纵肋与横隔板新型构造细节的疲劳失效机理及其疲劳抗力研究

摘要

纵肋与横隔板构造细节是正交异性钢桥面板疲劳开裂最为频发的部位之一，发展具有高疲劳抗力特性的新型纵肋与横隔板构造细节，阐明其疲劳失效机理并确定其疲劳抗力，具有重要的理论意义和工程实际意义。以一种纵肋底板与横隔板固结形式的新型构造细节为研究对象，进行的足尺节段模型疲劳试验发现，纵肋底板焊缝在外荷载作用下的受压区出现了疲劳开裂，不考虑焊接残余应力难以解释这一现象。焊接残余应力对于构造细节疲劳抗力的影响问题，仍有待于深化研究。本文针对新型构造细节受压区焊缝出现的疲劳开裂现象，基于断裂力学理论建立了一种能够考虑焊接残余应力的疲劳裂纹扩展模拟方法及相应的疲劳寿命计算方法，在此基础上，结合足尺节段模型疲劳试验研究了新型构造细节的疲劳开裂机理与实际疲劳抗力。主要结论如下：　　(1)建立了2跨4纵肋的足尺节段疲劳试验模型的有限元模型，分析了新型构造细节疲劳易损部位的受力特性，表明新型构造细节纵肋底板焊趾处在外荷载拉-拉应力循环及压-压应力循环作用下均会发生疲劳开裂，焊接残余拉应力是外荷载受压区开裂的重要原因；　　(2)采用Fortran语言编写了适用于多条焊缝的DFLUX热源子程序，基于热-力顺序耦合方法对传统构造细节与新型构造细节残余应力进行了计算分析，并通过试验测量结果验证了焊接模拟方法的准确性。重点分析了新型构造细节vonMises应力分布特征和与疲劳开裂直接相关的横向残余应力的分布规律，并在此基础上探讨了新型构造细节的合理焊接顺序；　　(3)以焊接残余应力为初始应力，以叠加方式考虑试验疲劳荷载及残余应力的共同作用，则纵肋底板受压侧开裂位置出现拉-拉应力循环区域。在此基础上，考虑焊接残余应力和初始微裂纹的耦合作用，以断裂力学指标对疲劳裂纹扩展行为展开定量研究，表明叠加焊接残余应力后，裂纹各点等效应力强度因子幅值均超过扩展阈值，焊接残余拉应力是外荷载受压区产生疲劳开裂的关键因素；　　(4)联合围线积分和网格重构法，建立了基于ABAQUS软件的疲劳裂纹扩展模拟方法，后续通过数值计算理论分别给出了考虑残余应力时外荷载受拉区及受压区疲劳裂纹寿命的计算方法。利用已建立的疲劳裂纹扩展模拟方法，采用SIGINI子程序构建初始应力场，实现了试验构件疲劳开裂细节在焊接残余应力及外荷载共同作用下的裂纹扩展模拟，通过应力强度因子幅值指标探究了裂纹的扩展特征与疲劳裂纹寿命问题。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 课题研究背景

1.1.1 正交异性钢桥面板的受力特征

1.1.2 正交异性钢桥面板典型疲劳开裂模式

1.2.1 纵肋与横隔板新型构造细节的提出

1.2.2 纵肋与横隔板新型构造细节的疲劳开裂模式

1.3 国内外研究现状

1.3.1 焊接残余应力数值模拟研究

1.3.2 基于断裂力学的疲劳裂纹扩展研究

1.3.3 考虑残余应力的裂纹扩展模拟

1.4.1 研究内容

1.4.2 研究意义

第2章 考虑焊接残余应力的构造细节疲劳评估方法

2.1 焊接过程的简化

2.2 焊接温度场分析理论

2.2.1 焊接传热的形式及规律

2.2.2 焊接温度场控制方程

2.2.3 焊接非线性瞬态热传导的有限元分析方法

2.3 焊接应力场模拟理论

2.3.1 塑性理论

2.3.2 热弹塑性基本理论

2.4 疲劳抗力评估的数值断裂力学方法

2.4.1 线弹性断裂力学原理

2.4.2 应力强度因子求解方法

2.4.3 考虑残余应力的疲劳裂纹扩展模拟方法

2.5 本章小结

第3章 纵肋与横隔板构造细节焊接残余应力数值模拟

3.1 纵肋与横隔板新型构造细节的受力特征

3.1.1 节段模型试验

3.1.2 纵肋与横隔板新型构造细节的受力特征

3.2 新型构造细节焊接分析有限元模型

3.2.1 焊接分析模型边界确定

3.2.2 焊接参数选取

3.2.3 基于 ABAQUS的焊接过程数值模拟

3.3 焊接残余应力特征分析

3.3.1 焊接温度场特征分析

3.3.2 焊接残余应力验证

3.3.3 von Mises 应力分布特征

3.3.4 疲劳易损部位关键残余应力分量研究

3.4 焊接顺序对残余应力的影响

3.5 本章小结

第4章 纵肋与横隔板新型构造细节疲劳性能研究

4.1.1 纵肋底板焊趾处应力循环特征

4.1.2 开裂机理分析

4.2 基于 LEFM的疲劳裂纹扩展模拟方法

4.2.1 疲劳裂纹扩展模拟方法在 ABAQUS中的实现

4.2.2 疲劳寿命的计算方法

4.3 纵肋与横隔板新型构造细节的疲劳裂纹扩展模拟

4.3.1 疲劳裂纹扩展关键参数选取

4.3.2 有限元模型的建立

4.3.3 受拉区疲劳裂纹扩展模拟

4.3.4 受压区疲劳裂纹扩展模拟

4.3.5 焊接残余应力的重分布特征

4.4 纵肋与横隔板新型构造细节的疲劳抗力研究

4.4.1 受拉区疲劳裂纹扩展寿命

4.4.2 受压区疲劳裂纹扩展寿命

4.4.3 纵肋与横隔板新型构造细节的实际疲劳抗力

4.5 本章小结

结论与展望

主要结论

展望

致 谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及科研成果