考虑应力集中的吊车梁多轴疲劳寿命预测_李斌.pdf

文章编号:1 6 7 3-5 1 9 6(2 0 2 3)0 1-0 0 4 4-0 5考虑应力集中的吊车梁多轴疲劳寿命预测李 斌1,李维敦1,郎珊珊*2,李亚楠2(1.甘肃建筑职业技术学院 建筑工程系,甘肃 兰州 7 3 0 0 5 0;2.兰州理工大学 机电工程学院,甘肃 兰州 7 3 0 0 5 0)摘要:钢结构吊车梁在工业建筑中被广泛应用,应力集中的存在导致几何不连续位置在复杂应力下服役.借助有限元法分析吊车梁应力-应变状态,确定危险点位置,并提取应力、应变分量;以应变能密度作为损伤参量并以最大平面为临界面,基于能量准则建立临界面位置数值计算方法,结合有限元结果给出吊车梁临界面位置;考虑吊车梁在非对称载荷下服役,借助G o o d m a n方程进行平均应力修正,并结合Q 3 5 5 D钢近似S-N曲线计算疲劳寿命.该方法考虑了应力集中处多轴应力对疲劳损伤的影响,可以为复杂应力下几何不连续钢构件的疲劳寿命评估提供新方法.关键词:吊车梁;多轴应力;疲劳寿命预测;近似S-N曲线;有限元法中图分类号:TU 3 9 1 文献标志码:AM u l t i a x i a l f a t i g u e l i f ep r e d i c t i o no f c r a n eb e a m sc o n s i d e r i n gs t r e s s c o n c e n t r a t i o nL IB i n1,L IW e i-d u n1,L ANGS h a n-s h a n2,L IY a-n a n2(1.D e p a r t m e n to fA r c h i t e c t u r a lE n g i n e e r i n g,G a n s uV o c a t i o n a l a n dT e c h n i c a lC o l l e g eo fA r c h i t e c t u r e,L a n z h o u 7 3 0 0 5 0,C h i n a;2.S c h o o l o fM e c h a n i c a l a n dE l e c t r i c a lE n g i n e e r i n g,L a n z h o uU n i v.o fT e c h.,L a n z h o u 7 3 0 0 5 0,C h i n a)A b s t r a c t:S t e e l s t r u c t u r ec r a n eb e a m sh a v eb e e nw i d e l yu s e d i n i n d u s t r i a l b u i l d i n g s.D u e t ot h ee x i s t e n c eo f s t r e s sc o n c e n t r a t i o n,p a r t so fc r a n eb e a m sw i t hg e o m e t r i cd i s c o n t i n u i t ya r e i ns e r v i c eu n d e rm u l t i a x i a ls t r e s s.I nt h i sp a p e r,f i n i t e e l e m e n tm e t h o d i su s e d t oa n a l y z e t h e s t r e s s a n ds t r a i ns t a t eo f c r a n eb e a m,d e-t e r m i n et h ep o s i t i o no f d a n g e r o u sp o i n t,a n de x t r a c t i t s s t r e s s a n ds t r a i nc o m p o n e n t.T a k i n g t h ep l a n ew i t ht h eh i g h e s t e n e r g yd e n s i t ya st h ec r i t i c a lp l a n e,am e t h o dt od e t e r m i n et h ec r i t i c a lp l a n eb a s e do ne n e r g yc r i t e r i o n i sp r o p o s e d.G i v e nt h a t t h ec r a n eb e a m w o r k su n d e ra s y mm e t r i c l o a d,w i t ht h eh e l po fG o o d m a ne q u a t i o no fm e a ns t r e s sc o r r e c t i o n,t h e f a t i g u e l i f eo fc r a n eb e a mi sc a l c u l a t e db yc o m b i n i n gt h ea p p r o x i-m a t eS-Nc u r v eo fQ 3 5 5 Ds t e e l.T h ep r o p o s e dm e t h o dc o n s i d e r s t h e e f f e c t o f t h em u l t i a x i a l s t r e s sn e a r t h er e g i o no f s t r e s sc o n c e n t r a t i o no nt h e f a t i g u ed a m a g ea n dp r o v i d e san e w m e t h o df o r f a t i g u e l i f ee v a l u a t i o no f s t e e lm e m b e r sw i t hg e o m e t r i cd i s c o n t i n u o u su n d e rc o m p l i c a t e ds t r e s s.K e yw o r d s:c r a n eb e a m;m u l t i a x i a l s t r e s s;f a t i g u e l i f ep r e d i c t i o n;a p p r o x i m a t eS-Nc u r v e;t h e f i n i t e e l e-m e n tm e t h o d 在大力发 展钢结构 和装配 式 建 筑 的 倡 导 之下1,装配式建筑工业化程度逐步提高,尤其是工业厂房的大量增 加使得钢 结构吊 车 梁 应 用 更 为 广泛2.钢结构吊车梁具有载重大、服役环境多变、构件受力复杂和承受往复疲劳载荷作用等特点3.在 收稿日期:2 0 2 2-0 5-2 5 基金项目:甘肃省科技计划项目自然科学基金(2 1 J R 7 R A 7 8 3),甘肃省教育厅青年博士基金(2 0 2 1 Q B-1 3 9)通讯作者:郎珊珊(1 9 7 9-),女,山东淮坊人,博士,副教授.E m a i l:l a n g s h s h l u t.e d u.c n实际工程中,吊车梁在变截面、螺栓孔处存在缺口效应的影响,其疲劳强度明显降低4-5.吊车梁构件在缺口效应影响下根部所受应力由单向变为两向或三向应力状态,导致应力集中区域受力情况比较复杂6-7,疲劳裂纹常常在此处萌生,引起吊车梁的疲劳断裂失效.因此,多轴疲劳断裂成为钢构件失效的主要原因之一,对生产安全造成重大隐患.准确描述几何不连续处应力-应变状态是提高缺口件疲劳寿命预测精度的前提8.诺伯法等理论第4 9卷第1期2 0 2 3年2月兰 州 理 工 大 学 学 报J o u r n a l o fL a n z h o uU n i v e r s i t yo fT e c h n o l o g yV o l.4 9 N o.1F e b.2 0 2 3计算方法相对简单,便于工程应用,但这些方法一般以单轴应力为假设条件,并且没有考虑循环载荷作用下材料瞬态应力-应变响应,在计算多轴应力-应变状态时存在一定的误差.目前,对于多轴载荷下缺口件应力-应变状态分析一般采用弹塑性有限元法.该方法计算过程相对简单,且能更加精确地描述应力-应变关系,可以直接应用于多轴加载下缺口件疲劳寿命评估9.为了简化计算过程和便于工程应用,在分析复杂应力作用下构件疲劳强度时,一般是将复杂工况下的疲劳损伤处理为单轴加载下的疲劳损伤,之后再利用成熟的单轴疲劳评估准则来预估疲劳强度和寿命1 0.目前,临界平面法在多轴疲劳寿命评估中被广泛应用,该方法以最大损伤平面作为疲劳评估的基础面,具有一定的物理意义.同时,以临界面的应力、应变或者能量指标作为损伤参量1 1,结合单轴疲劳寿命预估模型或者材料S-N曲线可进行寿命预估1 2.吊车梁属于几何不连续钢构件,本文将其作为研究对象,考虑应力集中处多轴应力状态对疲劳损伤过程的影响,提出吊车梁多轴疲劳寿命预测的方法,可为解决实际工程问题提供新思路.本文将基于有限元法分析吊车梁的应力-应变状态,确定危险点位置,建立基于能量准则的临界面数值计算方法,并给出求解过程.临界面确定后,以临界面的等效应力作为损伤参量,结合Q 3 5 5 D钢近似S-N曲线和G o o d m a n平均应力修正方程预估吊车梁多轴疲劳寿命.1 吊车梁有限元分析一般情况下,吊车轨道和吊车梁整体安装在厂房柱牛腿上,吊车梁受到吊车反复循环荷载的作用1 3.本文选用的吊车梁结构为热轧H型钢,跨度为6m,梁高为5 8 8mm,翼缘板上、下宽度均为3 0 0mm,腹板厚度为1 2mm,翼缘板厚度均为2 0mm.具体参数如表1所列.吊车在吊车梁上运行,需要根据工程实际分析最不利的工作情况,以4种典型工况为例进行分析.表1 吊车参数T a b.1 C r a n ep a r a m e t e r s吊车类型工作制台数跨度/m最大宽度B/m桥式起重机A 512 5.56.3 2大车轮距W/m总重GT/t小车重Gc/t最大轮压/k N起重量Gq/t5.02 5.92.51 2 3.51 0其中:工况为吊车位于吊车梁1上,吊车梁2空载,此时外载最小;工况为吊车一轮位于吊车梁2中间位置,另一轮位于吊车梁1上;工况为吊车一轮位于两吊车梁接头处,另一轮距吊车梁2端部10 0 0mm处;工况为两轮均位于吊车梁2上,且距其端部5 0 0mm.具体描述如图1所示.图1 4种典型工况(mm)F i g.1 F o u r t y p i c a lw o r k i n gc o n d i t i o n s(mm)利用有限元软件AN S Y S分析4种典型工况下吊车梁应力分布情况.吊车梁材料为Q 3 5 5 D钢,通过材料静拉伸试验获得其基本力学性能,屈服强度s=4 0 3 MP a,抗拉强度Su=5 0 7 MP a,弹性模量E=2 0 9G P a.应力-应变曲线如图2所示.图2 Q 3 5 5 D钢应力-应变曲线F i g.2 S t r e s s-s t r a i nc u r v eo fQ 3 5 5 Ds t e e l54第1期 李 斌等:考虑应力集中的吊车梁多轴疲劳寿命预测 有限元计算时采用双线性等向强化模型描述材料弹塑性力学行为,如图3所示.图3 Q 3 5 5 D钢弹塑性应力-应变曲线F i g.3 E l a s t i c-p l a s t i c s t r e s s-s t r a i nc u r v eo fQ 3 5 5 Ds t e e l由于吊车梁是不规则结构,所以采用自由网格划分方法,即2 0节点的六面体单元S O L I D 1 8 6.为分