铸钢节点疲劳性能及抗疲劳优化设计研究

摘要

铸钢节点因其形式灵活多样、铸造可变性强、受力性能可靠等优点在大跨空间钢结构中日趋流行。相比其他节点形式，铸钢节点的最大优势在于对结构疲劳性能的改善，因此，国外某些承受疲劳载荷的工程结构已开始采用铸钢节点。然而，针对铸钢节点疲劳性能的研究在国外尚处在起步阶段，国内还没有见到公开文献报道。杭州湾跨海大桥海中平台观光塔在设计中采用了铸钢节点，波浪疲劳载荷是其主要载荷之一。本文针对此工程的疲劳问题，对铸钢节点进行了疲劳研究及优化设计，主要研究内容和方法如下：
　　 1、对铸钢节点的疲劳研究国内外现状进行了介绍，针对工程中广泛采用的GS-20Mn5V铸钢进行了材料疲劳试验与分析，得到了相关疲劳性能数据，包括完整的S-N曲线、疲劳极限，并对疲劳试样断面进行了分析，为工程实际应用提供了参考依据。
　　 2、针对承受波浪载荷的铸钢节点，利用统计学的方法，将波浪载荷处理为平稳随机过程，按修正的皮尔逊-莫斯柯维奇谱建立波浪功率谱密度函数；采用谱分析方法计算应力响应功率谱，并归纳其概率特性；利用试验研究的成果，得到构件的疲劳极限，进行危险点疲劳强度的验算。
　　 3、针对观光塔铸钢节点的环形对接焊缝设计了双边焊、带套筒的单边焊、带垫块的单边焊和不带垫块的单边焊四种焊缝细节，计算分析了等幅波浪载荷下各种焊缝的疲劳寿命。
　　 4、分析了铸钢节点的铸造方法和质量检测方法，针对目前的工艺水平，提出了铸钢节点抗疲劳优化设计步骤；综合运用断裂力学、有限元理论和疲劳强度理论等知识对含有初始缺陷的铸钢节点进行了疲劳数值计算，并验算了初始缺陷是否合理。
　　 论文研究结果表明，观光塔铸钢节点的疲劳性能是可靠的，检测得到的初始缺陷尺寸是合理的。

目录

文摘

英文文摘

第1章 绪论

1.1 研究背景

1.1.1 铸钢节点的优点

1.1.2 铸钢节点的形式

1.1. 3 铸钢节点的工程应用

1.2 铸钢节点的研究发展

1.2.1 研究内容

1.2.2 研究现状

1.3 本文研究的目的、内容和意义

1.3.1 研究目的

1.3.2 研究内容

1.3.3 研究意义

1.4 论文结构

第2章 铸钢材料的疲劳试验研究

2.1 疲劳试验方法

2.1.1 S-N曲线

2.1.2 疲劳极限

2.1.3 疲劳断口

2.2 疲劳试验仪器

2.3 疲劳试验过程

2.3.1 试样设计与制备

2.3.2 仪器标定

2.3.4 加载方案

2.4 试验分析

2.4.1 静强度测试

2.4.2 绘制S-N曲线

2.4.3 计算疲劳极限

2.4.4 疲劳断口分析

2.5 本章小结

第3章 波浪载荷下节点铸钢部分的疲劳强度估算

3.1 波浪载荷下铸钢节点疲劳数值计算方法

3.1.1 波浪载荷的统计处理

3.1.2 谱分析法计算应力响应

3.2 疲劳极限的确定

3.3 观光塔铸钢节点疲劳数值计算

3.3.1 杭州湾海中平台观光塔工程简介

3.3.2 波浪载荷的计算

3.3.3 铸钢上节点疲劳强度计算

3.3.4 铸钢下节点疲劳强度计算

3.4 本章小结

第4章 铸钢节点环形对接焊缝的疲劳寿命估算

4.1 环形对接焊缝的疲劳寿命估算方法

4.1.1 根据应力集中系数计算热点应力幅度

4.1.2 用有限元计算热点应力幅度

4.2 焊缝S-N曲线的选取

4.2.1 DNV中对接焊缝的S-N曲线

4.2.2 Eurocode3中对接焊缝的S-N曲线

4.3 对接焊缝的细节设计

4.4 算例

4.4.1 计算模型

4.4.2 波浪载荷的选取

4.4.3 焊缝细节的选取

4.4.4 计算结果分析

4.5 本章小结

第5章 铸钢节点抗疲劳优化设计

5.1 铸钢节点的铸造方法及质量检测

5.1.1 铸钢节点的铸造

5.1.2 铸钢节点的质量检测

5.1.3 铸钢节点的缺陷分析

5.2 铸钢节点的疲劳优化方案

5.3 损伤容限设计内容

5.3.1 应力强度因子

5.3.2 疲劳裂纹扩展速率

5.3.3 剩余寿命估算

5.4 模型初始缺陷预置方法

5.4.1 断裂力学相关理论

5.4.2 ANSYS三维裂纹的实体建模方法

5.4.3 模型初始缺陷的设置

5.5 应力强度因子的计算

5.5.1 载荷的确定

5.5.2 缺陷①应力强度因子的计算

5.5.3 缺陷③应力强度因子的计算

5.6 初始裂纹尺寸的分析

5.6.1 计算步骤

5.6.2 计算过程及结论

5.7 本章小结

第6章 结论及展望

6.1 本文主要工作及研究成果

6.2 今后工作的展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间撰写与发表的论文