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焊接钢结构疲劳强度与寿命预测理论的研究

管德清  
【摘要】: 本文应用三维有限元理论,构造了一类五面体6~15节点单元的形函数,提出了在五面体单元内的Gauss积分处理方法,建立了相应的单元刚度矩阵,将其与六面体8~21节点单元结合,可用于计算焊接钢结构的应力场。采用这两类单元计算了错位板接头、T型板接头、工字梁焊接钢结构和工字梁十字接头的应力场,得到了相应的理论应力集中系数公式。 本文以Rice-Levy的线弹簧模型为基础,构造了一种八节点线弹簧单元,得到了单元的刚度矩阵。编制了五面体单元、六面体单元和八节点线弹簧单元相结合的计算程序,计算了T型板接头表面裂纹的应力强度因子,计算值与光弹性试验结果吻合较好。计算表明,用线弹簧单元和有限元相结合的方法,计算表面裂纹的应力强度因子,可以大量减少计算工作量,且具有良好的计算精度。 本文在引入“最坏切口”概念的基础上,分别建立了对称循环和非对称循环时焊接钢结构有效应力集中系数的理论预测模型。该模型考虑了材料、几何形式、荷载形式、应力比、尺寸效应、残余应力及焊趾根部短裂纹等因素对疲劳强度的影响。通过对几类典型焊接钢结构疲劳强度的理论预测与疲劳试验结果的比较,验证了理论模型的正确性。 本文分别建立了焊接钢结构疲劳强度预测的面积法和应力场强法的理论。利用面积法和应力场强法,通过有限元计算分析,预测了错位板接头、T型板接头和十字型板接头在对称循环和非对称循环时的疲劳强度,并与疲劳试验进行了比较,理论预测与试验基本一致。 本文以有效应力集中系数预测模型为基础,分别建立了对称循环和非对称循环时焊接钢结构S-N曲线的理论预测方法。并通过试验验证了方法的有效性。采用本文方法预测S-N曲线可以大量减少疲劳试验,节省人力、物力和时间。 本文建立了任意存活率下焊接钢结构P-S-N曲线预测的一点法,均方差曲线法极大似然法。这些方法以S-N预测曲线为基础,只需补充少量疲劳试验即可获得P-S-N曲线,对工程应用有一定参考价值。 本文采用应力应变能密度的Molski-Glinka方程,建立了一种预测焊接钢结构疲劳裂纹形成寿命的能量方法。该方法引入了极值疲劳切口系数,并考虑了焊接残余应力对裂纹形成寿命的影响。通过与试验的比较发现,该方法比Neuber法具有更高的预测精度。 本文应用断裂力学理论,对焊接钢结构表面裂纹扩展过程中裂纹几何形状的变 化规律进行了探讨,提出了疲劳裂纹扩展寿命的预测方法,给出了相应的数值计 算理论。


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