疲勞力學(xué)

由鑄造工藝生產(chǎn)的鑄鋼節(jié)點(diǎn)，形式靈活，力學(xué)性能優(yōu)良，正逐漸廣泛應(yīng)用于大跨空間結(jié)構(gòu)中，并開(kāi)始應(yīng)用于承受疲勞載荷的結(jié)構(gòu)中。其環(huán)形對(duì)接焊縫是整個(gè)節(jié)點(diǎn)疲勞問(wèn)題的關(guān)鍵，對(duì)節(jié)點(diǎn)的疲勞行為起控制作用。作為新材料、新結(jié)構(gòu)型式，目前關(guān)于這種環(huán)形對(duì)接焊縫的疲勞力學(xué)性能的研究還極少，疲勞數(shù)據(jù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿(mǎn)足工程需要。本項(xiàng)目首先解決此類(lèi)焊縫的疲勞數(shù)據(jù)缺乏問(wèn)題，研究此類(lèi)焊縫的疲勞試驗(yàn)方法，進(jìn)行大量基礎(chǔ)疲勞試驗(yàn)，測(cè)出各種典型焊接細(xì)節(jié)的環(huán)形對(duì)接焊縫的S-N曲線。其次對(duì)熱點(diǎn)應(yīng)力法在此類(lèi)焊縫疲勞計(jì)算中的應(yīng)用進(jìn)行研究，通過(guò)有限元技術(shù)與光彈試驗(yàn)技術(shù)相結(jié)合，解決熱點(diǎn)應(yīng)力法分析此類(lèi)焊縫的關(guān)鍵問(wèn)題，包括焊縫局部有限元網(wǎng)格尺寸；各種焊接細(xì)節(jié)的熱點(diǎn)的位置和應(yīng)力計(jì)算；給出工程應(yīng)用的熱點(diǎn)應(yīng)力幅壽命曲線.本項(xiàng)目擬實(shí)現(xiàn)積累數(shù)據(jù)和建立數(shù)值分析方法的目標(biāo)，以解決工程中急需的基礎(chǔ)力學(xué)問(wèn)題，推廣鑄鋼節(jié)點(diǎn)這一新型工程材料和結(jié)構(gòu)形式的應(yīng)用，改善結(jié)構(gòu)的疲勞性能。

鑄鋼節(jié)點(diǎn)形式靈活，受力合理，目前已廣泛應(yīng)用于工程結(jié)構(gòu)中，但關(guān)于其疲勞問(wèn)題的研究還很少。鑄鋼節(jié)點(diǎn)的疲勞問(wèn)題包含兩部分內(nèi)容：鑄鋼本身的疲勞和鑄鋼與鋼管連接的環(huán)形對(duì)接焊縫的疲勞，因?yàn)殍T鋼部分的疲勞強(qiáng)度高于焊縫的疲勞強(qiáng)度，焊縫是整個(gè)節(jié)點(diǎn)疲勞問(wèn)題的關(guān)鍵。本項(xiàng)目針對(duì)鑄鋼節(jié)點(diǎn)疲勞問(wèn)題中的關(guān)鍵問(wèn)題，即環(huán)形對(duì)接焊縫的疲勞強(qiáng)度試驗(yàn)和熱點(diǎn)應(yīng)力法計(jì)算進(jìn)行研究。 （1）典型環(huán)形對(duì)接焊縫形式的疲勞試驗(yàn)。 根據(jù)國(guó)內(nèi)常用的鑄鋼節(jié)點(diǎn)焊接形式，設(shè)計(jì)了兩種不同的焊接細(xì)節(jié)進(jìn)行了小試件疲勞試驗(yàn)。小試件為從鑄鋼與鋼管環(huán)形對(duì)接構(gòu)件中截取的一部分帶焊縫的弧形試件。兩種細(xì)節(jié)的焊縫試件共試驗(yàn)了21個(gè)應(yīng)力級(jí)別的24根試件。根據(jù)Miner線性積累損傷準(zhǔn)則和最小二乘法，擬合了兩種鑄鋼節(jié)點(diǎn)環(huán)形對(duì)接焊縫的疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)，得出兩種焊縫細(xì)節(jié)的S-N曲線和P-S-N曲線?？偨Y(jié)出了兩種焊接細(xì)節(jié)的疲勞設(shè)計(jì)準(zhǔn)則表，其中分別給出了兩種焊接細(xì)節(jié)的疲勞極限和壽命曲線，并給出了焊接的具體構(gòu)造形式及焊接過(guò)程中的質(zhì)量要求。所獲得的疲勞強(qiáng)度數(shù)據(jù)為工程中焊縫抗疲勞設(shè)計(jì)提供了參考。 試件疲勞斷裂的斷面分析結(jié)果顯示，絕大部分試件的疲勞破壞均從焊根位置開(kāi)始，與傳統(tǒng)焊縫在焊趾位置起裂的破壞方式完全不同，這是由于焊縫兩邊鑄鋼與鋼管的顯著的厚度差造成的，這一結(jié)果為工程中鑄鋼節(jié)點(diǎn)環(huán)形對(duì)接焊縫的細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)提供了參考。 （2）熱點(diǎn)應(yīng)力法在鑄鋼節(jié)點(diǎn)環(huán)形對(duì)接焊縫疲勞計(jì)算中的關(guān)鍵問(wèn)題研究。 針對(duì)五種鑄鋼節(jié)點(diǎn)焊縫細(xì)節(jié)形式，進(jìn)行了精細(xì)有限元分析，確定所有焊縫細(xì)節(jié)的應(yīng)力值最大點(diǎn)均位于焊根處。 通過(guò)計(jì)算確定了不同焊縫形式的合理計(jì)算模型尺寸和合理模型網(wǎng)格尺寸。 基于國(guó)際通用的熱點(diǎn)應(yīng)力法和鑄鋼節(jié)點(diǎn)焊縫的有限元分析結(jié)果，推導(dǎo)了適用于計(jì)算焊根熱點(diǎn)應(yīng)力值的表面外推法和直接計(jì)算法。并對(duì)兩種方法的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了比較。 對(duì)熱點(diǎn)應(yīng)力法進(jìn)行了參數(shù)分析，結(jié)果顯示在相同邊界條件和加載情況下，五種類(lèi)型焊縫的焊根熱點(diǎn)應(yīng)力值均隨著鋼管壁厚和構(gòu)件半徑的減小而增加，并且?guī)缀醪浑S著墊板與焊縫間間隙大小的變化而改變。 計(jì)算了不同細(xì)節(jié)焊縫的焊根熱點(diǎn)應(yīng)力集中系數(shù)，并通過(guò)試驗(yàn)證明了其有效性。然后與本項(xiàng)目的鑄鋼節(jié)點(diǎn)焊縫疲勞試驗(yàn)結(jié)合，得到了兩種類(lèi)型焊縫的焊根熱點(diǎn)應(yīng)力壽命曲線（Shot-N）及其表達(dá)式。