高性能组合桥面板中短栓钉疲劳性能的研究

为探寻高性能组合桥面板中短栓钉的疲劳性能和损伤演化及其评价方法，引入UHPC及短栓钉材料损伤模型的本构关系，利用ABAQUS软件选用显示求解算法对短栓钉抗剪疲劳推出试验进行有限元模拟，研究短栓钉的疲劳性能，并对其寿命进行评估；基于数值模型探究循环加载应力比和直径对短栓钉疲劳性能的影响。研究发现，基于多轴疲劳评估准则预测的短栓钉疲劳寿命与试验值基本吻合，验证了该准则的有效性及数值模型的正确性；UHPC结构层与短栓钉的损伤具有明显的局部特征及累积效应；应力比对短栓钉疲劳性能影响显著，增大循环加载应力比，可显著提高其疲劳寿命值；增大短栓钉直径对短栓钉疲劳性能的改善程度有限。     

基于WIM数据的公路桥梁车辆疲劳荷载模型研究

公路桥梁的疲劳损伤是由各式载重不同的车辆反复作用产生的,所以对公路桥梁进行抗疲劳设计或疲劳寿命评估采用的荷载应能够反映桥梁的日常交通荷载特征。该文结合南溪长江大桥WIM系统测得的18个月的车辆荷载数据,对车辆参数统计及疲劳荷载模型展开研究。引用统计学的高斯混合模型(Gaussian Mixture Model,GMM)和赤池、贝叶斯两种信息判别准则(AIC、BIC),结合EM算法得到车重、轴重的最优模型。采用Matlab拟合工具箱对部分车辆荷载参数进行曲线拟合,得到车头间距等参数的分布类型。基于Miner准则和线性累积损伤原理,得到5种疲劳荷载模型,并计算各车型的疲劳损伤贡献值和损伤度。相比于以往的疲劳荷载模型,该文得到的分时段疲劳荷载谱用于实桥计算疲劳损伤和疲劳寿命评估时可用两种时段的模型车辆循环加载,更接近实际车况,使计算结果更精确。     

考虑低载荷强化效应的汽车转向节疲劳分析

本文中基于试验场强化道路实车测试,结合零部件有限元动力学仿真和疲劳耐久性能仿真,探求考虑小载荷强化效应与Miner准则两种疲劳分析方法对汽车零部件疲劳寿命预测的差异性。通过室内实车振动测试与有限元仿真联合分析,确定前转向节疲劳损伤危险点(即路试应变监测点);提取试验场强化道路实测应变监测点应变时间历程,经过预处理、时域加速、雨流矩阵外推和载荷谱分级得到10级等效应力谱。结合低载荷强化理论和线性累积损伤理论对10级等效应力谱的疲劳效应和损伤效应进行分析,相对于传统Miner准则而言,考虑了小载荷强化效应使构件在加载过程中疲劳极限呈现上升规律,进而需要修正构件S-N曲线(简化),较初始S-N曲线向上偏移,基于修正后构件S-N曲线并应用线性疲劳损伤累积理论预估的转向节疲劳寿命较Miner准则提高了40.6%。此种方法考虑了材料强化行为的影响,一定程度上弥补了Miner理论未考虑各级载荷间相互影响和材料硬化瞬态行为影响的缺陷,对实际零部件疲劳寿命估计与轻量化设计提供新的参考。     

基于轮式滚动加载的正交异性钢桥面板疲劳试验设计

能模拟车辆荷载通过效应的疲劳模型试验是研究正交异性钢桥面板疲劳性能的有效手段。利用国内首台自主研发的桥面结构专用轮式滚动疲劳加载装置,以广东虎门二桥坭洲水道桥为依托工程,研究了基于轮式滚动加载的正交异性钢桥面板疲劳试验设计问题。首先,根据实桥交通需求分析,合理确定实桥疲劳荷载谱;其次,计算疲劳敏感部位热点在疲劳荷载谱各车型作用下的应力历程,采用雨流计数法计算应力谱,根据Miner疲劳损伤累积理论转化为每种车型通过1次的等效应力幅,结合交通量预测计算实桥各构造细节在设计寿命期内的疲劳累积损伤;最后,根据设备性能参数,分别计算橡胶轮双轴加载和钢轮单轴加载下试验模型各细节的等效应力幅,通过与实桥钢桥面板各细节的疲劳累计损伤等效,从而确定试验加载轴类型、加载水平以及对应各细节的等效作用次数。研究成果对改进正交异性钢桥面板疲劳试验设计有重要参考意义。     

基于Corten-Dolan累积损伤准则的等效等幅疲劳应力幅值计算方法

利用Miner线性累积损伤准则和Corten-Dolan累积损伤准则,按照多级变幅荷载或随机荷载损伤度相等的原则,推导出了等效的等幅疲劳应力幅值计算公式,介绍了该公式应用于疲劳细节评估或疲劳寿命估算的方法。利用钢筋混凝土梁疲劳试验得到的S-N曲线和S-N方程,针对同批3根钢筋混凝土梁的随机疲劳试验结果,对该公式及方法进行了检验。结果表明,该公式计算结果具有较高的精度,与试验结果较接近且偏安全。该公式操作较方便,适合工程应用。     

基于柴油机考核工况的活塞高周疲劳寿命预测

针对柴油机台架耐久性试验规范规定的柴油机考核方法及工况,建立了多工况循环载荷作用下活塞高周疲劳寿命预测流程;采用Abaqus有限元分析软件建立活塞温度及应力计算模型,通过与试验数据对比进行模型标定,计算了各工况下活塞温度场及应力;采用Femfat软件考虑温度场及各种修正因素的影响对活塞单工况下高周疲劳寿命进行预测,采用双线性累积损伤准则对柴油机考核工况下活塞疲劳寿命进行预测。结果表明:采用双线性累积损伤准则可便捷地进行多工况周期性载荷下活塞高周疲劳寿命预测;活塞冷却油腔位置处寿命最低,但可满足柴油机考核使用要求。     

某轻型汽车后桥壳体疲劳寿命分析

针对驱动桥壳疲劳寿命小易预测的问题,提出了基于有限元的桥壳疲劳寿命预测方法,并模拟桥壳试验条件下的疲劳载倚.借助疲劳寿命分析软件估算出桥壳各部分的疲劳损伤情况.与桥壳台架试验结果进行对比町知,试验数据和计算结果基本一致,由此表明基于有限元技术的桥壳疲劳寿命预测可行.     

系杆拱桥短吊杆疲劳损伤评估

钢管混凝土系杆拱桥短吊杆易发生断裂,引起严重的工程事故。基于ANSYS软件建立了石门水库特大桥的全桥空间精细化数值模型,并开展疲劳分析;考虑车辆类型、车辆行车的行车道、行车速度、车头距及轴重分布特征,编制了随机车流程序。对吊杆进行了影响线加载计算得到吊杆疲劳应力幅时程。基于钢绞线S-N曲线,采用雨流计算法,利用Miner线性累积损伤准则,评估短吊杆疲劳损伤度。研究结果显示:短吊杆100年时疲劳损伤度为0.795,表明如果仅仅考虑随机车流引起的疲劳损伤,其吊杆损伤度未超过1.0。     

BFRP布加固钢筋混凝土梁的变幅疲劳寿命试验研究

通过5根钢筋混凝土梁的抗弯疲劳试验,研究玄武岩纤维布、玄武岩/碳混杂纤维布、玻璃/碳混杂纤维布加固梁的变幅疲劳寿命,并根据Miner损伤理论、修正Miner损伤理论和Corten-Dolan损伤理论,对承受变幅疲劳载荷作用的FRP加固钢筋混凝土梁进行了疲劳寿命估算。结果表明,粘贴纤维布对钢筋混凝土梁的抗疲劳性能有极大改善,能显著提高梁的疲劳寿命;3种损伤理论估算出的寿命均偏安全,以修正Miner损伤理论的精度最好。建议在实际工程应用中采用修正Miner损伤理论进行FRP加固钢筋混凝土受弯构件的变幅疲劳寿命估算。     

基于损伤力学的沥青混合料疲劳寿命预估

该文根据损伤力学的相关理论,用循环耗散能定义为沥青混合料的损伤变量,在此基础上,根据疲劳试验结果推导出了损伤函数、损伤演化方程,并分析了该损伤模型与经典Miner线性损伤模型的关系,验证了该模型的非线性事实。最后应用该模型对沥青混合料的疲劳寿命进行了预估,计算结果与试验值比较接近,说明了该模型的可行性。     

基于结构应力法的斜拉桥锚箱疲劳寿命评估与试验研究

焊接钢结构的抗疲劳设计采用规范推荐的S-N曲线结合试验修正的方法,但由于疲劳细节和荷载的复杂性,很难找到相对应的S-N曲线且试验的成本较高。结构应力法可以从理论上对结构的疲劳寿命进行预测,近年来受到广泛关注。为了评估大连市滨海大道西延伸线工程斜拉桥锚箱结构的疲劳性能,开展了足尺模型试验,并基于结构应力法评估了锚箱的疲劳寿命。通过建立全桥有限元模型分析了各斜拉索的索力,并考虑平均应力的影响确定试验加载的最大峰值和最小峰值。在完成规范要求的疲劳循环后,为进一步探究锚箱超长期服役的疲劳性能,增大加载幅值经过276万次的疲劳加载,锚箱结构的力学性能和刚度均未出现明显变化。基于结构应力法预测锚箱的疲劳寿命为9.17×10~6次。综合结构应力法评估结果和疲劳试验研究表明锚箱的疲劳性能可靠,能够满足工程要求。     

电驱动总成差速器壳体疲劳可靠性分析

对电驱动总成的差速器壳体进行疲劳可靠性分析，采用ANSYS有限元仿真软件建立差速器壳体仿真模型，计算得到其应力水平及变化规律，基于Goodman平均应力修正法及Miner线性累积损伤理论预估差速器壳体各关键部位的疲劳寿命；同时搭建疲劳耐久试验台架，对差速器壳体的疲劳可靠性进行试验验证，发现经过一定试验循环后差速器壳体轴颈部位发生断裂，与仿真预测的失效部位一致。     

基于EIC增长的锈蚀钢筋混凝土梁疲劳寿命评估

锈蚀和疲劳荷载共同影响下的材料复合损伤机理十分复杂,会显著降低既有钢筋混凝土桥梁的使用寿命。为了能够准确地预测锈蚀钢筋混凝土梁的疲劳寿命,通过从材料到钢筋混凝土构件的跨尺度分析,提出了一种基于材料失效机理的锈蚀钢筋混凝土梁疲劳寿命评估方法。该方法以断裂力学和等效初始裂纹理论为基础,并且可以同时考虑钢筋的不同锈蚀形态。结合锈蚀钢筋的疲劳拉伸试验结果,提出了不同锈蚀水平下的应力集中因子表达式,结果表明随锈蚀率的增长,应力集中因子先增大后减小。然后将局部锈蚀导致的应力集中的影响融入到应力强度因子计算模型中;通过对试验数据进行拟合得到了钢筋疲劳裂纹速率增长分析模型,对该模型从等效初始裂纹尺寸到临界裂纹长度进行积分来实现钢筋混凝土梁的疲劳寿命预测。为了验证本评估方法的有效性,开展了电化学快速锈蚀钢筋混凝土梁的疲劳性能试验,试验梁失效形式均为受力主筋的疲劳断裂;采用扫描电子显微镜对疲劳失效后的锈蚀钢筋断口形貌进行了微观分析,对比了不同锈蚀程度下钢筋疲劳裂纹扩展形式的差异。将理论计算结果与本研究试验和已有文献中的试验值进行了比较,二者吻合较好,可为日后钢筋混凝土桥梁的腐蚀疲劳寿命评估提供科学依据。     

基于模糊理论的矿用自卸车车架疲劳寿命估算

鉴于低于但接近疲劳极限的应力,对构件是否产生损伤而影响其疲劳寿命这个问题存在一定的模糊性,针对某矿用自卸车车架,把模糊理论中的隶属函数引入其疲劳寿命估算,提出了模糊Miner方法。构建了车架有限元模型和整车刚柔耦合模型,分别通过车架应力试验和实车满载道路试验,验证了模型的正确性。根据矿山实际工况比例,由动力学分析得到各工况下车架的载荷谱,并根据材料疲劳寿命试验获得的S-N曲线和车架单位载荷应力分析,获取关键节点应力时间历程,对应力水平进行分级统计。经计算对比,采用模糊Miner方法比采用传统Miner方法估算的寿命更贴近实际情况。     

多级等幅荷载下沥青路面疲劳破坏研究

采用四点弯曲疲劳试验对沥青混合料的疲劳寿命进行了分析,并基于传统MINE疲劳损伤累积模型在多级等幅荷载沥下沥青混合料的疲劳损伤预测的弊端,结合非线性损伤模式提出了新型的沥青混合料疲劳预测模型。通过研究表明:多级荷载作用下,沥青混合料的耗散能、混合料的劲度模量及滞后角参数均表现出非线性变化趋势;由高应变水平向低应变水平转变时,沥青混合料劲度模量越易恢复;当多级荷载应变水平采用高—低,或由低—高—低的加载方式时,能有效提高沥青混合料的疲劳寿命,降低损伤进程。同时,根据多级荷载下沥青混合料的损伤变化呈一种非线性关系,建立的损伤累积模型能满足对沥青路面的疲劳损伤预测要求。     

GFRP筋混凝土板疲劳损伤分析

通过5个长为1600mm、截面尺寸为450mm×100mm的GFRP筋混凝土板进行试验,其中1个板进行静力加载试验,另外4个板进行疲劳加载试验,研究了应力比对玻璃纤维增强聚合物(GFRP)筋混凝土板疲劳性能的影响,并在此基础上,基于Palmgren-Miner和Carten-Dolan两种理论,进行了GFRP筋混凝土板正截面疲劳损伤理论分析。结果表明,与Palmgren-Miner理论分析结果相比,Carten-Dolan理论对GFRP筋混凝土板疲劳寿命的预测结果更接近于试验结果并偏于保守。     

钢桁梁悬索桥整体节点数值疲劳研究

以湖北白洋长江大桥为工程背景,采用数值模拟的方式开展钢桁架整体节点疲劳性能研究。文中基于有限元软件midas Civil建立全桥模型,采用推导得到的482 kN标准疲劳车加载,确定最不利节点位置。基于英国规范BS5400和Miner线性累积损伤理论公式,计算得到最不利节点各杆件200万次等效轴力辐。使用ANSYS Workbench建立1∶4缩尺模型,对整体节点进行数值疲劳分析。结果表明,整体节点疲劳试验过程中,最小疲劳寿命为200万次,最小的疲劳安全系数为1.26,大于最低值1,故该整体节点的疲劳性能满足设计要求。     

定侧压混凝土双轴拉-压疲劳累积损伤试验研究

在对有限预应力混凝土桥梁结构进行损伤分析与剩余寿命估算时,为了解混凝土在双轴波动拉-压应力作用下的疲劳强度和损伤特性,通过室内小尺寸的变截面棱柱体试件的双轴疲劳试验,得到了定侧压下混凝土等幅和变幅重复荷载作用下的轴心拉-压疲劳方程和疲劳变形特性。由等幅疲劳变形模量定义了损伤变量,拟合试验结果得到了相应的损伤演化方程;依据损伤演变与损伤状态、加载条件间的相关性,建立了相应的疲劳损伤模型。研究表明:极限疲劳割线模量衰减率可作为混凝土发生拉-压疲劳破坏的标志;用规范化的疲劳变形模量定义损伤变量,建立的损伤累积模型,用于疲劳损伤分析和剩余寿命预测时具有较高的精度。     

基于名义应力法的疲劳卡片构建方法研究

基于有限元的疲劳寿命预测可应用于各行业,疲劳寿命预测精度的提高,离不开有效的材料疲劳卡片,疲劳卡片反映了载荷水平与疲劳寿命的关系。通过设计合理的材料试样的疲劳试验,结合试验与有限元计算,计算不同损伤参量创建应用于疲劳寿命分析的材料疲劳卡片,同时对疲劳卡片的仿真精度进行了验证。结果表明,基于名义应力法构建的疲劳卡片具备较高的预测精度,结合材料试验数据与仿真结果构建的多应力比S-N疲劳卡片,可用于其他适用于应力疲劳分析的零部件疲劳寿命分析,为提高零部件疲劳寿命预测精度提供新的技术途径,为零件的前期结构设计提供参考,可在不同领域进行推广并开展进一步分析研究。     

沥青路面的双向疲劳损伤

疲劳损伤是沥青路面技术体系中的一个重要问题，各种设计方法中都建立了相应的疲劳设计模型。为研究全寿命周期内沥青路面的疲劳演化行为，基于RIOHTrack足尺环道开展了6 000万次加载试验，获得了19种不同结构形式的疲劳损伤状态，研究提出了沥青路面的双向疲劳损伤模式，即：在行车荷载作用下，沥青路面同时产生自上而下和自下而上的疲劳损伤。其中：自上而下的疲劳损伤是由压剪荷载造成的，根据路面结构形式的不同，一般表现为T-D横向疲劳裂缝与车辙变形的对偶式损伤；自下而上的疲劳损伤是由整体性材料结构层的层底弯拉荷载引起的，是一种传统的疲劳损伤模式。需要指出的是，单一某个结构层的弯拉疲劳破坏并不会导致整体结构的破坏，即某一结构层的疲劳寿命并不等于整体结构的疲劳寿命。针对自下而上的疲劳损伤模式，提出疲劳寿命逐层累积的分析方法，以完善沥青路面弯拉疲劳寿命的评估。