一种用于岸桥金属结构的多轴疲劳寿命计算方法技术

本发明专利技术涉及岸桥金属寿命计算技术领域，且公开了一种用于岸桥金属结构的多轴疲劳寿命计算方法，包括以下步骤：S1：根据岸桥结构，建立岸桥三维模型，并将通过有限元软件对其进行强度分析，获得危险截面上危险点的应力

【技术实现步骤摘要】
一种用于岸桥金属结构的多轴疲劳寿命计算方法


[0001]本专利技术涉及岸桥金属寿命计算
，具体为一种用于岸桥金属结构的多轴疲劳寿命计算方法。

技术介绍

[0002]许多机械部件在服役期处于多轴循环应力应变状态下，多轴疲劳破坏是其主要的失效形式。在加载过程中会导致主应力和应变方向发生变化，从而导致附加硬化。相比于单轴疲劳，多轴疲劳涉及更为复杂的加载条件、构件几何、材料响应，因此目前还没有一种被普遍接受的失效准则。
[0003]单轴疲劳中裂纹萌生、扩展均沿固定平面，然而，在多轴疲劳加载中，裂纹的方向和长度取决于许多因素，如加载路径和材料性能。Findley，Reis]，Yang and Zhang分别研究了76ST61铝合金、三种不同钢、S45碳钢、2A12 T4铝合金和30CrMnSiA钢的裂纹行为。他们发现，试样的裂纹萌生和扩展行为受加载路径的影响。与单轴疲劳裂纹相比，多轴疲劳路径下裂纹的萌生和扩展行为更为复杂。
[0004]在非比例循环加载下，其应变主轴不断旋转，建立在有效应力、应变关系上的循环应力、应变关系不是唯一的，将取决于加载路径的形状。对于一些材料在非比例循环加载下循环本构行为的研究表明，非比例循环加载将产生明显的附加强化，并且明显地影响疲劳寿命。Socie对304不锈钢低周疲劳研究的结果表明，在圆路径下，附加强化增加一倍，寿命减少90％，对Inconel718合金，附加强化增加10～15％疲劳寿命减少50％。同样Chen对42CrMo钢的研究也得出了相同的结论。因此在研究非比例循环加载下的高周疲劳时，必须考虑附加强化对寿命的影响。
[0005]针对这些问题，国内外学者做了大量工作，根据多轴高周疲劳失效过程中不同的宏细现象，提出能够解决一些问题的方法，大致可分为三类：等效应力法、能量法、临界面法。
[0006]早期的损伤参量多基于静强度准则建立，它们可以较好的用于比例加载条件，但由于其不能考虑非比例加载下的寿命缩减现象因此无法用于非比例寿命预测.为弥补此不足，近几十年来众多模型被相继提出。根据所使用的损伤参量性质，多轴疲劳预测寿命模型可分为三类：等效应力法、能量法、临界面法。其中临界面法根据加载过程中裂纹形核和扩展的实验现象观察发展而来，有良好的多轴疲劳寿命评估能力和明确的物理意义，因此得到了广泛的应用。
[0007]伴随着复杂装备的发展，其设计、建造、检测、运行、维护等全寿命周期成本大幅度增加。同时，装备的复杂性大大增加了故障、性能退化以及功能失效发生的几率。因此如何通过现有技术实现对构件的疲劳寿命预测，达到视情维修的目的，减少不必要的损失是目前面临的最大问题之一。因此采用合理的、较准确的多轴疲劳寿命计算模型显得尤为重要。
[0008]起重机金属结构的工作应力值小于材料的屈服应力，应力应变成线性关系，属于高周疲劳，通常采用基于p
‑
S
‑
N曲线及Miner线性累积损伤原理的名义应力估算方法对其金
属结构件的疲劳寿命进行估算。名义应力法的基本思路为：从材料的S
‑
N曲线出发，考虑各种影响因素，得出构件的S
‑
N曲线，结合实测应力
‑
时间历程，利用Miner累积损伤理论及派生出来的寿命估算公式进行估算，再结合起重机的结构状态进行综合分析，估算起重机的安全使用期。其具体步骤如下：
[0009]1)数据采集：结构的寿命估算是建立在应力数据采集的基础上的，在现场测试中的采样数据要能够反映所检测起重机的实际工作状况，模拟起重机日常工作状况，测试典型工作循环的应力—时间历程曲线；
[0010]2)“雨流计数法”进行统计分析：对于随机载荷，抗疲劳设计中常用“雨流计数”统计应力—时间历程中的应力循环次数及规律，并应用古德曼等寿命曲线对实际的应力谱做修正，使之成为均值为0的等效载荷谱；
[0011]3)将所有的应力循环分成K级，并统计各级应力循环次数，得到其当量载荷谱，并利用构件的p
‑
S
‑
N曲线：
[0012]lgN＝lgC+mlgΔσ
[0013]4)根据用Miner累积损伤理论，计算测试工作循环下的累积损伤度：
[0014][0015]5)寿命估算
[0016][0017]根据各测点损伤度计算出所在构件的疲劳寿命，即各测点处构件在循环载荷下的有效循环次数。该方法常采用的疲劳寿命计算方法为：Miner准则或相对Miner准则，准则假设：疲劳损伤的积累是线性的,不考虑载荷间的相互效应。采用该准则(Miner准则)需通过Von Mises准则把多轴应力转化为等效应力，但有实验证明：在非比例加载下，采用转化后的等效应力计算疲劳寿命误差较大。

技术实现思路

[0018](一)解决的技术问题
[0019]针对现有技术的不足，本专利技术提供了一种用于岸桥金属结构的多轴疲劳寿命计算方法，具备提高预测精度的优点，解决了目前在非比例加载下，采用转化后的等效应力计算疲劳寿命误差较大的问题。
[0020](二)技术方案
[0021]为实现提高预测精度的目的，本专利技术提供如下技术方案：一种用于岸桥金属结构的多轴疲劳寿命计算方法，包括以下步骤：
[0022]S1：根据岸桥结构，建立岸桥三维模型，并将通过有限元软件对其进行强度分析，获得危险截面上危险点的应力
‑
时间历程；
[0023]S2：采集传感器对岸桥金属结构的监测数据，并整理分析获取应力
‑
时间历程；
[0024]S3：根据实测数据结合仿真应力
‑
时间历程对有限元模型进行修正；
[0025]S4：求解不同工况下岸桥危险截面所在位置；
[0026]S5：根据有限元分析结果，结合危险截面所处位置，搜索最大剪切应变幅截面，并
将该截面作为临界面；确定临界面的具体方法如下：
[0027]与轴线成θ角平面上的正应变和剪切应变可以表示为：
[0028][0029][0030]式中：ε
y
＝
‑
υε
x
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0031]将(2)代入(1)可得：
[0032][0033][0034]多轴加载下应变状态采用下式表达
[0035][0036]对于正弦波加载情况，在与试件轴线方向成θ角平面上的剪切应变幅和法向应变幅可以表示为如下形式：
[0037][0038][0039][0040]式中：
[0041][0042][0043]由(3)(4)知Δγ/2和Δε
n
/2的相位差为(ζ+η)，其范围为(
‑
π/2,π/2)，且当sin(ωt+η)＝1时，Δγ(θ)/2可以取得最大值，其值为：
[0044][0045]将上式对θ求导来获得最大剪切应变幅所在的位置，即：
[0046][004本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于岸桥金属结构的多轴疲劳寿命计算方法，其特征在于，包括以下步骤：S1：根据岸桥结构，建立岸桥三维模型，并将通过有限元软件对其进行强度分析，获得危险截面上危险点的应力
‑
时间历程；S2：采集传感器对岸桥金属结构的监测数据，并整理分析获取应力
‑
时间历程；S3：根据实测数据结合仿真应力
‑
时间历程对有限元模型进行修正；S4：求解不同工况下岸桥危险截面所在位置；S5：根据有限元分析结果，结合危险截面所处位置，搜索最大剪切应变幅截面，并将该截面作为临界面；确定临界面的具体方法如下：与轴线成θ角平面上的正应变和剪切应变可以表示为：与轴线成θ角平面上的正应变和剪切应变可以表示为：式中：ε
y
＝
‑
υε
x
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)将(2)代入(1)可得：将(2)代入(1)可得：多轴加载下应变状态采用下式表达对于正弦波加载情况，在与试件轴线方向成θ角平面上的剪切应变幅和法向应变幅可以表示为如下形式：以表示为如下形式：式中：
由(3)(4)知Δγ/2和Δε
n
/2的相位差为(ζ+η)，其范围为(
‑
π/2,π/2)，且当sin(ωt+η)＝1时，Δγ(θ)/2可以取得最大值，其值为：将上式对θ求导来获得最大剪切应变幅所在的位置，即：最大剪切应变幅所在的相位角θ
c
为：最大剪切应变幅表示为：将已知的υ
eq
，和λ代入上式，可求得θ
c
，由计算结果可知，在(
‑
π/2,π/2)范围内使Δγ
max
(θ)/2取极值的θ
c
有4个，其中两个极值(θ1,θ2)使Δγ
max
(θ)/2取到相同的最大值，此时：将θ1，θ2代入上式得到各自的法向应变幅值临界面定义为具有较大法向应变幅所在的剪切平面，因此临界面上法向应变幅取二者的较大值：S6：根据载荷谱及临界面位置，计算该面上的法向正应变、剪应变、正应力、剪应力，并记录法...

【专利技术属性】
技术研发人员：肖炳林，张氢，齐永志，秦仙蓉，庞颖威，周雄，容梓豪，赵伟龙，任重，吴嘉贤，
申请(专利权)人：广州港股份有限公司广州港股份有限公司南沙集装箱码头分公司同济大学北京泛泰克斯仪器有限公司，
类型：发明
国别省市：