初始损伤对焊接节点疲劳性能的影响

为研究焊接节点的初始损伤对疲劳寿命和损伤演化的影响规律,从损伤力学角度引入了基于裂纹尺寸的损伤变量,介绍了两种常用的疲劳损伤演化模型:Chaboche模型和Lemaitre模型,并分别基于两种演化方程探讨了初始损伤对疲劳寿命和损伤变量的影响,提出了基于初始损伤疲劳寿命折减系数的概念. 以非承载角焊缝焊接节点为例得到了焊接节点在不同初始损伤情况下的疲劳寿命折减系数和疲劳损伤曲线.结果表明:当初始损伤分别小于0.055和0.002时,在Chaboche模型和Lemaitre模型中可以忽略其对疲劳寿命的影响,Lemaitre模型比Chaboche模型对初始损伤的影响更为敏感,推荐采用Chaboche模型来描述焊接节点的疲劳损伤演化.      

Sensitivity Analysis of Wave Slamming Load with Respect to Wind Load for Semi-Submersible Platform Design

A design of offshore floating structure is mainly based on the extreme response analysis due to the forces experienced. The extreme response can induce the negative air gap response and potential impact to the deck bottom of floating structure. It is important to predict the slamming load in order to check the strength of local structures which withstand the wave slamming. In recent years, studies of the effects of wind load on air gap response and slamming load are ignored. When the platform suffers the extreme wave, the wind is also harsh.Moreover, the wind load can affect the motion response of the platform. The wind load cannot be simulated easily by model test in towing tank whereas it can be simulated accurately in wind tunnel test. Though the model test results are not accurate enough for air gap and slamming load evaluation due to the loss of wind effect, they can be used as a good basis for tuning the radiation damping and viscous drag in numerical simulation. This paper aims at presenting the sensitivity analysis results of wave slamming load with respect to the wind load for the design of semi-submersible platform. As an example of semi-submersible drilling platform design, the wind tunnel test has been carried out, and the sea-keeping model test is also performed in towing tank, while the wind load effect is ignored. According to the model test results, a numerical model is tuned and validated by ANSYS AQWA. Sensitivity analysis studies of the relative velocity between water particle and platform surface and the wave slamming load with respect to the wind load are performed in time domain by the tuned numerical model.Five simulation cases about the presented platform are simulated based on the results of wind tunnel tests and sea-keeping tests. The sensitivity analysis results are valuable for the floating platform design.     

船舶疲劳强度校核中Weibull形状参数的影响

Weibull形状参数是研究船舶疲劳强度的一项重要参数，它由船长和浪高两个因素决定。利用Weibull形状参数对一艘实船的疲劳寿命进行了计算，结果表明：仍然具有很大的误差，必须根据船舶的实际情况，建立累积损伤模型，确立统一的Weibull形状参数表达式，消除误差，准确地计算船舶结构的疲劳累积损伤度，提高船舶疲劳寿命预报的可靠性。     

多孔介质海床对单桩所受波浪力的影响分析

为研究多孔介质海床的波浪衰减作用及单桩所受波浪力的变化规律,采用修正RANS方程和Forchheimer饱和阻力模型控制多孔介质内部流体流动,运用流体体积法追踪自由液面,建立波浪-多孔介质海床-单桩相互作用三维数值分析模型. 首先,基于波浪与多孔介质海床相互作用过程,研究了多孔介质海床对波浪传播的衰减作用;其次,分析了相同波浪条件下多孔介质海床及刚性海床时单桩所受波浪力的数值变化,突出了考虑海床多孔特性的必要性;最后,采用单一变量控制法,进一步研究了单桩所受波浪力数值随海床多孔特性参数的变化规律. 研究结果表明,海床多孔特性对波浪传播具有明显的衰减作用;给定的波浪参数和多孔介质海床条件下,单桩所受波浪力最大值比刚性海床情况提高约35%,若忽略海床多孔特性结构物会因低估波浪力数值而造成安全隐患;另外,结构物所受波浪力与海床孔隙率、颗粒直径、海床厚度及双层海床分布厚度及每层孔隙率密切相关. 其中,波浪力最大值随着海床颗粒直径的增加而递减,随着孔隙率的增大先增加后降低,且孔隙率会影响波浪力随海床厚度变化的趋势.      

Numerical procedure for static and dynamic analysis of fluid-conveying submarine pipeline span on linear elastic seabed

Based on the Hamilton principle, dynamic differential equation of the submarine pipeline span, under the interaction of internal flow and external environmental loads, is established. A constraint-equivalent method is used to deal with the boundary conditions of pipeline span on the linear elastic seabed. Effects of the internal flow velocity and seabed stiffness on the pipeline’s lateral deformation and bending stress are studied by the static analysis, while the preliminary relationships between the internal flow velocity and the foundation stiffness to the natural frequency of pipeline span are investigated by the dynamic analysis. It is found that the lateral deformation increases with the increment of internal flow velocity, but decreases with the increment of seabed stiffness. The bending stress at the ends of span increases with the increment of internal fluid velocity and the seabed stiffness, however the stress at the middle of the span shows the converse tendency. Moreover, increasing the seabed stiffness or decreasing the internal flow velocity can lead to higher natural frequency. The dynamics response of midpoint of span at different foundations and internal fluid velocities are also given in this paper.     

载重货车后桥疲劳寿命分析

以安凯车桥13t载重货车后桥桥壳为研究对象,以有限元静力学分析为基础,得出了零件的应力和变形分布图,并最终达到分析车桥疲劳寿命,预测车桥振动疲劳寿命,分析裂纹生成机理并分析裂纹延展趋势.与台架试验结果进行对比,仿真数据与试验结果基本一致,验证了所建立模型的合理性.为车桥的强度评价提供了相关数据.得到的结果满足汽车驱动桥台架试验评价指标,车桥疲劳强度满足使用要求.     

Reliability research on fatigue life of spots of semi-submerged drilling unit

Based on the calculated results of the simplified model of deep-water semi-submerged drilling unit, the model of deep-water semi-submerged drilling unit is built by reasonably simplifying. The large vertical cylinder (MacCamy-Fuchs) formula is modified according to this model, then the modified formula is utilized to obtain the wave load spectrum which acts on the columns of the semi-submerged drilling unit. By using ANSYS software, a spectrum analysis process is established to calculate the stochastic response spectrum of the model that is subjected to the wave load spectrum which has been calculated. Then the power spectral density of stochastic response of the key nodes can be obtained. Based on the Miner model and the first excursion failure criterion, the fatigue life reliability of the key nodes is calculated.     

复合材料粘接结构强度与环境耐久性综述

为深化对复合材料粘接结构环境耐久性的研究，从胶粘剂基础研究和面向工程的粘接结构应用研究两方面综述了国内外研究现状，探讨了粘接结构老化、疲劳及其耦合作用对强度的影响，总结了单因素和多因素耦合作用下的老化机理，根据基础研究归纳了粘接结构强度预测方法和疲劳寿命预测方法，并对未来研究重点及方向进行展望。分析结果表明:温度和湿度对粘接结构力学性能影响最为显著，多因素耦合作用下的老化更具破坏性，随温度产生的固化收缩、热膨胀系数的差异以及随湿度产生的水解和增塑作用均会使粘接剂老化，且载荷能够加速吸湿对粘接界面造成损伤，从而引发结构过早失效；老化与疲劳之间存在双向耦合作用，随时间变化的交变载荷不仅会影响粘接结构的疲劳寿命，同时还会加速粘接结构老化，而粘接结构在长期服役过程中的老化又会降低结构的疲劳性能；目前尚缺乏对湿热环境与交变载荷耦合作用下老化机理的深入研究，工程应用中的内聚力模型对延展性胶粘剂和厚胶层的预测效果欠佳，应进一步提高内聚力模型在复杂应力状态下的使用精度；损伤力学模型应考虑车辆实际服役工况并加入湿热耦合因素影响以提高使用精度；粘接结构疲劳寿命预测大多基于半经验模型，且对接头疲劳行为的预测局限于特定环境条件；随着粘接技术的进一步发展，对复杂应力状态下粘接结构服役性能的有效评估与建立准静态、疲劳和环境退化综合影响的渐进损伤模型将是未来研究的重点。      

动载作用下柔性车体结构疲劳寿命的仿真

为准确预测随机动载作用下柔性车体结构的疲劳寿命，将多体动力学仿真和有限元分析相结合，建立了车体多体动力学模型．计算了35个关键部位的载荷历程，并用准静态应力分析法获得了对应的应力影响因子．用模态分析技术获得了车体结构固有频率和模态振型，用子结构技术获得了车体有限元缩减模型．根据危险应力分布、应力时间历程以及Palmgren-Miner损伤理论，利用疲劳分析软件FE-FATIGUE的基于应力的安全强度因子分析法和MATLAB的WAFO技术对柔性车体结构疲劳寿命仿真．仿真结果包括损伤和疲劳寿命预测．     

OGFC混合料抗疲劳性能试验研究

分析了车辆重复荷载引起的OGFC疲劳损害机理;设计了一种评价OGFC沥青混合料抗疲劳性能的试验方法;试验研究了级配、沥青种类、油石比以及加载水平等因素对OGFC沥青混合料疲劳寿命的响应规律.结果表明:4种因素对疲劳寿命的贡献主次顺序依次为:级配＞加载水平＞沥青品种＞油石比.     

流固耦合技术及在高速动车组结构设计中的应用

为实现流固耦合技术及验证瞬态压力对高速列车焊接结构造成的疲劳损伤,以某高速动车组设备舱为研究对象利用流体软件SC/Tetra的FLDutil模块与分析软件Ansys的输入端口进行载荷的流固耦合分析,最后采用最新的美国ASME(2007)标准中的结构应力法进行了疲劳寿命分析结果表明,通过流体软件SC/Tetra的FLDutil模块映射到Ansys中的气动载荷准确可用,为高速动车组结构在流场中的刚度强度、模态、疲劳等分析计算提供了更合理、更精确的载荷输入.     

基于交通流荷载的高速公路沥青路面使用寿命分析

为探求交通流荷载下高速公路沥青路面的使用寿命,采用层状体系理论,建立ANSYS 3-D有限元粘弹性路面结构模型;根据损伤力学理论研究单轴载通过时由沥青层底部的最大拉伸应变造成的路面破坏;再由Miner's线性累积损伤理论得到在实际车流荷载作用下沥青路面发生一定破坏程度时的使用寿命.计算结果表明,研究路段的沥青破坏路面等...     

波浪荷载作用下各向异性海床瞬态液化研究

为探究各向异性海床在波浪作用下的瞬态液化问题,采用有限元法求解RANS （reynolds averaged navier-stokes）方程及k-ε湍流模型进行数值造波,通过求解Biot多孔弹性方程获得海床瞬态响应,进而建立了波浪-各向异性海床耦合作用的二维数值仿真模型. 在完成对新建模型的验证后,基于此模型系统地研究了波浪及海床特性对各向异性海床瞬态液化的影响. 研究结果表明:海床瞬态液化深度随波高、周期增大而增大,随海床饱和度增大而减小;当海床垂向渗透系数在一定范围内时,海床最大液化深度随垂向渗透系数增大而减小,超出该范围时,海床垂向渗透系数对海床最大液化深度的影响不明显;海床瞬态液化深度对水平方向渗透系数的改变不敏感.      

动力学效应对沉船翻转作业吊缆安全性的影响

为了研究动力学效应对沉船翻转作业安全性的影响, 将吊缆张力作为翻转作业安全性评估指标, 假设船体翻转作业时起重臂吊点固定不动, 研究区域水底为刚性底, 不计上层建筑影响和建立沉船翻转准静态模型时只考虑回复力与外载荷, 分别以船体质量、吊缆刚度、收缆速度与波浪载荷为变量, 应用时域分析方法, 计算了考虑动力学效应的吊缆张力, 基于最大吊缆张力分析了沉船质量、吊缆刚度、收缆速度与波浪载荷对翻转作业中吊缆张力的影响, 评估了沉船整船翻转作业的安全性。计算结果表明: 在沉船船体翻转作业中, 吊缆张力最大值将随沉船质量、吊缆刚度与收缆速度增大而增大, 且吊缆张力最大值与收缆速度呈线性关系, 与船体质量呈近似线性关系, 与吊缆刚度呈非线性关系; 当收缆速度由0.001m·s-1增加至0.020m·s-1时, 吊缆张力最大值较初始值增量增大了约22倍, 可见, 在沉船翻转作业中, 不可忽略动力学效应对作业安全性的影响。      

桥梁缆索钢丝疲劳性能影响因素试验

为研究桥梁缆索钢丝的疲劳与腐蚀疲劳性能，采用不同强度等级新钢丝、服役7年的斜拉桥拉索钢丝和人工加速腐蚀钢丝开展了缆索钢丝疲劳与腐蚀疲劳试验；根据典型疲劳断口宏观形貌特征，探究了缆索钢丝的疲劳断裂机制；采用威布尔分布函数拟合了缆索钢丝的应力-疲劳寿命曲线，对比了不同钢丝应力-疲劳寿命曲线的差异，揭示了强度等级、应力比、腐蚀损伤和腐蚀疲劳损伤4个关键因素对缆索钢丝抗疲劳性能的影响规律，并建议了相应的疲劳强度曲线。试验结果表明：钢丝未发生腐蚀时抗疲劳性能良好，随着强度等级的提高，缆索钢丝的疲劳强度显著增大，对应的疲劳极限也逐渐上升；缆索钢丝的疲劳强度随应力比的增大而显著减小；腐蚀和腐蚀疲劳损伤均会大幅降低缆索钢丝的疲劳强度，腐蚀疲劳损伤对缆索钢丝剩余疲劳寿命的影响大于单一腐蚀损伤；新钢丝的疲劳裂纹起源于表面划痕或材料不均匀处，对于带腐蚀和腐蚀疲劳损伤的钢丝，蚀坑处存在显著的应力集中，疲劳裂纹源形成于钢丝表面蚀坑处，多源裂纹萌生与裂纹不规则扩展的几率增大；桥梁缆索抗疲劳设计与安全评估时应综合考虑钢丝强度等级、应力比、腐蚀和腐蚀疲劳损伤的影响，试验采用国内桥梁缆索广泛使用的钢丝，得到的疲劳强度可...     

考虑横观各向同性疲劳损伤的沥青路面数值模型

为研究车辆荷载作用下沥青路面的疲劳损伤问题,假定路面结构内受拉区的疲劳损伤横观各向同性,推导了沥青路面考虑横观各向同性疲劳损伤的本构方程.采用FORTRAN语言开发了材料子程序UMAT,结合有限元分析软件ABAQUS,得到了沥青路面的横观各向同性疲劳损伤数值分析模型.通过对该模型在不同荷载下的疲劳寿命分析,建立了荷载-疲劳寿命曲线,与试验结果进行对比,验证了模型的可靠性,并分析了损伤度及水平拉应力在路面结构内的分布规律.研究结果表明:疲劳损伤主要分布在基层底面双轮中心线附近,该位置最先产生疲劳裂纹,随着荷载作用次数增加,受损区水平拉应力在减小的同时,分布规律也发生了很大的改变,其最大值位置沿道路竖向从基层底面向上移动,沿道路横向从双轮中心线位置往两侧移动;本文方法得到的路面疲劳寿命与试验结果吻合较好,相对误差在4.57%~9.82%之间.      

基于临界域法的桥梁钢丝腐蚀疲劳寿命

为评估桥梁钢丝服役期间的腐蚀疲劳性能,采用临界域法,根据钢丝腐蚀坑局部应力梯度求解临界距离.采用精细有限元法,建立了钢丝腐蚀疲劳寿命预测模型;通过圆形、三角形和含切口的三角形3种形状腐蚀坑钢丝的疲劳试验,获得了它们的疲劳寿命,并与疲劳寿命的预测结果进行比较.研究结果表明:轴向应力分布决定钢丝的疲劳强度;临界距离随应力集中效应增强而减小;腐蚀钢丝的剩余寿命可根据应力集中系数评估,应力集中系数大于3的腐蚀钢丝应考虑更换.      

轴箱内置型铁路车轴疲劳性能与寿命评估

开展了EA4T合金钢材料的低周疲劳试验、旋转弯曲高周疲劳试验与裂纹扩展速率试验, 考虑载荷类型、表面质量与尺寸系数等因素, 修正了标准小试样疲劳极限以预测全尺寸车轴的疲劳性能; 建立了轴箱内置铁路车轴(内箱车轴) 的有限元模型, 分析了内箱车轴与传统轴箱外置铁路车轴(外箱车轴) 临界安全部位的差异; 基于安全寿命设计理论, 结合修正的线性Miner疲劳累积损伤准则和载荷谱, 研究了内箱车轴的疲劳强度与服役性能; 分别采用Paris公式、NASGRO方程和LAPS模型拟合了裂纹扩展速率曲线, 基于损伤容限设计方法估算了内箱车轴和外箱车轴的裂纹扩展寿命。研究结果表明: 标准小试样的疲劳极限明显高于全尺寸车轴, 其疲劳极限均值分别为369、286 MPa; 与传统外箱车轴相比, 由于加载位置的改变, 内箱车轴的临界安全部位从卸荷槽处转移至轴身中部; 内箱车轴疲劳总寿命为2.5×1012 km, 满足30年服役寿命的设计要求; 但是在运输或服役过程中车轴表面不可避免会存在缺陷, 缺陷处存在严重的应力集中, 为裂纹的萌生和扩展提供了便利条件, 使车轴疲劳寿命大幅降低; 当车轴临界安全部位的裂纹深度扩展到5 mm时, 内箱车轴和外箱车轴的剩余寿命分别仅为3.2×105、2.0×105 km, 应根据无损探伤精度合理制定无损检测周期, 确保车轴安全服役。      

大跨钢桁拱轨道横梁半刚性连接的疲劳荷载

为评定公路与轻轨两用钢桁拱桥轨道横梁与主桁半刚性连接在车辆荷载作用下的疲劳损伤累积,对该构造细节在桥梁设计寿命期内车辆荷载产生的疲劳荷载谱的计算方法进行了研究.针对我国公路桥梁设计规范暂无疲劳荷载规定的情况,参照美国AASHTO规范,建立了反映桥梁设计寿命期内真实运营状况的疲劳荷载模型,并通过全桥三维有限元分析计算了该构造细节的荷载历程.根据疲劳损伤累积理论,确定了钢桁拱轨道横梁与主桁半刚性连接的疲劳试验荷载.     

富水条件下沥青混凝土疲劳性能试验研究

根据厚沥青面层自身的受力特点,采用应力控制模式对高速公路沥青路面下面层常用AC-25沥青混凝土进行无水和富水条件下间接拉伸疲劳试验,得到不同应力水平作用下的疲劳试验结果,回归建立了应力-疲劳方程,并从疲劳寿命、疲劳方程特征参数、疲劳破坏形态等方面分析了水对沥青混凝土疲劳性能的影响.研究结果表明,在相同的应力水平作用下,富水沥青混凝土疲劳寿命仅约为无水沥青混凝土的24%～30%;沥青混凝土的应力水平与疲劳寿命在双对数坐标中呈现较好的线性关系,可为沥青路面疲劳寿命预估提供依据;富水状态下试件疲劳破坏表现为剪切和劈裂联合作用形式,充分证明用冻融循环处理条件模拟沥青混凝土富水状态的合理性.