输流钢悬链线立管涡激振动和控制的协同学分析

通过钢悬链线立管结构振动的自组织演化理论进行立管涡激振动和疲劳寿命控制的协同学分析.基于协同学方法,分析序参量和快变量之间的相互联系以及协同影响的复杂关系建立单元节点位移为序参量的立管结构振动演化主方程.通过分析振动演化主方程的非定态解,得到了涡激振动和疲劳寿命的主动控制方法和被动控制方法,其中被动控制包括改变立管的弹性模量、内部流体流速以及结构阻尼比.研究表明:立管的疲劳寿命随着弹性模量的减小而增大;内部流体流速的变化对立管振动幅值影响较大,但是对立管的疲劳寿命影响不明显;在其它条件允许的情况下,结构阻尼比越大越好.通过上述影响因素的调整可以达到立管涡激振动和疲劳寿命控制的目的.     

基于损伤累积理论的多轴疲劳寿命预测方法

为估算工程构件的疲劳寿命,建立一种基于损伤累积理论的多轴疲劳寿命预测方法.利用有限元法和疲劳损伤累积理论对6种损伤参量进行修正,计算得到在单轴、双轴比例、双轴非比例、三轴比例和三轴非比例循环载荷作用下疲劳损伤累积规律,建立一种幂指数形式的损伤演化方程,估算疲劳寿命,并与试验结果进行比较.计算结果表明:单轴疲劳载荷作用时,损伤累积规律是线性的;多轴疲劳载荷作用时,损伤累积规律是非线性的;由这种方法预测的双轴比例、非比例加载的疲劳寿命与试验值吻合得很好.得到一种可解决三轴非比例加载疲劳问题的寿命预测方法,这种方法所需由试验确定的常数少.     

钢悬链线立管舷侧安装过程动力学仿真及耦合分析

钢悬链线立管是目前最主要的深水油气开发立管形式之一,在钢悬链线立管的安装过程中,钢悬链线立管极有可能发生大变形导致其拉力与弯矩过大造成管道屈曲变形甚至安装缆绳断裂破坏。本文以陵水17-2工程中钢悬链线立管舷侧安装作业为依托,基于船舶时域运动学理论与有限元法,建立了船舶-钢悬链线立管-安装缆绳动力学模型。首先分析了5个安装阶段时的钢悬链线立管与安装缆绳的静拉力与弯矩情况,其次针对设计海况,在考虑船舶、钢悬链线立管与安装缆绳耦合作用时,对船舶运动与钢悬链线立管的受力与弯矩进行了计算。研究结果表明:在安装过程中钢悬链线立管的拉力与弯矩受船舶运动影响较大,此次研究的耦合动力学模型可以为钢悬链线立管的安装作业设计及施工风险分析提供一定的参考。     

基于临界面法的三参数多轴疲劳损伤模型

基于临界平面方法,提出一种能适用于拉-扭加载的多轴疲劳损伤模型.新的模型采用应力与应变的三参数相结合形式,不仅考虑了当前循环内临界面上最大剪应变范围和正应变变程对多轴疲劳损伤的贡献,还顾及了非比例附加强化效应和平均应力对多轴疲劳寿命的影响.该模型预测精度较高且本身不含有材料常数,便于实际工程应用.最后,将提出的多轴疲劳寿命估算模型结合Inconel 718钢、高温GH4169合金和高温Haynes 188合金等3种材料的多轴疲劳试验进行寿命预测验证,预测结果与试验结果吻合较好.     

基于有限元和多体动力学联合仿真的疲劳寿命预测

针对运动机构部件多轴疲劳载荷历程提取困难等问题，提出了基于联合仿真的疲劳寿命预测方法.结合有限元方法和多体动力学仿真分析获得部件的工作载荷历程，然后通过有限元方法和疲劳分析联合求解，预测部件的疲劳寿命.在动力学仿真部分，采用模态综合法获取部件的应力及载荷历程信息.寿命预测采用多轴裂纹萌生疲劳分析，其中部件的多轴特性通过二轴分析获得.以发动机曲轴部件为例，叙述了设计流程的应用过程.应用结果表明，该方法可以对疲劳事故的原因进行诊断，并且可以作为采用工艺强化措施的依据     

矿用汽车车桥推拉杆寿命预测分析

为准确预测矿用汽车车桥推拉杆的疲劳寿命,研究了路谱载荷与多轴疲劳理论相结合的有限元寿命分析方法.在实测路谱载荷下分析得出推拉杆的仿真寿命为354.98d,与实际使用寿命(270～540d)较为接近,表明应用该预测模式来估算推拉杆寿命的方法是可行的.     

高温多轴变幅疲劳损伤累积

为进行高温多轴变幅疲劳寿命预测,以应力幅作为损伤变量,采用经典的Chaboche模型进行多轴疲劳损伤计算.多轴加载下等效应力的确定是根据单轴加载下的本构关系,利用多轴等效应变求出等效应力.修正Chaboche疲劳累积损伤模型中应力指数表达式的形式,根据Chaboche损伤累积模型,求解变幅加载下的疲劳损伤.推导出多级加载的Chaboche疲劳损伤累积公式,将其用于变幅加载块的疲劳损伤估算.寿命预测结果与试验结果接近,误差基本在2倍因子之内,说明了寿命估算方法的可行性.     

基于有限元的波纹钢腹板组合箱梁疲劳损伤分析

针对波纹钢腹板组合箱梁（以下简称箱梁）的抗弯性能进行有限元分析,分析箱梁的静力位移、应力和应变结果,建立箱梁破坏损伤机理并得到应力薄弱点。同时,根据有限元分析结果,进行箱梁局部应力应变分析,得到箱梁不同水平下的疲劳寿命。最后,结合疲劳损伤和疲劳断裂理论进行箱梁的疲劳裂纹扩展行为及破坏过程和寿命预测研究,分析了正弦波疲劳荷载作用下箱梁中的钢腹板、PBL剪力连接件以及钢板翼缘等部件的疲劳裂纹萌生及寿命预测结果与试验结果吻合较好。研究表明：根据美国规范AASHTO2004中C类标准进行工程设计和疲劳寿命估算与试验符合较好,同时采用Palmgren-Miner线性累积损伤疲劳准则能有效地计算变幅疲劳载荷下箱梁的疲劳损伤及断裂破坏过程,为实际工程中箱梁疲劳性能设计提供参考。     

多轴疲劳研究

本文介绍多轴疲劳研究的几个主要问题。(1)非比例加载引起的附加循环硬化;(2)最大剪切平面与自由表面相对取向对疲劳寿命的影响;(3)零、部件承受多轴疲劳载荷时寿命的估算。文中就目前所采用的单参数及双参数疲劳寿命估算准则进行了评述。     

基于局部应力应变场强法的薄壁缺口结构随机声疲劳寿命估算

航空发动机火焰筒结构在随机声激励下的寿命估算属于典型的多轴疲劳问题。对航空薄壁结构随机声疲劳寿命估算的峰值概率密度法和功率谱密度法进行了探讨。在应力场强法的基础上,深入研究了一种用于薄壁缺口结构随机疲劳寿命估算的有效方法——局部应力应变场强法,该方法能同时考虑缺口局部应力梯度和应变梯度对疲劳损伤的影响。以薄壁缺口结构作为研究对象,结合声疲劳问题分析的一般方法,对局部应力应变场强法在声疲劳寿命估算中的运用进行了研究。     

铸钢节点对接焊缝有效缺口应力分析

为了研究铸钢节点对接焊缝的疲劳性能和寿命评估方法,对一种常用的铸钢热轧钢对接焊缝试件进行了疲劳试验研究,得到了刚度、位移与疲劳寿命阶段之间的关系。根据疲劳试验现象和断面的电镜扫描结果,提出了该类试件的疲劳失效机理。此外,采用有效缺口应力法预测了铸钢节点对接焊缝的疲劳寿命,并在考虑了平均应力和焊接残余应力的前提下,提出了改进的有效缺口应力法,分别将预测结果与实测疲劳寿命进行了对比。研究结果表明：铸钢节点对接焊缝的疲劳过程可分为稳定阶段和断裂阶段。稳定阶段占总寿命比例≥80%,断裂阶段≤20%。有效缺口应力法能在一定程度预测疲劳寿命的变化趋势,但结果偏危险,改进的有效缺口应力法能提供较安全的预测结果。     

焊缝宽度对对接接头疲劳强度的影响

基于建立的Q235A钢对接接头3D实体模型进行有限元分析,模拟焊缝宽度对焊缝对接接头疲劳强度的影响. 使用ABAQUS CAE软件建立8种不同焊缝宽度几何模型,对模型进行网格划分并计算结构应力. 基于网格不敏感结构应力法分析对接接头的应力,使用ABAQUS软件中Fe-safe模型进行疲劳寿命预测. 模拟结果表明:对接接头焊缝的疲劳性能先随焊缝宽度增大而增强,随着焊缝宽度的继续增大,疲劳性能反而有逐渐减弱的趋势.     

大跨度钢箱梁斜拉桥钢–UHPC组合桥面加固效果评估

为评估钢-UHPC（超高性能混凝土,Ultra-High Performance Concrete）组合桥面对大跨度钢箱梁斜拉桥的加固效果,基于随机车流下应力监测数据,结合《公路钢结构桥梁设计规范》（JTG D64-2015）对钢-UHPC组合桥面和ERE（冷拌环氧树脂,Epoxy bond chips layer+ Resin asphalt+ Epoxy bond chips layer）桥面的疲劳性能进行了对比评估。利用Miner线性累积损伤准则计算了两种桥面各疲劳易损细节的剩余疲劳寿命。建立有限元模型,对钢-UHPC组合桥面UHPC层的抗裂性能进行了验算;计算了两种桥面钢桥面板的最大挠度及沥青铺装层的最大拉应力。结果表明： ERE桥面面板-纵肋焊缝纵肋侧、横隔板弧形切口和纵肋对接焊缝处存在较大应力,剩余疲劳寿命分别为214、186、61年;ERE桥面纵肋对接焊缝处在桥梁设计基准期内有疲劳破坏的风险;经钢-UHPC组合桥面加固后,正交异性板各疲劳易损细节最大应力幅值均降低到常幅疲劳极限以下,剩余疲劳寿命增长为无穷大;钢-UHPC组合桥面UHPC层的最大拉应力为4.68MPa,抗裂性能满足规范设计要求;经钢-UHPC组合桥面加固后,正交异性桥面刚度提升效果明显;加固后,钢桥面板挠度降幅为34%,最大挠度为0.69mm;沥青铺装层最大拉应力降幅为59%,最大拉应力为0.42MPa。经钢-UHPC组合桥面加固后,正交异性钢桥面板各疲劳易损细节疲劳性能满足规范设计要求,桥面铺装层的抗裂性能也有所改善。     

多次补焊对T型焊接接头疲劳强度的影响

研究了高强钢T型接头焊缝多次补焊工艺及经过多次补焊后接头材质的变化规律和多次补焊对疲劳性能的影响,对高强钢进行了疲劳实验,并推出了疲劳寿命公式.根据Nishida公式计算出每次补焊后焊址的应力集中系数及其与补焊次数的关系,为船检局修改规范,对平台进行多次补焊提供了实验依据.     

Q345B母材及其焊接接头的低周疲劳行为

对Q345B及其光滑焊接接头的低周疲劳行为进行了试验研究.采用轴向对称应变控制方法,保持恒定应变速率为0.005 s-1,在0.3％～0.7％的应变范围内,在电液伺服疲劳试验机上测定了Q345B及其光滑焊接接头的低周循环应力响应特征、应变-寿命、应变-能量关系,并进行了对比分析.结果显示,Q345B母材在应变幅度低于和高于0.4％时分别呈现明显的循环软化和硬化现象,而焊接接头出现显著的硬化现象.与母材相比,焊接接头的低周转变寿命、疲劳强度和疲劳寿命明显减小.通过试验数据确定了Q345母材及其焊接接头Coflin-Manson关系的合理参数,建立了应变幅度-疲劳寿命及能量-寿命关系式.力学不均匀性引起的循环硬化趋势增加是导致焊接接头低周疲劳性能减低的主要原因.     

建筑用抗震钢HRB400EⅢ级钢筋焊接接头的低周疲劳性能

采用轴向应变控制方法,在MTS809拉扭复合疲劳试验机上开展了HRB400EⅢ级钢筋母材及焊接接头的低周疲劳试验,获得了母材及焊接接头的低周疲劳性能,如循环应力响应特征、循环应力-应变关系以及寿命预测公式等.通过断口电镜扫描发现,HRB400EⅢ级钢筋焊接接头的裂纹萌生于试件表面,且存在多处裂纹源.研究结果表明,焊接接头与母材的低周疲劳寿命及微观断裂机理方面均存在明显差异,并从力学性能变化的角度对引起差异的原因进行了解释.     

黄河某大桥剩余疲劳寿命与加固实施方案

以黄河某大桥的实测应力为基准，建立其横梁、下弦杆的疲劳应力谱，并运用既有钢桥疲劳寿命的数学模型确定其剩余疲劳寿命．三个加固方案分析结果表明：黄河某大桥剩余疲劳寿命的控制构件，加固前是横梁，加固后则变为下弦杆，加固实施方案Ⅱ满足桥梁行业寿命要求．经一年多实际运行情况说明其加固效果良好．     

考虑风速风向分布的干煤棚结构风振疲劳分析

针对大跨开敞式干煤棚结构在风荷载作用下易发生风致疲劳破坏的问题,基于干煤棚结构的多点同步测压风洞试验结果,结合Miner疲劳线性累积损伤理论,分别采用雨流法、等效应力法、等效窄带法和等效宽带法等时域与频域内多种方法,计算得到干煤棚网架的风致疲劳损伤结果. 通过建立风速风向联合概率密度函数,考虑煤棚所在地实际风速风向联合分布特性对风致疲劳损伤分析的影响,利用高强螺栓应力经验公式,估算网架结构球节点的疲劳损伤. 结果表明,等效宽带法是频域法中较精确的疲劳损伤计算方法. 与其他风向角相比,干煤棚网架结构在40°~60°斜风向作用下更容易引发疲劳损伤. 在考虑风速风向联合分布的条件下,螺栓球节点的年均累积疲劳损伤比杆件本身更显著.     

Q345圆钢杆的疲劳破坏模型

为研究结构钢圆杆的疲劳破坏模型,以结构钢的椭球面断裂模型为开裂判据,由结构钢圆杆疲劳裂纹的裂尖真实应力场,计算出结构钢圆杆疲劳裂纹的失稳扩展面积、稳定扩展面积和稳定扩展长度.基于结构钢疲劳裂纹随加载次数加速扩展的试验事实,假定结构钢圆杆的疲劳裂纹稳定扩展速率是循环加载次数的单调递增幂函数,即双对数坐标系下结构钢圆杆的疲劳裂纹稳定扩展速率和循环加载次数为单调递增线性函数,积分后得到结构钢圆杆的疲劳裂纹稳定扩展长度和疲劳寿命间的函数表达式,导出结构钢圆杆的疲劳破坏模型.建议的结构钢圆杆的疲劳破坏模型表明,结构钢圆杆的疲劳寿命是名义最大应力、相对应力幅、初始裂纹位置和初始裂纹长度的复杂函数,不能简单化为仅是应力幅的函数.对Q345B圆钢杆进行了常幅循环应力疲劳试验,结果表明,Q345B圆钢杆的疲劳寿命随相对应力幅和名义最大应力的增加而降低.根据Q345B圆钢杆的疲劳试验结果,标定了其疲劳破坏模型参数,验证了建议的疲劳破坏模型精度.     

统计分析在钢构桥梁疲劳寿命评估中的应用

引入概率统计方法,将影响钢结构桥梁疲劳寿命的各变量看成随机的,对其疲劳寿命进行可靠性评估．通过对3种不同应力脉水平下的疲劳试验结果分析,认为疲劳寿命服从对数正态分布．采用回归分析方法进行统计推断,得到应力脉和疲劳寿命的幂函数关系式的参数,进而对钢构桥梁疲劳寿命进行预测评估．