正交异性板疲劳裂纹形成寿命研究和数值计算

西 南 交 通 大 学硕 士 研 究 生 选 题 报 告姓名吴月峰学号12011142 导师姓名卜一之职称教 授专业桥梁与隧道工程研究方向现代桥式及桥梁结构设计理论题目正交异性板疲劳裂纹形成寿命实验分析研究和数值计算2013 年 10 月 10 日开题报告的内容应包括（1）课题的研究意义、国内外现状分析。（2）课题研究目标、研究内容、拟解决的关键问题。（3）拟采取的研究方法、技术路线、试验方案及其可行性研究。（4）课题的创新性。（5）计划进度、预期进展和预期成果。注： （1）开题报告由各院（系、所、中心）组织实施，专家组成员由副高以上人员组成，邀请导师和督导组相关专家参加，导师担任组长。（2）专家组的作用是帮助导师和研究生执行选题论证，论证意见以“ 通过” 、“ 不通过 ” 结论。通过者按计划开展论文工作，不通过者，在半年内需重新开题。选题报告主要内容一、课题的研究意义、国内外现状分析1.课题的研究意义近年来，正交异性板钢桥面板因为自重轻-约为混凝土桥面板的1/4 ，极限承载能力大，施工方便、速度快，结构美观等优点被广泛应用于国内外的大、中跨桥梁1 。但是，正交异性板钢桥面板也因结构构造、受力复杂，应力集中明显，存在初始焊接残余应力等因素导致其疲劳问题突出。另一方面， 正交异性钢桥面板局部疲劳裂纹萌生扩展后无法有效修补，修补段作为新引入的疲劳薄弱部分无法有效遏止疲劳裂纹的进一步扩展。因此，通过准确计算正交异性刚桥面板结构的疲劳寿命并进行合理设计以确保结构在规定年限内不出现疲劳裂纹是解决正交异性钢桥面板疲劳问题的有效途径之一。钢结构的疲劳破坏是指结构在低于材料强度极限的交变应力反复作用下发生材料裂纹萌生扩展并最终导致结构构件突然断裂破坏的失效形式。结构疲劳破坏是在最后突然发生的，没有明显的塑性变形，严重威胁桥梁使用安全。1966年建成的英国Severn 桥（悬索桥）2，钢桥面板产生了大量裂纹，修复费是当初建设费的 2.5 倍；1954 年建成的 Porta 桥、1961 年建成的 Haseltal桥，均为连续钢箱梁， 很快钢桥钢板产生了很多裂纹， 1967年 12月，美国 Silver Bridge因为“眼杆”疲劳断裂致使46 人丧生3； 1994 年 10 月韩国圣水大桥因为使用抗疲劳性能较差的劣质钢材导致33人死亡 17人受伤；我国自 20 世纪 80 年代以来建造了大量采用正交异性钢桥面板结构的大跨度悬索桥和斜拉桥。尽管投入运营时间较短，但一些桥梁在使用中同样产生了疲劳裂纹。2008 年对对虎门大桥进行检测时，发现肉眼可见裂纹78 条，潜在裂纹约160 条。此外，广东马房北江大桥和厦门海沧大桥的桥面板关键疲劳部位也出现了不同程度的疲劳裂纹。据美国土木工程学会（ ASCE ）统计， 80%90%钢结构的破坏与疲劳损伤有关，疲劳破坏已经成为钢结构构件破坏的三种主要形式之一。裂纹扩展行为以及寿命预测方法的研究具有较高的理论意义和工程应用价值。疲劳破坏因没有呈现较大的塑性变形，导致其最后发生无明显预兆的脆断。钢桥面板的疲劳开裂极大地缩短了其使用寿命，导致了巨大的经济损失， 甚至会出现重大安全事故。 正确评估它们的剩余寿命和剩余安全度，是采用加固措施保障它们使用的理论基础。2.国内外研究现状分析疲劳研究已有 160 多年的历史，德国矿业工程师 Albert于 1829 年首次提出“金属疲劳”的概念4。19 世纪 40 年代铁路车辆轮轴在重复交变荷载的作用下的破坏让人们认识到疲劳破坏。19 世纪 50 年代至 60 年代，德国工程师Wohler在实验室进行了第一次系统的疲劳研究，以大量的关于铁路车辆轮轴的疲劳试验为基础，最先引入了SN曲线和疲劳极限概念5。1884 年 Bauschinger 在验证Wohler 的疲劳试验时， 发现了“循环软化” 现象，之后被命名为 “包辛格效应”，Bauschinger 成为研究循环应力应变关系的第一人。1903年 Ewing 和 Humfrey对退火铁进行了旋转弯曲疲劳试验，在试验过程中借助光学显微镜发现了在循环应力作用下晶体中产生的滑移线，并把疲劳破坏与滑移联系起来, 在疲劳机理的研究方面迈出了一大步。 1920 年 Griffith发表了他对脆性断裂的理论计算和用玻璃做的实验结果，这一理论已成为现代断裂力学的基础。20 世纪 50 年代以来，闭环电液伺服试验机的使用，可以更好地模拟试件、 构件或结构的实际荷载历程，使疲劳研究有了很大进展。 电子显微镜的使用为进一步弄清疲劳机理开辟了新的途径。 Irwin于 1957 年提出应力强度因子K的概念，为线弹性断裂力学及疲劳裂纹扩展寿命的预测奠定了基础。1962 年 Paris 提出了疲劳裂纹扩展公式，开辟了疲劳寿命预测的新领域， 这使得疲劳裂纹扩展寿命预测得到了快速的发展。至此，线弹性断裂力学理论为指导疲劳强度设计提供了理论基础6。1962年 Dugdale 提出了著名的窄带屈服区模型，1966 年曼森（ Manson ）提出了“双线性损伤法则在累积疲劳上的应用” ，将疲劳过程划分为两个阶段裂纹形成和裂纹扩展阶段。1945年美国人 M A Miner 将 A.Palmgren于 1924年提出的线性累积损伤理论公式化，形成 Palmgren-Miner 线性积伤法则7。疲劳累计损伤理论是疲劳分析的主要手段之一， 也是估算变幅应力下疲劳寿命的重要理论之一。累积损伤理论可以概括为 3 种类型，线性累积损伤理论、 修正线性理论和其他理论。 疲劳分析的最终目的是要确定结构或构件的疲劳寿命。要计算疲劳寿命， 必须有精确地荷载普、材料特性或构件的SN 曲线、合适的损伤累计理论、合适的裂纹扩展理论等同时还要把一些影响疲劳寿命的主要因素考虑进去。因此国内外疲劳寿命的计算还没有十分精确地方法，只能做到估算。本次论文基于港珠澳大桥的疲劳试验承担了典型的低应力高周疲劳荷载，所以用名义应力法是合理和可行的，并且名义应力法的使用时间是最长的，因此积累了大量的资料、实验数据和工程实践经验，也是目前应用最多的一种方法。Finderly 基于剪切面上的名义应力与容许交变剪切应力成线性关系的思想提出了疲劳寿命预测的修正模型， 至今仍是工程领域最为常用的结构件疲劳寿命预测方法之一。名义应力法是最早应用的疲劳寿命预测方法，经过不断的发展和完善，具有原理直观简单、 估算过程易于掌握、 经验和数据积累丰富等突出优点。但因该方法没有计及材料在载荷历程中的塑性变形过程，无法考虑缺口附近塑性变形引起的残余应力的影响， 从而名义应力的变化无法代表缺口附近实际的应力变化情况，采用名义应力法预测疲劳裂纹形成寿命会出现一定的误差。为提高名义应力法的预测精度， 可以采用局部应力应法。 局部应力应变法以应力集中部位的最大局部应力和应变为出发点， 结合材料的循环应力应变曲线， 通过弹塑性有限元分析或其它计算方法将名义应力谱转换成局部应力应变谱进行疲劳寿命的计算8。局部应力应变法进行疲劳寿命的计算结果对疲劳缺口系数值非常敏感，要精确的确定结构的值是非常困难的， 此外要用到材料的-N 曲线，而材料的 -N曲线实验资料比较少。 据此可以结合这两种方法各自的优点：根据结构的名义应力历程，借助局部应力应变分析缺口处的局部应力，根据缺口处的局部应力， 结合构件的 S-N 曲线和线性损伤累计理论估算结构的疲劳寿命。该方法考虑了缺口处的局部塑性变形的影响， 考虑了残余应力和荷载顺序对疲劳寿命的影响，从而对疲劳寿命的计算更为准确。二、课题研究目标、研究内容、拟解决的关键问题1.课题研究的相关内容及目标根据对正交异性板疲劳问题的调查和分析，拟在下述几个方面开展课题的相关研究工作：（1）调查、收集、学习国内外正交异性钢桥面板的规范、文献以及疲劳事例，了解其制造加工及焊接工艺， 对正交异性板空间力学行为与关键疲劳部位的疲劳裂纹扩展进行深入分析；（2）结合所做实验，明确疲劳裂纹的分类和形成原因，根据已有资料和调查数据确定疲劳易损部位和细节。通过学习和研究相关文献， 对一般抗疲劳评定方法、抗疲劳设计方法和疲劳寿命计算的相关方法进行概述和分析。（3）采用大型通用有限元程序ANSYS 建立港珠澳大桥全桥的三维有限元模型，通过分析确定受力最不利的梁段，做出所要研究的细节的影响线进而建立局部有限元模型。 根据港珠澳大桥预测的交通量确定等效的标准疲劳车，通过疲劳车的试加载确定横向最不利加载位置和结构的应力历程。利用泄水法和预测的交通量及车辆在各车道的概率分布得到一系列的应力幅和对应的加载次数。根据规范中的 SN 强度曲线和线性累计损伤理论验证港珠澳大桥是否拥有120年的疲劳寿命并计算验算细节的具体的疲劳寿命。（4）把通过有限元计算的结果与试验结果作对比分析并得出误差的大小，进一步分析原因， 明确名义应力法的优缺点寻求可以改进的地方，用局部应力应变法和局部应力法进行计算， 并与名义应力法和实验结果作比较分析，分析它们各自的优缺点和工程应用。2.拟解决的关键问题根据欧洲规范和港珠澳大桥的预测交通量确定标准疲劳车，建立三维有限元局部模型确定所研究的疲劳细节的影响线和应力历程，根据线性累计损伤理论计算研究细节的疲劳寿命。 基于名义应力法的缺点使用改进的局部应力应变法进行计算，对结果进行对比分析明确各种方法的优势和劣势。三、拟采取的研究方法、技术路线及其可行性研究1.拟采取的研究方法在认真学习正交异性钢桥面板的构造特点和受力性能的基础上，广泛研读正交异性板和疲劳寿命方面的文献、规范为计算本次试验构件的疲劳寿命打下基础。通过成熟的有限元软件ansys建立三维仿真分析模型计算其影响线和对应标准疲劳车荷载下的应力历程， 根据线性累积损伤理论计算其疲劳寿命。辅助其它方法比如局部应力应变法进行计算、验证并进行优劣势比较。2.技术路线为有效完成课题研究内容， 达到既定研究目标， 课题研究的技术路线如下图所示。国内外既有的正交异性桥 面板的疲劳破坏调研正交异性桥面板裂 纹的分类和成因正交异性桥面板疲劳易 损部位及损伤情况调研正交异性桥面 板疲劳寿命的 相关计算方法 和理论港珠澳大桥预测交通 量确定标准疲劳车建立ansys有限元模型 确定研究细节的最不 利加载位置和影响线根据泄水法和线性累 计损伤理论计算研究 细节的疲劳寿命名义应力法的 计算构件疲劳 寿命局部应力应变 法计算构件疲 劳寿命与实验结果作对比分析，进行误 差计算，明确各种方法的优劣势 和工程应用情况论文整理和撰写课题研究技术路线示意图3.可行性研究名义应力法和线性累积损伤理论通俗易懂，计算过程简单，应用时间长，积累了大量的实验数据和资料，在相关疲劳规范和实践中仍被广泛应用。可以找到大量的关于此方面的文献和资料，对于完成此次论文提供了很大帮助和借鉴。美国各州公路工作者协会（AASHO）进行的货车交通量通过桥梁的寿命试验以及焊接细节的随机变幅试验证明， 累积损伤率变量和变荷载试验数据均不大于常幅循环试验数据变量。结构裂纹萌生阶段寿命是钢桥疲劳总寿命的最主要构成部分，因此有理由认为线性累积损伤理论应用于钢桥疲劳研究是可靠的。港珠澳大桥正交异性板承受的荷载是典型的应力水平较低的高周疲劳问题所以名义应力法是合适的。 借助于 ansys 有限元软件， 大量的长期积累的有效数据、 经验和已经制定的规范完成此论文是可行的。四、课题的创新性近年来，正交异性板钢桥面板因为其轻质高强， 方便施工等优点被广泛应用。但是，正交异性板钢桥面板也因受力复杂、应力集中明显等因素导致其疲劳问题突出。准确、有效的计算出正交异性板结构的疲劳寿命具有巨大的理论和应用意义。中国没有专门的针对公路的疲劳荷载谱，实际中需要通过现场调查得到各种典型车辆的荷重和它们出现的相对频率，等效的计算成标准疲劳车， 从而大大减小计算的工作量， 通过线性损伤理论计算构件的疲劳寿命，为其它正交异性板桥梁疲劳寿命的计算提供借鉴。 针对名义应力法的缺点进一步使用局部应力应变法进行改善，提高计算的精确度。五、计划进度