管結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)疲勞設(shè)計(jì)

晃管結(jié)構(gòu)節(jié)饞點(diǎn)疲勞設(shè)峰計(jì)微［摘要］鉗本文分析漲了管結(jié)構(gòu)衡節(jié)點(diǎn)疲勞俱產(chǎn)生的原蜂因，提出咸了管節(jié)點(diǎn)枯疲勞設(shè)計(jì)弟的方法和殖抗疲勞設(shè)欺計(jì)的一般錦原則李關(guān)鍵詞醫(yī)爭管節(jié)螞點(diǎn)回恥疲勞設(shè)計(jì)閑一、焊接第結(jié)構(gòu)的疲缺勞問巧題樹1隸.稻疲勞現(xiàn)象興疲勞定義逐為由重復(fù)宮應(yīng)力引起除裂紋緩慢擋擴(kuò)展而造本成結(jié)構(gòu)部贊件的損傷慣。疲勞斷辣裂通常是蔑一種低名議義應(yīng)力破域壞，它和基脆性斷裂依有許多相鄙同或相近懸的特點(diǎn)，西例如斷裂匠前性變形拔很小，斷躁口平齊。魄但其本質(zhì)增與一般脆由斷不同。顫對(duì)焊接結(jié)欣構(gòu)而言，筑在反復(fù)荷抱載作用下跟，焊接接推頭的疲勞允破壞占結(jié)估構(gòu)破壞很壁大部分。危究其原因苗一般有以眨下兩點(diǎn)：招（崖1摘）應(yīng)力集煌中的影響紙焊接接頭襖的外型幾沿何變化以篩及因焊接殘而帶來的攔未溶合，粗未焊透、煙氣孔、夾司碴、裂紋件等焊接缺鬧陷所形成談的幾何不勢連續(xù)使焊括縫區(qū)出現(xiàn)較了明顯的牢應(yīng)力集中宵，尤以焊愿處處突出崗。耍事（命2施）焊接殘任余應(yīng)力的情影響焊接斧熱過程使紹焊接接頭錄周圍形成述了自身平骨衡的縱向瓦和橫向殘討余應(yīng)力，喂其值在焊柿縫附近通騎常會(huì)達(dá)到破材料的屈投服點(diǎn)。殘氧余拉應(yīng)力寸的存在極郵易引發(fā)疲裙勞裂紋，丟同時(shí)疲勞啦裂紋的擴(kuò)刻展速率也謠可能因殘智余拉應(yīng)力離而增大。誠在焊接接顧頭中，應(yīng)剝力集中點(diǎn)墨經(jīng)常和高呼值的殘余牌拉應(yīng)力點(diǎn)犁重合，使易疲勞問題右更加突出死。脆2屈.覽疲勞強(qiáng)度捉疲勞破壞株一般分為賠裂紋萌生傅、裂紋穩(wěn)繞定擴(kuò)展和園最終失穩(wěn)思斷裂二個(gè)僻階段。焊蒙接接頭的守疲勞強(qiáng)度箭主要由以候下兩點(diǎn)決冷定：世（衣1戚）裂紋萌南生過程，害它取決于裂焊縫的焊危趾和焊根肆處的局部口缺口應(yīng)力上狀態(tài)；尖（際2烈）裂紋擴(kuò)肯展過程，這它取決于屆裂紋（包臭括缺口效葵應(yīng)在內(nèi)）問的應(yīng)力強(qiáng)勞度因子。悶絕大多數(shù)表焊接接頭元的疲勞裂摸紋產(chǎn)生在傷焊趾處，隊(duì)其疲勞壽餓命主要由燃裂紋生長適擴(kuò)展決定弦。顯然接曉頭的最大筑缺口應(yīng)力你和應(yīng)力強(qiáng)震度因子決殺定其疲勞瓣強(qiáng)度。按葵斷裂力學(xué)梅原理，缺釀口尖端的程應(yīng)力強(qiáng)度海因子可寫窯成拼式中粘，腎y殘（耕c熔）功，動(dòng)y腥（把a(bǔ)莖）為幾何漸修正系數(shù)究，牧。地σ夾為垂直于倒裂紋的名眼義應(yīng)力憂，準(zhǔn)2歸c執(zhí)為半橢圓數(shù)形表面裂總紋長度犯，漏α層為裂紋深秧度匙，譯α北/c=e租"組。事實(shí)上棵，發(fā)生在稠焊縫處的老疲勞裂紋由多數(shù)都會(huì)東進(jìn)入焊接劑熱影響區(qū)冠或母材之啦中，從實(shí)更用出發(fā)，習(xí)只要最大溪缺口應(yīng)力斥及應(yīng)力強(qiáng)眾度因子與孫構(gòu)件的基狐本名義應(yīng)炒力成正比按，便可認(rèn)浸定它們?nèi)⊥矝Q于相鄰抗母材的名斬義應(yīng)力而想不取決于茂靜載作用想下起決定春性作用的憲焊縫名義黎應(yīng)力。嘩3攪焊接接頭果疲勞強(qiáng)度碧分析方法耳對(duì)焊接接降頭疲勞強(qiáng)聚度而言，鉤由于局部隱最大應(yīng)力首實(shí)際上起校著主導(dǎo)作飯用。因此瘋焊接接頭獨(dú)的疲勞強(qiáng)鞠度分析方蜜法可故有隱4德個(gè)不同的效層次：即濫名義應(yīng)力棒評(píng)定法、脹結(jié)構(gòu)應(yīng)力巴評(píng)定法、形缺口應(yīng)力觀評(píng)定法和氣斷裂安全態(tài)性評(píng)定法猶。部這煙4冤種方法既肯可相互配榜合使用，憶又可各自菜單獨(dú)使用冰。眨（害1心）名義應(yīng)毯力評(píng)定方匆法是用材危料力學(xué)方雄法來確定劍構(gòu)件斷面樓上的名義衛(wèi)應(yīng)力是否但小于疲斷械裂時(shí)的持夸久名義應(yīng)嘴力。該方貿(mào)法是用得漢十分廣泛解的基本方跟法。名義渾應(yīng)力寫耍作澆σ斧N棕。咬(2斜)格結(jié)構(gòu)應(yīng)力裹評(píng)定方法攏要求除名白義應(yīng)力外邪還應(yīng)采用洲解析或有插限元法確球定無缺口占效應(yīng)的結(jié)姐構(gòu)非均勻免應(yīng)力分布世情況，又洞稱幾何應(yīng)葛力法或熱擔(dān)點(diǎn)應(yīng)力法摸（唇Hot翅spot繁str帝ee世s勤）。熱點(diǎn)都應(yīng)力指最糊大結(jié)構(gòu)應(yīng)績力或結(jié)構(gòu)看中控制截蕩面的危險(xiǎn)猴點(diǎn)應(yīng)力，委寫針作滔σ裹G耳。雨（歇3怎）缺口應(yīng)競力評(píng)定法句作分析時(shí)故除名義應(yīng)與力和結(jié)構(gòu)棒應(yīng)力外，綢還應(yīng)確定翻焊趾和焊墾縫根部的品應(yīng)力集中酬。在焊接采結(jié)構(gòu)分析若中迄今只帖用于某些滋特殊場合棕。榮（巴5釋）焊接接物頭疲勞設(shè)鋸計(jì)方法焊攜接接頭缺絹口等級(jí)的圣劃分取決懼于接頭形茅式、焊縫勢類型、加季載情況和侍制造加工美質(zhì)量以及那缺陷狀況多，通常以健疲勞試驗(yàn)圣（而不是儲(chǔ)應(yīng)力分析控）的結(jié)果栗為基礎(chǔ)威。宜a汁．應(yīng)力幅崇（應(yīng)力脈久動(dòng)量）叉b罵．細(xì)節(jié)分暑類對(duì)不同領(lǐng)的焊接頭滾給予特定爆的結(jié)構(gòu)細(xì)黃節(jié)名稱，織該類型既闊考慮了細(xì)嚷節(jié)的局部勉應(yīng)力集中室，可接受穩(wěn)的最大不侵連續(xù)性尺腥寸和形狀棚，受力方玉向，冶金忌效應(yīng)，殘旗余應(yīng)力，隱疲勞裂紋潑形狀；在葬某些情況修下還考慮廟了焊接工械藝和焊后揪的改善處猴理。對(duì)于洞任一給定角的細(xì)節(jié)類冶型，不同戶強(qiáng)度等級(jí)范的鋼材疲碧勞強(qiáng)度間短的差別易很少，可栽略去不計(jì)溪。筑c準(zhǔn)．伸S-權(quán)N椒曲線在給張定應(yīng)力幅菊的情況下起，特定細(xì)表節(jié)類型的舅焊接接頭畜疲勞強(qiáng)拋度禁S淹與循環(huán)次哄數(shù)春N倦的關(guān)系可奧用的S欠－檢N恨曲線來描恢述亂，街S-貢N再曲線需經(jīng)黃疲勞試驗(yàn)甲獲得。曲蒜線上的每等一特征點(diǎn)團(tuán)必須尼用益8鋤～期1佳2所個(gè)試驗(yàn)條桿件完全相丟同的試驗(yàn)誘數(shù)據(jù)經(jīng)統(tǒng)白計(jì)，并楊有綱97.甲7虜％的保證鉤率治。液怖S趁－健N待曲線上的球應(yīng)力可為說名義應(yīng)力候（名義應(yīng)澤力幅），腦也可為結(jié)勉構(gòu)應(yīng)力（之熱點(diǎn)應(yīng)力柄）連，窄S晝－孫N悉曲線法是埋疲勞設(shè)計(jì)叔是采用最傳多的方法均。對(duì)焊接緞接頭，常脅幅疲勞下?lián)系腻aS-夠N縣曲線可寫件作槽NS毀"其＝蘇C根，一般膀取添3泊～個(gè)5鑒，顯然不堆同細(xì)節(jié)類嚷型的焊接僵接頭構(gòu)顫成墳S-博N屑曲線組，岡其言S杯直接采用京應(yīng)力伯幅毅σ捷。偶d露變幅疲勞難和疲勞積喬傷為了估爭價(jià)變幅應(yīng)腦力的作用佩，采巖用祖Mine桐r淚線性積傷魂假設(shè)。通庫過這個(gè)假控設(shè)把疲勞選的隨機(jī)加哀載（變幅嚼疲勞）和慧常幅棟的萄S釘．古N傳曲線聯(lián)系糧起來。線丈型積累損耗傷法認(rèn)為左，當(dāng)不同私施加的循儀環(huán)比的總裂和淹為昂1旋時(shí)，接頭鐵就會(huì)發(fā)生榨破壞，寫且成帽式中枝，酸n鵝i堆為纖在異σ暈i簽下的循環(huán)焰次數(shù)乏，券N蛋i衛(wèi)為晌在糊σ霧i羨作用下破裕壞的循環(huán)寒次數(shù)。茫二、管結(jié)浙構(gòu)節(jié)點(diǎn)的健疲勞補(bǔ)現(xiàn)代管結(jié)紡構(gòu)多采用秋主支管直鞏接相貫焊喬接的節(jié)點(diǎn)耗構(gòu)造型式鵲。在節(jié)點(diǎn)臺(tái)中，荷載紋由支管直仿接傳給主萬管。由于順支管的軸帥向剛度遠(yuǎn)源遠(yuǎn)大于主致管的徑向進(jìn)剛度，支適全管的相拼貫線成為旱整個(gè)結(jié)構(gòu)薯的薄弱環(huán)刃節(jié)。該處守不僅會(huì)出帝現(xiàn)很高的框應(yīng)力集中封（應(yīng)力集閑中系數(shù)可授高荷達(dá)側(cè)2故0脅）而且又躁存在有焊貴接缺陷和止焊接殘余啊拉應(yīng)力，尊多種不利跌因素相疊取加使管節(jié)襖點(diǎn)對(duì)交變選荷載的抵唱抗能力較喉低，疲勞咱裂紋往往定起源于高秘應(yīng)力區(qū)的錢初始缺陷葛處，常常出在益"穗熱嚼點(diǎn)律"薦附近由表樸面裂紋擴(kuò)潤展并穿透漠管壁，逐劣步擴(kuò)展而窮使節(jié)點(diǎn)破茫壞，導(dǎo)致輔整體結(jié)構(gòu)計(jì)承載力的匪喪失。近釀年來，隨晴著管結(jié)構(gòu)蓮在海洋工倡程中海上頭平臺(tái)的大搞量使用，及其節(jié)點(diǎn)靜助力強(qiáng)度和異疲勞壽命拜已經(jīng)成為櫻管結(jié)構(gòu)設(shè)蘿計(jì)中的一務(wù)個(gè)重要課陷題。合理禾的節(jié)點(diǎn)構(gòu)扇造及其設(shè)暗計(jì)方法引腹起了以美戴英為中心粘的歐美各吸國及日本災(zāi)的關(guān)注，吵共潛有借4惡0遙余個(gè)試驗(yàn)透室進(jìn)行了龍管節(jié)點(diǎn)疲顫勞試驗(yàn)的街研究。我倆國也問于毯198趴3趕年成立了電海上平臺(tái)缸管節(jié)點(diǎn)研保究委員會(huì)維》肆（量TJCO辛S圍）就管節(jié)哄點(diǎn)應(yīng)力分撲析、承載患能力、疲襖勞設(shè)計(jì)方饒法及疲勞抓試驗(yàn)等方泛面開展了猶有效的工階作。中國還船級(jí)社迫于店199凱2宴年正式頒記布哭了倘"想海上固定氣平臺(tái)八級(jí)界與建造規(guī)庸范弦"蛋對(duì)海上平毯臺(tái)管結(jié)構(gòu)拋節(jié)點(diǎn)的靜哨力與疲勞鍵設(shè)計(jì)有了華明確的規(guī)偽定。這對(duì)閉于橋梁管磨結(jié)構(gòu)的設(shè)送計(jì)也有極職好的參考租價(jià)值胸。領(lǐng)關(guān)1胖管節(jié)點(diǎn)的虹應(yīng)力加管節(jié)點(diǎn)的盼應(yīng)力分布姻是影響疲裳勞壽命的賽重要因素俱，它是進(jìn)檢行疲勞設(shè)危計(jì)的基礎(chǔ)德。酒(容1慧）名義應(yīng)道力與沖剪拍應(yīng)力管節(jié)額點(diǎn)的應(yīng)力鵲分析以總半體結(jié)構(gòu)分賞析為基礎(chǔ)廉，按通常斗結(jié)構(gòu)力學(xué)覆方法確定若桿件內(nèi)力嬸，因此而就求得的杯刑件截面應(yīng)交力稱為名躁義應(yīng)力記們作渾σ般n續(xù)。多數(shù)情近況下，名耕義應(yīng)力中械軸向應(yīng)力呼最大，彎挖曲應(yīng)力次烈之，扭轉(zhuǎn)前應(yīng)力極小陡。一般節(jié)晨點(diǎn)中卵，顧2/找3嗽以上的應(yīng)鞭力是支管改軸力所引伍起，因而聞可以認(rèn)為敬支管僅受帆軸向力。亂支管向主鐘管力的傳甚遞可假定右由均勻分雜布的弦管哄剪力所承酸擔(dān)，稱為吸沖剪應(yīng)挪力選V抵p慰：塔式中慶，損θ涂為支管與噸主管的夾贏角謠，惜F千a昂和序F礦b亞分別表示偽名義軸向賭應(yīng)力和名球義彎曲應(yīng)鏡力。沖剪匪應(yīng)力作用展示意見抽圖允1阿。完(2魂)虛．幾何應(yīng)慧力與局部候應(yīng)力弦管桐是支持支匹管的彈性畏基礎(chǔ)，在抄相貫線上向，沿支管州軸向剛度還愈大，反墾作用力愈趙大。每一坡點(diǎn)上的反烘作用力可獵分解成弦陸管環(huán)向力西和徑向力米，前者主友要引起中世面應(yīng)力，鋤后者則造蚊成弦管彎鍛曲應(yīng)力，鞏弦管在交蹤接線表面飛上的應(yīng)力遞是由這兩供種應(yīng)力疊村加而成，睜稱為幾何壤應(yīng)力。管傻節(jié)點(diǎn)最大越幾何應(yīng)力研通常在弦衫支管交線朋處于弦管盲一邊，發(fā)教生的最大凳幾何應(yīng)力填即為熱點(diǎn)牧應(yīng)力忍用奔σ昆G鬧表示。如微果采用相威應(yīng)的幾何劇應(yīng)力集中袍系唇數(shù)帥K慎G汪，則熱點(diǎn)尺應(yīng)奉力扛σ范G習(xí)=K妥G醒σ其N檔，再考慮是焊趾幾何爛型狀的影顧響，引入鞋局部應(yīng)力蘋集中系確數(shù)抽K府W廉，其局部違應(yīng)禾力青σ芒L寺=K得w兵σ塵G劫，局部應(yīng)鞭力凝σ瞎L瞇還可以名楊義應(yīng)唇力憤σ處N吹表示，記旋為棵σ窮L新＝比K合G復(fù)K妹W正。熱點(diǎn)應(yīng)秩力示意見穿圖孕2管（桂3家）省節(jié)點(diǎn)擱疲勞設(shè)計(jì)劉的應(yīng)力選愛擇由于管啊節(jié)點(diǎn)的應(yīng)記力組成和僚分布十分雙復(fù)雜，采裙用忘S?。璑捏曲線進(jìn)行蓬疲勞設(shè)計(jì)番時(shí)，首先巖，涉及其賺設(shè)計(jì)應(yīng)復(fù)力腿S旺的選擇，倘對(duì)此，根晚據(jù)疲勞試努驗(yàn)的情況暖，世界各蛋國比較一噴致地認(rèn)為找選用熱點(diǎn)旋應(yīng)抱力塑σ傻G敬和相應(yīng)的婦應(yīng)力集中糠系肉數(shù)耍K殖G擊比較合理側(cè)。求（殖4樹）省節(jié)點(diǎn)底的應(yīng)力分動(dòng)析管節(jié)點(diǎn)晌應(yīng)力分析明可采用有倆限元法，震試驗(yàn)分析始法和幾何朝應(yīng)力參數(shù)譯法（無量浮細(xì)分析法慎）。有限亞元分析時(shí)捆，利用荷等殼單元可還直接求得遵結(jié)構(gòu)應(yīng)力菊口雕C廁。采用試第驗(yàn)分析時(shí)帝需利用節(jié)步點(diǎn)模型試單驗(yàn)實(shí)測幾軋何應(yīng)力。蕉由于管節(jié)去點(diǎn)的種類策繁多，不嗚可能對(duì)每尖一節(jié)點(diǎn)在抖多種荷載歲作用下均量采用前兩嘩種方法，論因而可采瘋用在有一扁定參數(shù)某遍礎(chǔ)巷L(fēng)握的無量勇綱南l疏析法來確死定幾何應(yīng)完力集中系擺數(shù)比的表帆連式內(nèi)的巴各項(xiàng)參數(shù)熟，用以推符求幾何應(yīng)敲力泛σ美G匹＝腸K涉G榴σ讀N括。鋒（腸5獨(dú)）管節(jié)點(diǎn)辭的疲勞裂爹紋由于管奏節(jié)點(diǎn)的幾撕何形狀及蛋應(yīng)力狀態(tài)狀均很復(fù)雜貍，管節(jié)點(diǎn)葡的疲勞裂暴紋一般出濫現(xiàn)在具有辯高應(yīng)力集俊中的主偵管熱點(diǎn)處穗的焊趾附名近。首先乒出現(xiàn)～系扒列間距很瘡接近的微隨裂紋，當(dāng)喪其增長到抱幾毫米后匠，這些裂揭紋連接在涌一起形成甩以熱點(diǎn)為娃中心的單隱一裂紋。脾一般表面君裂紋擴(kuò)展俘到獸6線0畝％周長時(shí)裹，節(jié)點(diǎn)剛挺度仍然無井顯著變化啟，直到裂昂紋貫穿主侄管壁厚，嫁承載力喪廢失。自三、省節(jié)枕點(diǎn)的疲勞棍設(shè)計(jì)方潑法顏漁1菌幾種實(shí)用蟻的稱S麥－見－莫N課曲線睜S-鼓N膽曲線是管容節(jié)點(diǎn)疲勞只分析的密常準(zhǔn)和疲勞園累積損傷耽計(jì)算的基界礎(chǔ)。對(duì)管徑結(jié)構(gòu)目前違國際上通擠常使用的奸有美國石搶油學(xué)會(huì)盞（干AP森I冰）美國焊第接學(xué)會(huì)撤（翁AW嘆S鑄），國際勸焊接學(xué)會(huì)坊（吧II烘W旬）歐洲鋼不結(jié)構(gòu)學(xué)會(huì)鎮(zhèn)（手EC陪h研），挪威肚船級(jí)社紫（臘DN贈(zèng)V始）宋的轟S灘－恐N嗚曲線當(dāng)。粥AP皺I扮推薦用熱飼點(diǎn)應(yīng)力，概同時(shí)要求劍接沖剪應(yīng)捐力驗(yàn)算弦圍管的疲勞崖強(qiáng)度。對(duì)仇熱點(diǎn)應(yīng)力漫的確定可倆采用匕達(dá)繡三種方法哈中任一種儀。憑S風(fēng)－因N偉曲線一般象考慮了管養(yǎng)節(jié)點(diǎn)的形計(jì)式旦（房TY秤K細(xì)型）、焊食接狀況（昌熔透型式隸，焊接形姑狀）、應(yīng)糠力種類（蠶名義應(yīng)檔力響σ語N紐。）。沖航剪應(yīng)票力拖V闖p據(jù)，熱點(diǎn)應(yīng)駱力獵σ室G據(jù)（炎σ我G咱=K棚G甜σ斯N醬）使用時(shí)當(dāng)必須根據(jù)溫這些因素拿來適當(dāng)選兔取趣。謝S-白N燈曲線也可基用數(shù)學(xué)表傭公式來描鋒述，撓如桐AP航I滔的曲線遮族膝N跪＝禾2,00猾0,00仆0尿（絕σ豈R擠／五σ伶ref)晨-m借。曲異線倚X克和零D損"諷，咳E寶'勉分別適宅用犁T閣，巖Y咬，吹K銀型管節(jié)點(diǎn)沖采用熱點(diǎn)頑應(yīng)力和名增義應(yīng)力來訓(xùn)進(jìn)行疲勞睛設(shè)計(jì)；曲驗(yàn)線炊K凳適用旅于鴉K板型拔、仇T滔型奪和柔Y筆型節(jié)點(diǎn)的誘沖剪應(yīng)力雜疲勞設(shè)計(jì)狠。要求節(jié)親點(diǎn)焊縫為值全焊透，豈外型光滑都過渡到母乞材。不難鋪看出旁，冷X互與廣曲線點(diǎn)差別在于胖分別采用準(zhǔn)熱點(diǎn)應(yīng)力錯(cuò)。和名義設(shè)應(yīng)力。來妻設(shè)計(jì)價(jià)，奧V坦相當(dāng)自于物N過＝慘2000骨00鴿0越時(shí)適S墳N朱曲線上的臨應(yīng)力淡幅鐮S齡，前者扛為協(xié)100辟M(fèi)P閣a象，后者趨為限40M水P兇a測，梢2臣．論5匯倍之差即剩為應(yīng)力集住中系火數(shù)峰K附G鐵。衫而牢E旁'妹因采用部至分溶透焊置縫，應(yīng)力雨集中嚴(yán)重奏，窩其黃σ筑N臉較眠之雪D粘'蘿曲線更低標(biāo)，見鬧表塔1擴(kuò)。稻我國海上斧固定平臺(tái)蔬八級(jí)建造姥規(guī)份綁中全S慧－魄N揮曲線也采咱用了數(shù)學(xué)涌表達(dá)式的面型式。對(duì)已比國外幾可種不同規(guī)捐范禿的嘴S粉－邊N臟曲線見暴圖聰3綢（牙2厭）壁厚修既正公式捏S-耗N柴曲線一般協(xié)是根緊據(jù)洗t子＝懂15m右m懷時(shí)的試驗(yàn)胳結(jié)果統(tǒng)計(jì)紐而成，因片結(jié)構(gòu)疲勞孟強(qiáng)度有隨日壁厚增加村而下降的哄趨勢，若跨結(jié)構(gòu)壁厚帝超過規(guī)定兆的范圍則懂需要修正捧。物愿四、焊接子接頭執(zhí)疲露勞設(shè)計(jì)一筆般原則藏對(duì)焊接接睛頭而言，曾良好的構(gòu)混造細(xì)節(jié)和螺有效的焊狀接后處理右措施將提骨高接頭疲逝勞壽命，坊是抵抗結(jié)峰構(gòu)疲勞破投壞重要手頁段。在設(shè)演計(jì)中～般下應(yīng)遵循以版下原則：慚（旗l壯）構(gòu)件間癥的連接盡德量避免剛謠度突然變遺化。法（限2谷