3应力幅值分布修正图4.3㊀剩余疲劳使用寿命估算在金属结构疲劳寿命的研究过程中,许多学者根据疲劳损坏假设条件的不同得出了多种疲劳损伤方法㊂目前,Miner 线性累积损伤方法由于模型简单,实用性和可靠性较高,已经获得了大量的应用㊂该方法用损伤度对工作循环中各应力水平所造成的损伤进行定量分析,并且假定各应力水平下的损伤度可以进行线性叠加[10]㊂根据Miner 线性累积损伤方法,采样应力循环下,不同应力水平所造成的损伤度D 可以按照下式进行叠加计算:D =ðki =1n iNiɤa (3)式中,k 为不同的应力水平级数,本项目将疲劳应力幅值分为10级进行计算,见图4;n i 为采样时段内各级别应力水平的实际循环次数;N i 为在相应应力水平下达到疲劳时的总循环次数;a 为安全常数,计算中取1,即假定材料的累计损伤度达到1时,则材料达到疲劳寿命上限㊂将雨流计数处理以及平均应力修正后的应力幅值与相应循环次数的分布情况数据用P-S-N 曲线进行对应疲劳循环次数计算,即可获得各应力水平作用下达到疲劳时的循环作用次数,最后用Miner 线性损伤方法将各应力水平的损伤度进行叠加,便能获得各测点在采样时间内的总体损伤度Dᶄ㊂假设采样时间长度为t ,起重机服役过程中始终按照采样工况进行装卸作业,则可以由采样时间长度下各测点的损伤度推导计算该起重机达到疲劳时所需的总时长,即为其疲劳寿命㊂疲劳寿命H 理论计算公式可以表达为:H =DDᶄt (4)式中,总损伤度D 取1㊂结合设备的已使用年限,即可得到设备的剩余疲劳使用寿命T 为:T =H -Hᶄ(5)式中,Hᶄ为设备的已使用年数㊂根据使用方提供的设备使用情况记录,所检测起重机已使用年数Hᶄ为12年,设备1天工作约8h,1年工作约250d,则B3㊁B4㊁D1㊁D3这4个危险测点剩余疲劳寿命计算结果见表2㊂表2㊀危险测点剩余疲劳寿命情况统计测点B3B4D1D3剩余疲劳寿命/a47.048.69.16.5㊀㊀由表2可知,该起重机圆筒处疲劳寿命最短,其中D3测点的剩余疲劳寿命为6.5年㊂5㊀结语对1台港口门机进行了应力测试,根据应力测试的结果,针对该起重机的结构形式进一步选定4个应力测量值较大的点作为疲劳危险点进行疲劳寿命分析㊂由应力测试所得的疲劳危险点处应力时间历程数据,通过雨流计数㊁应力修正等方法进行数据处理,结合起重机金属材料的P-S-N 曲线以及Miner 线性累计损伤方法对危险测点的剩余疲劳寿命进行了估算㊂计算结果显示该起重机圆筒处疲劳寿命最短,剩余疲劳寿命为6.5年㊂起重机疲劳寿命计算的结果让用户对设备有了进一步的了解,为今后对设备的科学管理和维护提供了参考和依据,同时对类似结构起重机的疲劳寿命预测工作也具有一定的指导意义㊂参考文献[1]㊀史朝阳.桥式起重机金属结构疲劳剩余寿命可靠性及其灵敏度分析[D].太原:太原科技大学,2014.[2]㊀李淘萍.基于MSC.Fatigu 的门座式起重机疲劳寿命的研究[D].武汉:武汉理工大学,2013.[3]㊀蔡福海,王欣,高顺德,等.起重机结构疲劳强度与寿52Copyright ©博看网. 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All Rights Reserved.。
焊接接头疲劳损伤评估及其预测模型构建随着现代工业的发展，焊接作为一种常用的连接方式，在各个领域广泛应用。
然而，焊接接头作为结构中最容易受到力学作用的部分，其疲劳寿命问题一直是焊接技术所面临的一个重大挑战。
因此，对焊接接头的疲劳性能进行评估和预测，具有重要的理论意义和应用价值。
一、焊接接头的疲劳损伤机理焊接接头疲劳损伤发生的机理非常复杂，其中包括疲劳裂纹的扩展、塑性变形、动态载荷下的变形、残余应力等多种因素。
焊接接头疲劳损伤的形式一般有以下几种：1. 应力集中引起的疲劳焊接接头所受作用力不均匀，导致焊缝部位应力集中，使得焊缝中出现裂纹，并逐渐扩展。
2. 微结构变化引起的疲劳焊接过程中，由于温度变化，焊头微结构会发生一定的调整，导致焊接接头表面硬度和强度存在差异，从而加速焊接接头的疲劳损伤。
3. 摩擦疲劳长时间的摩擦会对焊接接头造成不同程度的损伤和疲劳，尤其是在机械旋转部件中，如汽车齿轮，转向器等，对焊接接头造成的损伤更为严重。
二、焊接接头疲劳损伤的评估方法为了准确地评估焊接接头的疲劳寿命，需要采用科学合理的评估方法和手段。
常用的疲劳损伤评估方法主要有以下几种：1. 序贯分类法疲劳损伤评估方法该方法利用统计分析和疲劳裂纹的扩展规律，预测结构寿命、裂纹扩展速率和裂纹发展路径，然后通过计算出结构的预测寿命与实际使用的寿命进行比较，来评估焊接接头的疲劳损伤程度。
2. 统计学方法疲劳损伤评估法该方法基于疲劳寿命的统计原理，通过测定具有相同历程和载荷下的焊接接头的疲劳寿命，建立应力-寿命曲线，从而计算出焊接接头的平均寿命和寿命分布，来评估焊接接头的疲劳损伤程度。
3. 可靠度预测法该方法基于可靠性理论，根据存在于焊接接头中的裂纹演化规律，通过考虑外部环境、材料等多个因素对焊接接头的寿命进行预测，来评估焊接接头的疲劳损伤程度。
三、焊接接头疲劳损伤的预测模型为了进一步提高焊接接头疲劳损伤的评估准确度和预测精度，需要建立有效的预测模型。
