結(jié)構(gòu)疲勞的方法及應(yīng)力疲勞壽命分析

因為我們的產(chǎn)品在定版之前都要進(jìn)行一系列的分析與試驗,來確保這個零部件或者系統(tǒng)部件能達(dá)到一定的壽命要求，當(dāng)然了系統(tǒng)級別的壽命要求的長要遠(yuǎn)低于零部件級別的壽命要求。

如果我們把眾多的結(jié)構(gòu)件按照受力形式區(qū)分有承載式結(jié)構(gòu)件，也有非承載是結(jié)構(gòu)件。這里介紹的是承載式結(jié)構(gòu)件的常見疲勞試驗方法，也是行業(yè)里比較主流的試驗方法。

某點或某些點承受 擾動應(yīng)力 ，且在 足夠多的循環(huán)擾動作用 之后形成裂紋或完全斷裂的材料中發(fā)生的局部的、永久結(jié)構(gòu)變化的發(fā)展過程，稱為疲勞。由此，可以確定對結(jié)構(gòu)進(jìn)行疲勞設(shè)計的兩個必要條件：

1）擾動應(yīng)力；

2）足夠多的循環(huán)。如過不具備這兩個條件，設(shè)計過程中就沒有必要考慮結(jié)構(gòu)的疲勞問題。

目前，對結(jié)構(gòu)進(jìn)行疲勞分析主要有兩種途徑：

1）利用有限元分析軟件直接對結(jié)構(gòu)進(jìn)行疲勞分析，最終求得結(jié)構(gòu)的疲勞壽命；

2）根據(jù)不同的疲勞工況，利用有限元軟件分析計算出結(jié)構(gòu)應(yīng)力的變化，然后將其與利用規(guī)范計算出的許用疲勞應(yīng)力相比較，看是否滿足要求。對于前者，最為關(guān)鍵的是定義輸入載荷譜或應(yīng)力譜，而當(dāng)結(jié)構(gòu)的工況相對較為復(fù)雜時，載荷譜或應(yīng)力譜的定義過程就相當(dāng)于后者的前期處理過程；同時，客戶一般會在協(xié)議中指定結(jié)構(gòu)設(shè)計計算時必須參考的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，所以為了更好地滿足客戶的需求，建議結(jié)構(gòu)疲勞計算時采用后者的方法。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范對結(jié)構(gòu)進(jìn)行疲勞分析時一般包括以下五個方面：

1疲勞載荷的確定

結(jié)構(gòu)所承受的載荷可以分為三種：

1）基本載荷，主要指設(shè)備在正常工作情況下通常出現(xiàn)的載荷（如結(jié)構(gòu)自重、物料載荷、永久性動載等）；

2）附加載荷，主要指設(shè)備運行或停止時可能斷續(xù)出現(xiàn)的載荷（如設(shè)備工作風(fēng)載、摩擦阻力、運行阻力、非永久性動載等）；

3）特殊載荷，是指在設(shè)備工作和非工作狀態(tài)時不應(yīng)產(chǎn)生，但又無法避免的載荷（如非工作風(fēng)載、結(jié)構(gòu)碰撞、地震載荷等）。疲勞計算時只需考慮基本載荷，而且對于物料載荷或其它的基本載荷，有的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范中還規(guī)定了疲勞計算時載荷的縮小系數(shù)。

2循環(huán)次數(shù)的確定

同一結(jié)構(gòu)，所考慮的疲勞載荷不同時，其循環(huán)次數(shù)也不盡相同，這主要是因為不同的疲勞載荷產(chǎn)生的原因是不同的。例如，對于堆取料機(jī)來說，考慮物料載荷的擾動影響時是指傳送皮帶上物料的有無，而考慮永久性動載的擾動影響時則是指設(shè)備在工作過程中的正常啟、制動，即便是同一結(jié)構(gòu)的同一載荷，針對不同的工作工藝流程，其循環(huán)次數(shù)也是不同的。所以，設(shè)備的工作工藝流程是不同載荷循環(huán)次數(shù)計算的決定性因素。當(dāng)載荷的循環(huán)次數(shù)確定后，首先應(yīng)該判斷其對結(jié)構(gòu)的循環(huán)擾動作用是否足夠多，當(dāng)循環(huán)次數(shù)N≤103（104）（低周疲勞）時，無需對結(jié)構(gòu)進(jìn)行疲勞校核。

3構(gòu)件焊接形式的選擇

工程中的鋼結(jié)構(gòu)多為焊接結(jié)構(gòu)，構(gòu)件的疲勞強(qiáng)度除取決于結(jié)構(gòu)使用的材料外，還與接頭的形狀和制造方法密切相關(guān)。被連接件的形狀和連接方法會影響到應(yīng)力集中的形成，從而使構(gòu)件的疲勞強(qiáng)度大為降低。不同的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范在經(jīng)過大量試驗的前提下，給出了針對不同的焊接接頭形式的構(gòu)件疲勞強(qiáng)度（圖1，為AS4100－1998標(biāo)準(zhǔn)中所列舉的針對載荷循環(huán)次數(shù)為2×106構(gòu)件的焊接形式及其許用應(yīng)力幅值，左邊的數(shù)字便為其疲勞強(qiáng)度值，單位為MPa）。因此，如何根據(jù)結(jié)構(gòu)的實際焊接形式恰當(dāng)?shù)貙φ諛?biāo)準(zhǔn)中的焊接類型來確定結(jié)構(gòu)具體部分的疲勞強(qiáng)度值，也需要一定經(jīng)驗的積累。

               圖1  構(gòu)件不同焊接形式的疲勞強(qiáng)度

4有限元計算時應(yīng)力的取值

結(jié)構(gòu)按不同計算工況用有限軟件計算完畢后，在后處理中可以選擇的應(yīng)力有很多種，究竟以哪種應(yīng)力作為疲勞強(qiáng)度校核時的參考應(yīng)力很值得探討。在美國鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范中明確提出，對于整個應(yīng)力范圍內(nèi)全部承受壓應(yīng)力的結(jié)構(gòu)，無需考慮結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度，因為這種情況下裂紋不會擴(kuò)展出焊縫殘余拉應(yīng)力以外的范圍。由此，應(yīng)力的取值應(yīng)該區(qū)分出正負(fù)值，所以原則上來說，針對不同的結(jié)構(gòu)部位，只有主應(yīng)力才能夠嚴(yán)格地區(qū)分出結(jié)構(gòu)局部承受的應(yīng)力是拉應(yīng)力還是壓應(yīng)力。按板殼單元計算結(jié)構(gòu)的應(yīng)力時，還有點的應(yīng)力應(yīng)該取值于板的頂面、中位面還是底面的問題。由于板殼的同一點在同一工況下當(dāng)其在頂面上表現(xiàn)拉應(yīng)力時，而底面上則可能表現(xiàn)為壓應(yīng)力，所以對于同一點，校核其疲勞強(qiáng)度時，該點的最大應(yīng)力及最小應(yīng)力值的取面應(yīng)該保持一致。

5許用疲勞應(yīng)力的確定

就目前不同的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范來說，疲勞計算常用方法可分為兩種：1）應(yīng)力比法，一般無較大殘余應(yīng)力的結(jié)構(gòu)，如已消除殘余應(yīng)力的焊接結(jié)構(gòu)或用螺栓、鉚釘?shù)冗B接的非焊接結(jié)構(gòu)適合用應(yīng)力比法確定其疲勞特性（目前采用應(yīng)力比法的有GB3811、ISO5049、FEM，DIN，BS等規(guī)范）。2）應(yīng)力幅法，對有較大焊接殘余應(yīng)力、較多焊接初始缺陷的焊接結(jié)構(gòu), 應(yīng)力幅法比應(yīng)力比法更能反映其疲勞的實際狀態(tài)（目前采用應(yīng)力幅法的有GB50017、AS、AISC等規(guī)范）。

由二者的名稱，明顯可以看出其區(qū)別所在，應(yīng)力比法疲勞強(qiáng)度確定的關(guān)鍵是結(jié)構(gòu)某點最小主應(yīng)力與最大主應(yīng)力的比值，而應(yīng)力幅法疲勞強(qiáng)度確定的關(guān)鍵是結(jié)構(gòu)某點最大主應(yīng)力與最小主應(yīng)力的差值。采用應(yīng)力比法確定結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度具有代表性的標(biāo)準(zhǔn)是FEM起重機(jī)設(shè)計規(guī)范和ISO5049移動式連續(xù)散料搬運設(shè)備鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范；而采用應(yīng)力幅法確定其疲勞強(qiáng)度具有代表性的標(biāo)準(zhǔn)是AS4100-1998和GB50017-2003鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范。