宏纤维复合材料对正交异性钢桥面板的疲劳振动延寿控制

摘要

正交异性钢桥面板相比传统桥梁形式而言，具有节约钢材、承载力强、造型优美和施工周期短等优点，因此被广泛应用于现代桥梁建设中。但是在繁重的外界车辆荷载作用下，以及结构自身采用焊接方式进行构件连接的影响下，正交异性钢桥面板的应力集中现象无法避免。随着应力集中程度的加深，疲劳裂纹萌生并扩展，最后导致了正交异性钢桥面板的疲劳灾害，带来巨大的经济损伤和人身安全的危害。为了提高正交异性钢桥面板的疲劳性能，本文提出采用压电智能材料中的宏纤维复合材料对正交异性钢桥面板进行振动控制，通过控制变形来减缓应力集中程度，从而达到延长该结构疲劳寿命的目的。本文的主要研究内容有以下4点： 1、利用交通路段实测的车流数据，进行车型分类与车重分布分析；通过等效损伤原则，将典型疲劳车辆简化为模型疲劳车辆，并得到模型疲劳车辆的荷载谱。 2、介绍名义应力法基本原理，通过有限元建模及受力分析得到疲劳易损点。基于模型疲劳车辆荷载谱，并考虑各个车型的车辆重心横向位置分布模型，采用matlab对车辆横向位置进行蒙特卡罗模拟，并参考英国规范，对五类疲劳易损点进行疲劳寿命估计。 3、利用ANSYS有限元软件建立二维模型，模拟三类疲劳易损点的疲劳裂纹开展，采用线弹性断裂力学的方法，研究在等效应力幅的作用下三类疲劳易损点的循环次数，并与英国规范的相关数据进行对比分析。 4、对宏纤维复合材料和控制算法进行基本介绍，推导宏纤维复合材料的压电方程与宏纤维复合材料对结构的作动方程，对粘贴有宏纤维复合材料的正交异性钢桥面板进行振动控制仿真模拟，研究宏纤维复合材料对正交异性钢桥面板的振动控制效果与受力情况的影响程度，从而研究典型疲劳易损点在宏纤维复合材料的振动控制下的疲劳寿命。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 引言

1.2 研究背景

1.2.1 压电智能材料简介

1.2.2 正交异性钢桥面板简介

1.2.3疲劳裂纹产生的原因及部位

1.3 研究现状

1.3.1 抗疲劳设计

1.3.2 疲劳车载

1.3.3 疲劳寿命估计

1.3.4 压电结构力学模型研究现状

1.4 本文主要工作

第2章 基于实测数据的疲劳车辆荷载谱

2.1 随机车流调查方法

2.2 随机车流的数学模型

2.2.1 常用的概率分布模型

2.2.2 随机过程数学模型

2.3 车辆荷载特征参数的统计规律

2.3.1 车型分布

2.3.2 车重分布

2.3.3 车辆重心横向位置分布

2.4 疲劳车辆荷载频谱值

2.4.1 典型疲劳车辆荷载谱的建立

2.4.2 模型疲劳车辆荷载谱的建立

2.5 本章小结

第3章 基于名义应力法的正交异性桥面板疲劳分析

3.1 名义应力法相关理论

3.1.1 名义应力法基本原理

3.1.2 线性累积损伤准则

3.1.3 相关规范介绍

3.2 ANSYS有限元模型的建立

3.2.1 局部模型的建立

3.2.2 整体模型的建立

3.3随机车流仿真

3.3.1 蒙特卡罗相关理论

3.3.2 模型车辆横向位置分布统计

3.3.3 仿真结果与原始数据对比

3.4 疲劳易损点的应力谱及疲劳分析

3.4.1 疲劳易损点的确定

3.4.2 横向位置影响线

3.4.3 疲劳易损点的应力谱

3.4.4 基于名义应力法的正交异性钢桥面板疲劳分析

3.5 本章小结

第4章 基于断裂力学的正交异性钢桥面板疲劳寿命分析

4.1 断裂力学相关理论

4.1.1 裂纹种类

4.1.2 应力强度因子的确定

4.1.3 疲劳裂纹的扩展与寿命估计

4.2 ANSYS精细模型的建立与相关参数的选定

4.2.1 精细模型具体尺寸

4.2.2 边界条件与荷载的确定

4.2.3 初始裂纹和临界裂纹的确定

4.3 疲劳易损部位的疲劳寿命分析

4.4 本章小结

第5章 宏纤维复合材料对正交异性钢桥面板的疲劳振动

5.1 宏纤维复合材料简介

5.2宏纤维复合材料的力学模型与等效建模

5.2.1 等效建模法

5.2.2 力学模型

5.3 模型降阶

5.4 宏纤维复合材料的控制算法

5.4.1 PID控制

5.4.2 模糊PID控制

5.4 仿真结果与分析

5.5本章小节

第6章 结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

参考文献

作者在攻读硕士学位期间发表和完成的论文

作者在攻读硕士学位期间参与的研究课题

致谢