一种焊接钢结构的疲劳损伤计算方法

摘要

本申请提供一种焊接钢结构的疲劳损伤计算方法，所述方法包括：建立焊接细节疲劳抗力的全空间曲线模型；基于焊接细节处的焊接残余应力以及车载作用下的焊接细节结构时程应力，计算焊接细节结构的真实时程应力；利用雨流计数法对所述真实时程应力进行处理，并基于处理结果计算等效应力幅和总应力循环次数；利用建立的所述全空间曲线模型，计算与所述等效应力幅相对应的疲劳寿命；基于计算的所述疲劳寿命以及所述总应力循环次数，计算焊接钢结构的疲劳损伤。本申请实施例提供的一种焊接钢结构的疲劳损伤计算方法，能够准确计算出不同荷载和焊接残余应力水平下的疲劳损伤。

说明书

技术领域

本申请涉及疲劳损伤计算方法，特别涉及一种焊接钢结构的疲劳损伤计算方法。

背景技术

钢结构由于其高强、轻质特性而广泛应用于基础设施工程。然而，钢结构，尤其是焊接钢结 构，在车辆、风和地震等往复荷载作用下容易发生疲劳裂纹甚至断裂，严重影响了钢结构的服役 性能和工程结构安全。因此，开展合理准确的疲劳损伤计算对于提升焊接钢结构的工程结构性能 评估水平，提高工程结构的运营维护和管理养护效率，保障工程结构的服役安全具有重要作用。

焊接钢结构的疲劳损伤计算方法主要有：1)基于线性S-N曲线模型和Miner理论的疲劳损伤 计算方法：依据现有的线性S-N曲线模型计算等效应力幅得到对应的疲劳寿命(以循环次数表示)， 再将总循环次数与疲劳寿命相除得到疲劳损伤，主要用于新建结构的疲劳设计；2)基于连续损伤 力学的疲劳损伤计算方法：依据线弹性断裂力学计算得到裂纹扩展深度，直接将裂纹扩展深度与 构件厚度相除得到疲劳损伤，主要用于在役结构的疲劳评估。然而，上述方法均为考虑到非常应 力幅范围内的疲劳性能变化，难以反映疲劳损伤非线性累计的特点，对于准确评估焊接钢结构的 疲劳损伤存在一定的不足。因此，对于焊接钢结构的疲劳损伤计算，有必要提出一种能够准确 反映焊接区域残余应力水平和非线性损伤累计特点的疲劳损伤计算方法。

应该注意，上面对技术背景的介绍只是为了方便对本申请的技术方案进行清楚、完整的 说明，并方便本领域技术人员的理解而阐述的。不能仅仅因为这些方案在本申请的背景技术 部分进行了阐述而认为上述技术方案为本领域技术人员所公知。

发明内容

本申请实施例的目的在于提供一种焊接钢结构的疲劳损伤计算方法，以准确计算出不同 荷载和焊接残余应力水平下的疲劳损伤。

本申请实施例提供的一种焊接钢结构的疲劳损伤计算方法，包括：

S1：建立焊接细节疲劳抗力的全空间曲线模型；

S2：基于焊接细节处的焊接残余应力以及车载作用下的焊接细节结构时程应力，计算焊 接细节结构的真实时程应力；

S3：利用雨流计数法对所述真实时程应力进行处理，并基于处理结果计算等效应力幅和 总应力循环次数；

S4：利用建立的所述全空间曲线模型，计算与所述等效应力幅相对应的疲劳寿命；

S5：基于计算的所述疲劳寿命以及所述总应力循环次数，计算焊接钢结构的疲劳损伤。 进一步地，所述建立焊接细节疲劳抗力的全空间曲线模型具体包括：

S11：建立焊接细节疲劳抗力的全空间曲线模型的基本公式：

S(N)＝a(N+B)^b+c(1)

其中，S为应力幅，N为所述应力幅对应的疲劳寿命，a、b、c和B为公式参数；

S12：利用钢材的静力拉伸试验，获取所述钢材的极限拉伸强度σ_u；

S13：将(1,σ_u)带入式(1)得：

σ_u＝aB^b+c(2)

其中，1，σ_u分别为所述曲线模型的起始点对应的疲劳寿命和应力幅；

S14：将(N_k,σ_k)带入式(1)得：

${\sigma }_k={\mathrm{aN}}_k^b+c---\left(3\right)$

其中，N_k，σ_k分别为所述曲线模型的第二个拐点对应的疲劳寿命和应力幅；

S15：将(N_GCF,σ_GCF)带入式(1)得：

${\sigma }_{GCF}={\mathrm{aN}}_{GCF}^b+c---\left(4\right)$

其中，N_GCF，σ_GCF分别为所述曲线模型的终止点对应的疲劳寿命和应力幅；

S16：联立式(2)、(3)和(4)求解得：

$a=\frac{{\sigma }_{GCF}-{\sigma }_k}{N_{GCF}^b-N_k^b}---\left(5\right)$

$c=\frac{1}{2}\left\{\frac{({\sigma }_{GCF}+{\sigma }_k)·(N_{GCF}^b-N_k^b)-({\sigma }_{GCF}-{\sigma }_k)·(N_{GCF}^b-N_k^b)}{N_{GCF}^b-N_k^b}\right\}---\left(6\right)$

$B={\left(\frac{{\sigma }_u-c}{a}\right)}^{1/b}---\left(7\right)$

S17：计算得到σ_GCF：

${\sigma }_{GCF}=\frac{{\sigma }_u^{1/3}}{1000}·(Hv+120)·(155-7·{\mathrm{lgN}}_{GCF})---\left(8\right)$

其中，Hv为材料的硬度；N_GCF取为10⁹。

S18：计算得到σ_k、N_k：

σ_k＝0.5σ_u(9)

${\sigma }_k=\frac{{\sigma }_u^{1/3}}{1000}·(Hv+120)·(155-7·{\mathrm{lgN}}_k)---\left(10\right)$

联立式(9)和(10)求解得到σ_k和N_k；

S19：计算得到σ′_k：

σ′_k＝0.9σ_u(11)

其中，σ′_k为所述曲线模型的第一个拐点对应的应力幅；

S110：基于焊接细节的疲劳试验，获取不同应力幅S_i下的S-N散点图S(N_i)＝S_i，其中， N_i为应力幅S_i对应的试验疲劳寿命，并建立试验散点图的线性回归模型：

N＝f(S)＝bS+n(12)

其中，n为根据试验数据拟合的线性回归参数；

S111：将式(11)带入式(12)，求解得到N′_k，所述N′_k为所述曲线模型的第一个拐点对 应的疲劳寿命；

S112：将b代入式(5)、(6)、(7)，计算得到a、c和B。

进一步地，所述利用雨流计数法对所述真实时程应力进行处理，并基于处理结果计算等 效应力幅和总应力循环次数具体包括：

S31：采利用雨流计数法对所述真实时程应力进行处理，得到应力幅SA_i和与所述应力幅 SA_i对应的应力循环次数n_i；

S32：根据下述公式计算等效应力幅SAeq和总应力循环次数N：

${\mathrm{SA}}_{eq}={\left(\frac{{\mathrm{SA}}_i^b{n}_i}{{\mathrm{\Sigma n}}_i}\right)}^{1/b}$

N＝∑n_i

进一步地，按照以下公式计算与所述等效应力幅相对应的疲劳寿命N_eq：

$N_{eq}=\sqrt[b]{\frac{{\mathrm{SA}}_{eq}-c}{a}}-B$

进一步地，按照以下公式计算焊接钢结构的疲劳损伤：

D＝N/N_eq

进一步地，所述基于焊接细节处的焊接残余应力以及车载作用下的焊接细节结构时程应 力，计算焊接细节结构的真实时程应力具体包括：

S21：根据钢结构焊接细节设计图纸，建立所述焊接细节的热-固耦合分析有限元模型， 并基于所述热-固耦合分析有限元模型计算得到所述焊接细节处的焊接残余应力σ_r；

S22：根据钢结构焊接细节设计图纸，建立所述焊接细节的结构应力分析有限元模型， 并基于所述结构应力分析有限元模型计算得到车载作用下的焊接细节结构时程应力σ_s(t)；

S23：根据下述公式计算焊接细节结构的真实时程应力σ_t(t)：

σ_t(t)＝σ_r+σ_s(t)

其中，t表示时间。

参照后文的说明和附图，详细公开了本申请的特定实施方式，指明了本申请的原理可以 被采用的方式。应该理解，本申请的实施方式在范围上并不因而受到限制。在所附权利要求 的精神和条款的范围内，本申请的实施方式包括许多改变、修改和等同。

针对一种实施方式描述和/或示出的特征可以以相同或类似的方式在一个或更多个其它 实施方式中使用，与其它实施方式中的特征相组合，或替代其它实施方式中的特征。

应该强调，术语“包括/包含”在本文使用时指特征、整件、步骤或组件的存在，但并不 排除一个或更多个其它特征、整件、步骤或组件的存在或附加。

附图说明

所包括的附图用来提供对本申请实施例的进一步的理解，其构成了说明书的一部分，用 于例示本申请的实施方式，并与文字描述一起来阐释本申请的原理。显而易见地，下面描述 中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动 性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。在附图中：

图1为本申请实施方式提供的一种焊接钢结构的疲劳损伤计算方法的流程图；

图2为本发明实施例中疲劳试验结果及全空间S-N模型曲线图；

图3为本发明实施例中车载作用下结构真实应力时程曲线；

图4为本发明实施例中不同车辆数年增长率下的疲劳损伤累计曲线。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请中的技术方案，下面将结合本申请实施例中 的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅 是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人 员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都应当属于本申请保护的范围。

请参阅图1至图4，本发明提供的一种焊接钢结构的疲劳损伤计算方法，该方法包括如 下步骤：

S1：建立焊接细节疲劳抗力的全空间曲线模型；

S2：基于焊接细节处的焊接残余应力以及车载作用下的焊接细节结构时程应力，计算焊 接细节结构的真实时程应力；

S3：利用雨流计数法对所述真实时程应力进行处理，并基于处理结果计算等效应力幅和 总应力循环次数；

S4：利用建立的所述全空间曲线模型，计算与所述等效应力幅相对应的疲劳寿命；

S5：基于计算的所述疲劳寿命以及所述总应力循环次数，计算焊接钢结构的疲劳损伤。 在本实施方式中，步骤S1可以具体包括以下几个子步骤。

S11：建立焊接细节疲劳抗力的全空间曲线模型的基本公式：

S(N)＝a(N+B)^b+c(1)

其中，S为应力幅，N为所述应力幅对应的疲劳寿命，a、b、c和B为公式参数；

S12：利用钢材的静力拉伸试验，获取所述钢材的极限拉伸强度σ_u；

S13：将(1,σ_u)带入式(1)得：

σ_u＝aB^b+c(2)

其中，1，σ_u分别为所述曲线模型的起始点对应的疲劳寿命和应力幅；

S14：将(N_k,σ_k)带入式(1)得：

${\sigma }_k={\mathrm{aN}}_k^b+c---\left(3\right)$

其中，N_k，σ_k分别为所述曲线模型的第二个拐点对应的疲劳寿命和应力幅；

S15：将(N_GCF,σ_GCF)带入式(1)得：

${\sigma }_{GCF}={\mathrm{aN}}_{GCF}^b+c---\left(4\right)$

其中，N_GCF，σ_GCF分别为所述曲线模型的终止点对应的疲劳寿命和应力幅；

S16：联立式(2)、(3)和(4)求解得：

$a=\frac{{\sigma }_{GCF}-{\sigma }_k}{N_{GCF}^b-N_k^b}---\left(5\right)$

$c=\frac{1}{2}\left\{\frac{({\sigma }_{GCF}+{\sigma }_k)·(N_{GCF}^b-N_k^b)-({\sigma }_{GCF}-{\sigma }_k)·(N_{GCF}^b-N_k^b)}{N_{GCF}^b-N_k^b}\right\}---\left(6\right)$

$B={\left(\frac{{\sigma }_u-c}{a}\right)}^{1/b}---\left(7\right)$

S17：计算得到σ_GCF：

${\sigma }_{GCF}=\frac{{\sigma }_u^{1/3}}{1000}·(Hv+120)·(155-7·{\mathrm{lgN}}_{GCF})---\left(8\right)$

其中，Hv为材料的硬度；N_GCF取为10⁹。

S18：计算得到σ_k、N_k：

σ_k＝0.5σ_u(9)

${\sigma }_k=\frac{{\sigma }_u^{1/3}}{1000}·(Hv+120)·(155-7·{\mathrm{lgN}}_k)---\left(10\right)$

联立式(9)和(10)求解得到σ_k和N_k；

S19：计算得到σ′_k：

σ′_k＝0.9σ_u(11)

其中，σ′_k为所述曲线模型的第一个拐点对应的应力幅；

S110：基于焊接细节的疲劳试验，获取不同应力幅S_i下的S-N散点图S(N_i)＝S_i，其中， N_i为应力幅S_i对应的试验疲劳寿命，并建立试验散点图的线性回归模型：

N＝f(S)＝bS+n(12)

其中，n为根据试验数据拟合的线性回归参数；

S111：将式(11)带入式(12)，求解得到N′_k，所述N′_k为所述曲线模型的第一个拐点对 应的疲劳寿命；

S112：将b代入式(5)、(6)、(7)，计算得到a、c和B。

在本实施方式中，步骤S2可以包括以下几个子步骤。

S21：根据钢结构焊接细节设计图纸，建立所述焊接细节的热-固耦合分析有限元模型， 并基于所述热-固耦合分析有限元模型计算得到所述焊接细节处的焊接残余应力σ_r；

S22：根据钢结构焊接细节设计图纸，建立所述焊接细节的结构应力分析有限元模型， 并基于所述结构应力分析有限元模型计算得到车载作用下的焊接细节结构时程应力σ_s(t)；

S23：根据下述公式计算焊接细节结构的真实时程应力σ_t(t)：

σ_t(t)＝σ_r+σ_s(t)

其中，t表示时间。

在本实施方式中，步骤S3可以具体包括以下几个子步骤。

S31：采利用雨流计数法对所述真实时程应力进行处理，得到应力幅SA_i和与所述应力幅 SA_i对应的应力循环次数n_i；

S32：根据下述公式计算等效应力幅SAeq和总应力循环次数N：

${\mathrm{SA}}_{eq}={\left(\frac{{\mathrm{SA}}_i^b{n}_i}{{\mathrm{\Sigma n}}_i}\right)}^{1/b}$

N＝∑n_i

在本实施方式中，步骤S4可以按照以下公式计算与所述等效应力幅相对应的疲劳寿命 N_eq：

$N_{eq}=\sqrt[b]{\frac{{\mathrm{SA}}_{eq}-c}{a}}-B$

在本实施方式中，步骤S5可以按照以下公式计算焊接钢结构的疲劳损伤：

D＝N/N_eq

在本申请一具体实施方式中，以正交异性钢桥面板顶板-纵肋焊接细节的疲劳损伤计算为 例，说明本发明的具体实施过程：

(1)基于所用钢材的静力拉伸试验，获取其材料的极限抗拉强度σ_u；根据其钢箱梁的 结构设计图纸加工钢桥面板疲劳试验构件，开展顶板-纵肋焊接细节的疲劳试验，得到疲劳试 验的S-N散点图，开展线性回归分析后得到其线性回归模型公式(12)，求得b；利用式(8) -(11)求得σ_GCF、N_GCF、σ_k、N_k后，将其与σ_u一并代入式(5)、(6)和(7)，分别算得a、 c和B，最终求得全空间S-N曲线模型S(N)。

(2)建立正交异性钢桥面板的结构分析有限元模型，计算得到车载作用下的结构应力 时程σ_s(t)；建立顶板-纵肋焊接细节的热-固耦合分析模型，计算得到焊接残余应力σ_r；利用 式(13)计算得到焊接细节结构真实时程应力σ_t(t)，如图3所示。

(3)采用雨流计数法对结构真实时程应力σ_t(t)进行处理，得到应力幅SA_i和对应的应力 循环次数n_i，利用式(14)和(15)计算得到等效应力幅SA_eq和总应力循环次数N。

(4)将SA_eq代入式(17)后，再利用式(16)和(17)计算得到疲劳损伤D。本例分 析得到了交通量年增长率分别为1％、3％和5％时疲劳损伤D的损伤累计曲线，如图4所示， 结果表明在上述三类条件下服役时间达到166、113和64年时疲劳损伤累计值达到1.0，即 疲劳寿命分别为166、113和64年。

由上可见，与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

(1)采用该方法能够评估不同疲劳损伤累计区域，即跨区域的非线性损伤累计特点， 的疲劳损伤水平。式(2)和(12)中的参数均通过试验进行确定，保证了疲劳损伤计算的 准确性；

(2)本评估方法简捷方便，实施起来具有很好的可操作性，方法所包含的各个公式均 为显性表达公式，不需要进行复杂的数学运算，实施起来更加简捷方便，可得到广泛推广与 应用。

因此，本申请实施例提供的一种焊接钢结构的疲劳损伤计算方法，能够准确计算出不同 荷载和焊接残余应力水平下的疲劳损伤。

上面对本申请的各种实施方式的描述以描述的目的提供给本领域技术人员。其不旨在是 穷举的、或者不旨在将本发明限制于单个公开的实施方式。如上所述，本申请的各种替代和 变化对于上述技术所属领域技术人员而言将是显而易见的。因此，虽然已经具体讨论了一些 另选的实施方式，但是其它实施方式将是显而易见的，或者本领域技术人员相对容易得出。 本申请旨在包括在此已经讨论过的本发明的所有替代、修改、和变化，以及落在上述申请的 精神和范围内的其它实施方式。