钢桁梁全焊桁片腹杆与节点焊接连接细节疲劳性能试验研究

为避免焊缝交叉,钢桁梁全焊桁片中,腹杆与节点连接采用带半圆过焊孔的焊接构造。为评估钢桁梁全焊桁片腹杆与整体节点焊接细节抗疲劳性能,对其进行有限元数值模拟及疲劳试验研究。根据实际焊接细节结构特点,基于应力场相似原则完成试验模型设计。利用ANSYS建立实桥结构及试验模型的有限元模型,对应力分布状态及应力集中系数进行比较分析。采用3组9个试件,完成不同应力幅下钢桁梁全焊桁片腹杆与节点连接构造典型焊接细节的疲劳试验,通过数据拟合得到该焊接细节的S-N曲线。结合其他既有疲劳试验数据及欧洲规范、日本规范对该焊接细节疲劳性能进行评估。结果表明:过焊孔与翼缘焊接部位存在较大的应力集中,对焊接节点的疲劳性能有较大削弱;反复荷载作用下,过焊孔与翼缘板交接焊趾处首先产生疲劳裂纹。     

货车车钩疲劳寿命预测

本文应用结构疲劳强度的最新理论，预测了１３号车钩的疲劳寿命，用局部洋力－应变法估算了裂纹的形成寿命，用断裂力学理论估算了裂纹的扩展寿命，两者叠加所得的１３号车钩疲劳寿命与现场运用调查统计结果基本吻合。     

正交异性钢桥面板纵肋?面板疲劳开裂的CFRP加固研究

为了研究碳纤维增强复合材料(Carbon Fiber Reinforced Polymer,CFRP)加固正交异性钢桥面板纵肋?面板(Rib-to-Deck,RD)构造细节疲劳开裂的可行性,借助ABAQUS建立正交异性钢桥面板多尺度有限元模型,采用扩展有限元法(Extended Finite Element Method,XFEM)模拟RD构造细节焊趾处表面裂纹,与其他文献的对比验证模拟方法的可靠性;选取RD构造细节横桥向最不利的轮载位置加载,计算并对比CFRP加固RD构造细节前后应力强度因子幅值的变化.研究结果表明:XFEM取15道围道积分数并去除前2道围道积分计算平均值,得到的I型应力强度因子解较准确;CFRP加固能有效降低裂纹尖端应力强度因子幅值,从而降低其疲劳裂纹扩展速率,提高构造细节的疲劳寿命;CFRP作用体现在降低了焊趾处的应力集中和增强了裂开区的连接效应;其加固效果随CFRP层数、纵向长度、宽度的增加而提高,当CFRP纵向长度、宽度大于某一值时,其对加固效果的影响很小.     

正交异性钢桥面板纵肋?面板疲劳开裂的CFRP加固研究

为了研究碳纤维增强复合材料(Carbon Fiber Reinforced Polymer,CFRP)加固正交异性钢桥面板纵肋?面板(Rib-to-Deck,RD)构造细节疲劳开裂的可行性,借助ABAQUS建立正交异性钢桥面板多尺度有限元模型,采用扩展有限元法(Extended Finite Element Method,XFEM)模拟RD构造细节焊趾处表面裂纹,与其他文献的对比验证模拟方法的可靠性;选取RD构造细节横桥向最不利的轮载位置加载,计算并对比CFRP加固RD构造细节前后应力强度因子幅值的变化.研究结果表明:XFEM取15道围道积分数并去除前2道围道积分计算平均值,得到的I型应力强度因子解较准确;CFRP加固能有效降低裂纹尖端应力强度因子幅值,从而降低其疲劳裂纹扩展速率,提高构造细节的疲劳寿命;CFRP作用体现在降低了焊趾处的应力集中和增强了裂开区的连接效应;其加固效果随CFRP层数、纵向长度、宽度的增加而提高,当CFRP纵向长度、宽度大于某一值时,其对加固效果的影响很小.     

Q345qD桥梁钢对接焊缝疲劳裂纹扩展性能试验研究

为采用断裂力学方法对既有钢桥焊接细节进行疲劳评估,对6.1,10.0和23.5 mm的Q345q D桥梁钢对接焊缝进行疲劳裂纹扩展速率试验和疲劳裂纹扩展门槛值测定试验,基于两种数据处理方法得到了不同厚度、不同应力比下的疲劳裂纹扩展速率参数。试验结果表明:在通常的应力强度因子幅值范围(10~70 MPa·m0.5)内,基于单试件数据点的处理结果对应的裂纹扩展速率明显高于基于成组数据点的处理结果;Q345q D对接焊缝的疲劳裂纹扩展速率随应力比增加而增加;本批次的Q345q D对接焊缝的疲劳裂纹扩展性能优于BS7910中给出的通用钢材疲劳裂纹扩展性能;Q345q D对接焊缝疲劳扩展门槛值随应力比增加而降低,并给出了门槛值随应力比变化的公式。     

工形梁竖向加劲肋端部疲劳性能及加固方法研究

对我国既有铁路钢桥调研发现有些钢梁已产生疲劳裂纹,其中工形梁腹板竖向加劲肋端部裂纹较多。随着运营列车轴重和运营时间的增加,这些裂纹可能会进一步扩展,须采取相应措施对结构予以补强。本文针对64 m下承式钢桁梁的纵梁腹板竖向加劲肋端部构造,设计疲劳试件并展开疲劳试验,得到该构造的热点应力疲劳强度,为实桥疲劳评估提供依据。通过设计节段模型进行了不同加固方法的疲劳试验,掌握了节段模型加固前后的疲劳性能,并提出了在翼缘增设角钢的加固方法。     

低温环境下铁路钢桥疲劳断裂性能研究

针对青藏铁路修建中遇到的钢结构抗疲劳问题，以364根试件的裂纹尖端张开位移试验（CTOD）、702根试件的夏比V型缺口冲击试验（CVN）以及24mm钢板对接焊缝疲劳裂纹扩展速率试验的数据为依据，研究-50℃低温环境下铁路钢桥的疲劳断裂性能。采用常规疲劳试验和数据分析方法会得出“低温疲劳性能好于常温疲劳性能”的错误结论。断裂力学理论分析的结果表明，在相同应力条件下，低温时的疲劳容许裂纹长度（17mm）远小于常温情况（56mm）；相同疲劳循环次数下-50℃与常温的疲劳应力幅的比值为0．88；低温下裂纹稳定扩展区和急剧扩展区的交界点前移。根据研究结果确定，-50℃低温环境下钢桥的疲劳设计可采用现有桥梁钢结构规范规定的公式，但其疲劳容许应力幅取现行规范规定的常温值的80％，同时还应满足相应的构造细节设计及制造的特殊规定。     

铁路正交异性钢桥面板典型疲劳裂纹寿命估算

针对铁路正交异性钢桥面板中典型疲劳裂纹形式,建立计算模型。采用有限元数值方法模拟钢桥面板应力分布,确定各典型疲劳裂纹最不利位置;利用有限元子模型技术模拟各疲劳裂纹位置焊接细节,分析焊缝引起应力集中程度及对疲劳裂纹产生所造成影响;依据断裂力学揭示疲劳裂纹扩展速率与裂纹周围应力场关系,对几种典型疲劳裂纹进行疲劳寿命估算。结果表明:在桥面板与纵肋连接处,桥面板疲劳裂纹寿命较短,而纵肋疲劳裂纹寿命较长,这与国内外现场实测及试验结果相吻合;在横梁与纵肋连接处,其主应力较大且应力集中效应明显,极易产生疲劳裂纹。     

正交异性钢桥面板节段模型疲劳性能试验研究

设计3个正交异性钢桥面板的节段模型,进行系统的静载试验和疲劳试验,研究不同构造对正交异性钢桥面板受力和疲劳性能的影响.结果表明:面板的厚度对U肋与面板连接焊缝构造的应力影响显著,建议正交异性钢桥面板的面板厚度取为14mm以上;横隔板的间距对横隔板与U肋焊缝交叉处的面外应力、横隔板的面外变形、中间U肋的竖向变形有直接的影响;弧形开孔处的应力随横隔板的厚度增加而降低;正交异性钢桥面板上由次应力引起的裂纹的扩展比较缓慢,不会直接影响整个桥面结构的承载能力;横隔板与U肋相交处上部留有过焊孔这一构造细节对正交异性钢桥面板的疲劳性能不利.     

不锈钢复合桥面连接疲劳性能试验研究

针对大跨度钢桥整体钢桥面采用不锈钢复合钢板的特殊构造进行疲劳试验,研究的构造包括不锈钢复合钢板与普通钢板对接焊缝构造、不锈钢复合钢板不等厚对接焊缝构造、不锈钢复合桥面侧边设置排水孔。试验结果表明:不锈钢复合钢板与普通钢板对接焊缝构造、不锈钢复合钢板不等厚对接焊缝构造疲劳的起裂部位均在不锈钢复合钢板的碳钢基板侧;不锈钢复合桥面侧边设置排水孔,其疲劳裂纹沿着模拟挡砟墙的附连件角焊缝的焊趾开裂;不锈钢复合钢板在加工中的复合形式对疲劳性能的影响较小;通过疲劳试验得到了3组构造细节的疲劳曲线和钢板对应的容许应力幅,可为相应构造细节疲劳设计提供依据。     

挑臂式钢箱梁面板-中纵梁构造细节疲劳性能研究及构造参数分析

为研究挑臂式面板-中纵梁构造细节的疲劳特性，运用大型通用有限元软件ANSYS建立精细化分析模型，结合热点应力法、Palmgren-Miner线性累积损伤理论及雨流计数法对该构造细节进行横纵向疲劳车加载应力结果计算分析，并开展构造参数影响研究。研究结果表明，轮载作用下该细节经历多次应力循环，应力影响线具有明显的轴重识别效果，采用横向应力/竖向应力研究其疲劳特性是合适的；该细节面板焊趾较腹板焊趾应力水平高，更易发生疲劳开裂，而腹板处焊趾具有无限寿命；面板厚度从12 mm增加到20 mm,面板焊趾和腹板焊趾热点应力分别降低55%和40%,中纵梁腹板与附近U肋的间距从250 mm增加到400 mm,面板焊趾和腹板焊趾热点应力增幅达61%和58%,而中纵梁腹板厚度从12 mm变化到20 mm,面板焊趾处和腹板焊趾处的热点应力基本不变，维持在53 MPa和22 MPa左右。建议在充分考虑安全性和经济性的情况下，合理选择面板厚度及中纵梁腹板与附近U肋的间距以提高面板-中纵梁构造细节的疲劳寿命。     

13号车钩疲劳寿命估算

采用近代结构疲劳强度理论，探索了一种适用于车钩疲劳寿命估算的方法，用局部应力－应变法估算了裂纹的形成寿命。用断裂力学理论估算了扩展寿命。两者中所得的１３号车钩疲劳估算寿命与现场运用调查统计结果基本吻俣。     

钢结构焊缝疲劳强度分析技术的最新进展

在平板焊接钢结构焊缝疲劳强度分析中,近年来国外主要发展起了等效结构应力法和表面外推热点应力法2种新方法.等效结构应力法考虑焊趾部位的结构应力集中效应,应用改进线性化法或节点力法分析结构应力,确保计算结果对有限单元类型、网格形状及尺寸的不敏感,从而有效区分不同焊接接头类型的焊趾结构应力集中情形;以结构应力为控制参数计算应力强度因子,在主要考虑焊趾缺口、结构板厚、载荷模式等因素影响基础上,基于断裂力学分析确定与焊缝疲劳寿命直接相关的应力参数,导出等效结构应力转化方程;基于上述应力计算和转化方法对焊缝疲劳试验结果数据进行处理,建立焊缝疲劳强度设计单一主S-N曲线,实现对钢结构焊缝的疲劳强度评定和寿命预测.通过比较分析可知,表面外推热点应力法适用于钢结构焊缝设计阶段的方案比较及方案优化;等效结构应力法较适合对钢结构焊缝最终设计方案进行更为精确的焊缝疲劳强度评定和寿命预测以及不能用表面外推热点应力法进行钢结构焊缝疲劳强度分析时.     

基于结构应力法的车体结构疲劳裂纹扩展与剩余寿命评估

为了弥补名义应力法不能针对具有初始裂纹的焊接结构进行评估的不足,采用结构应力法,在断裂力学的基础上推导了考虑裂纹扩展增量的焊缝裂纹扩展计算方法。以复铰式100%低地板有轨电车为研究对象,采用名义应力法确定了典型工况下车体疲劳强度薄弱焊缝的位置,并基于结构应力法提取了该位置的膜应力和弯曲应力,并应用焊缝裂纹扩展计算方法对车体薄弱位置的焊缝进行了剩余寿命评估。研究结果表明:初始裂纹的存在导致车体寿命远低于设计寿命(1E7),但仍然具有一定的服役空间,可以利用焊缝裂纹扩展计算方法对含有缺陷的结构进行剩余寿命评估,并根据计算结果制定相应的维修策略。     

车辆装配前铝合金焊缝节点结构疲劳试验研究

铝合金焊缝节点结构作为车体结构中的重要组成部分,车辆装配前对焊缝节点结构强度进行研究具有重要意义。为了掌握铝合金焊缝节点结构的疲劳强度性能,选取实车中出现疲劳裂纹破坏的典型节点部位制作标准件进行疲劳试验;根据试件与实际车体疲劳破坏位置的应力分布趋势一致的原则,设计了两种典型焊接形式的标准件结构模型,并且确定了疲劳试验的加载方式以及试验工装设计,给出了试验模型的疲劳破坏位置以及通过成组试验获得的典型节点形式的S-N(应力-寿命)曲线。同时利用非线性有限元方法对铝合金焊缝节点结构进行疲劳强度计算,将计算结果与试验结果进行对比分析,验证了所采用有限元计算方法的准确性和普遍适用性。     

基于UIC和JIS标准的焊接构架疲劳强度对比分析研究

运用UIC标准Goodman-Smith图法和JIS标准的疲劳评价方法,以地铁转向架构架的侧梁焊接结构为研究对象,使用有限元法对其疲劳强度进行对比研究。以JIS标准中的裂纹扩展法和名义应力法分别评估单边角焊缝和背面焊接位置角焊缝的焊根疲劳强度,以UIC标准中的结构应力法评估角焊缝的焊趾疲劳强度。结果表明,使用UIC标准考核构架侧梁焊缝的焊趾满足疲劳强度要求,而使用JIS标准考核构架侧梁焊缝的焊根不满足疲劳强度要求,因此对于焊接构架角焊缝应结合2个标准对其焊趾和焊根综合进行疲劳强度评估。     

钢桥面板横隔板弧形开孔处疲劳裂纹成因分析及构造措施

钢桥面板横隔板弧形开孔处是疲劳裂纹的高发位置。为了分析该位置疲劳裂纹的成因,首先根据关注细节的应力影响线,分析了车轮面内和面外荷载对不同细节应力幅产生的效应。结合火焰切割边缘残余应力的分布,对弧形开孔边缘主压应力主导的状态仍产生疲劳裂纹的现象进行了解释。然后根据线性累计损伤准则,说明了超载对弧形开孔边缘疲劳细节的损伤度的影响。最后讨论了弧形开孔位置焊缝的构造形式和加工制造工艺。优良的焊缝质量和合理的构造形式将会降低应力集中效应,限制超载是控制疲劳裂纹发生的关键。     

转向架用SMA490BW钢焊接接头超高周疲劳性能的影响因素

对转向架用SMA490BW钢焊接试样,采用冲击电流为1.5A、冲击时间分别为5,10,15或20min的超声冲击、低温热处理、机械打磨(磨平焊缝余高、打磨焊趾)的处理方法,通过残余应力测试和超声疲劳试验,对比分析应力集中、晶粒细化、残余应力等因素单独作用时对焊接接头超高周疲劳性能的影响程度,并借助扫描电镜观察疲劳断口,分析焊接接头超声冲击前后的裂纹萌生位置变化及失效模式。结果表明:经超声冲击或机械打磨后,焊接试样的疲劳寿命均得到不同程度的提高;磨平焊缝余高对提高焊接接头疲劳寿命最为显著,较原始焊接试样其疲劳寿命可提高约86.4倍;改善应力集中、细化表层晶粒、引入残余压应力对延长焊接接头寿命的贡献比分别约为59%,28%和13%;焊态及冲击态试样的疲劳裂纹大多萌生于焊趾表面,部分冲击态试样的裂纹转而从表面的机械加工的缺陷处萌生,少数从材料内部缺陷处萌生并扩展至断裂失效。     

钩尾框尾部弯角疲劳裂纹扩展寿命预测研究

提出了一种预测工程构件疲劳裂纹扩展寿命的方法，应用能量释放率理论，通过3维子模型有限元技术，计算工程构件疲劳裂纹尖端的应力强度因子，由Paris公式预测工程构件在实际载荷谱下的疲劳裂纹扩展寿命。采用该方法预测的13号车钩钩尾框尾部弯角疲劳裂纹扩展寿命与实际检修统计结果一致。     

焊接缺陷对动车组铝合金车体疲劳寿命影响研究

由铝合金型材焊接而成的高速列车车体,如考虑焊缝处初始焊接缺陷的存在,将造成焊缝质量等级的不同,进而造成其抗疲劳能力产生差异。为寻求在设计阶段能较准确地预测含初始焊接缺陷的动车组车体疲劳寿命的评估方法,通过试验获得3种含初始焊接缺陷试件的疲劳寿命数据,并基于美国ASME(2007)标准中的结构应力法计算出含不同焊接缺陷试件疲劳寿命的"等效初始裂纹";建立包括焊缝在内的动车组车体有限元模型,并依据BS EN12663-1:2010标准的加载方式,基于等效结构应力法和Miner线性累积疲劳损伤理论,预测车体关键焊缝的疲劳寿命;根据反求出来的等效裂纹对模型进行修正,研究初始焊接缺陷的存在对车体疲劳寿命的影响。