結(jié)構(gòu)的疲勞失效與疲勞控制設(shè)計(jì)課件

控制疲勞失效的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)8結(jié)構(gòu)的疲勞失效與疲勞控制設(shè)計(jì)2fatiguefailureInmaterialsscience,fatigueistheprogressiveandlocalizedstructuraldamagethatoccurswhenamaterialissubjectedtocyclicloading.Themaximumstressvaluesarelessthantheultimatetensilestresslimit,andmaybebelowtheyieldstresslimitofthematerial.8結(jié)構(gòu)的疲勞失效與疲勞控制設(shè)計(jì)2工程結(jié)構(gòu)疲勞設(shè)計(jì)無限壽命設(shè)計(jì)：使結(jié)構(gòu)永遠(yuǎn)不發(fā)生疲勞破壞。有限壽命設(shè)計(jì)：結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)年限內(nèi)不發(fā)生疲勞破壞。耐久性設(shè)計(jì)：應(yīng)用于結(jié)構(gòu)維修與更換。8結(jié)構(gòu)的疲勞失效與疲勞控制設(shè)計(jì)2相關(guān)概念交變應(yīng)力材料疲勞破壞機(jī)理材料疲勞強(qiáng)度結(jié)構(gòu)疲勞壽命與疲勞設(shè)計(jì)8結(jié)構(gòu)的疲勞失效與疲勞控制設(shè)計(jì)2交變應(yīng)力結(jié)構(gòu)在受到交變荷載作用下，會產(chǎn)生交變性的應(yīng)力交變性載荷通常有兩類：工作荷載中的交變荷載環(huán)境荷載中交變性荷載8結(jié)構(gòu)的疲勞失效與疲勞控制設(shè)計(jì)2交變應(yīng)力

8結(jié)構(gòu)的疲勞失效與疲勞控制設(shè)計(jì)2FaaFDCBA

交變應(yīng)力

(alternativestress）

——應(yīng)力隨時間交替變化FQFFMFatσ8結(jié)構(gòu)的疲勞失效與疲勞控制設(shè)計(jì)2隨機(jī)交變應(yīng)力（應(yīng)變）結(jié)構(gòu)受環(huán)境荷載作用，大多為隨機(jī)的動力響應(yīng)，表現(xiàn)為隨機(jī)應(yīng)力。隨機(jī)荷載作用的結(jié)構(gòu)疲勞分析是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容。8結(jié)構(gòu)的疲勞失效與疲勞控制設(shè)計(jì)2旋轉(zhuǎn)機(jī)器的振動8結(jié)構(gòu)的疲勞失效與疲勞控制設(shè)計(jì)2結(jié)構(gòu)材料疲勞破壞機(jī)理8結(jié)構(gòu)的疲勞失效與疲勞控制設(shè)計(jì)2疲勞破壞過程結(jié)構(gòu)的疲勞是由于裂紋不斷開裂形成最后的破壞。對于光滑表面是如何導(dǎo)致疲勞破壞的？8結(jié)構(gòu)的疲勞失效與疲勞控制設(shè)計(jì)2初始缺陷滑移滑移帶初始裂紋(微裂紋)宏觀裂紋脆性斷裂光滑表面的疲勞破壞8結(jié)構(gòu)的疲勞失效與疲勞控制設(shè)計(jì)2

疲勞初始裂紋的形成晶粒8結(jié)構(gòu)的疲勞失效與疲勞控制設(shè)計(jì)2疲勞斷口特征包括兩部分:光滑面與粗糙面。疲勞源區(qū)疲勞裂紋擴(kuò)展8結(jié)構(gòu)的疲勞失效與疲勞控制設(shè)計(jì)28結(jié)構(gòu)的疲勞失效與疲勞控制設(shè)計(jì)2工程結(jié)構(gòu)的疲勞設(shè)計(jì)8結(jié)構(gòu)的疲勞失效與疲勞控制設(shè)計(jì)2結(jié)構(gòu)疲勞設(shè)計(jì)的幾個概念低周疲勞破壞高周疲勞破壞有限壽命疲勞設(shè)計(jì)（S-N曲線法）損傷容限疲勞設(shè)計(jì)（斷裂力學(xué)法）8結(jié)構(gòu)的疲勞失效與疲勞控制設(shè)計(jì)2材料的疲勞S-N曲線8結(jié)構(gòu)的疲勞失效與疲勞控制設(shè)計(jì)2獲得材料S-N曲線的實(shí)驗(yàn)方法加載方法：交變加載，脈動加載。試驗(yàn)制備：彎曲，拉伸I試驗(yàn)過程與曲線獲得。8結(jié)構(gòu)的疲勞失效與疲勞控制設(shè)計(jì)2疲勞試驗(yàn)加裁交變應(yīng)力8結(jié)構(gòu)的疲勞失效與疲勞控制設(shè)計(jì)2疲勞試件8結(jié)構(gòu)的疲勞失效與疲勞控制設(shè)計(jì)2疲勞試驗(yàn)裝置8結(jié)構(gòu)的疲勞失效與疲勞控制設(shè)計(jì)2對稱循環(huán)疲勞試驗(yàn)機(jī)8結(jié)構(gòu)的疲勞失效與疲勞控制設(shè)計(jì)2

按照作用的循環(huán)應(yīng)力的大小疲勞低應(yīng)力，高疲勞周期）高應(yīng)力，低變疲勞周期Smax－循環(huán)應(yīng)力Sy－屈服應(yīng)力Smax<SySmax>SyNf<104Nf>104低周與高周疲勞高周疲勞也稱應(yīng)力控制疲勞,是大多數(shù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)依據(jù)。低周疲勞也稱應(yīng)變控制疲勞，是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)避免的工況，也是設(shè)備檢修的依據(jù)。8結(jié)構(gòu)的疲勞失效與疲勞控制設(shè)計(jì)2關(guān)于結(jié)構(gòu)的低周疲勞破壞結(jié)構(gòu)低周疲勞破壞指在很少的應(yīng)力循環(huán)周期內(nèi)，結(jié)構(gòu)就疲勞破壞了。通常只有幾千次。疲勞設(shè)計(jì)通常要求高周疲勞破壞。低周疲勞通常引起事故。渤海上部管線的振動斷裂為低周疲勞破壞。8結(jié)構(gòu)的疲勞失效與疲勞控制設(shè)計(jì)2海洋平臺冰振引起的低周疲勞8結(jié)構(gòu)的疲勞失效與疲勞控制設(shè)計(jì)2冰振引起的上部管線疲勞斷裂8結(jié)構(gòu)的疲勞失效與疲勞控制設(shè)計(jì)2放空管斷口分析放空管的斷裂斷口宏觀特征

放空管的斷裂斷口微觀特征

疲勞條帶間距較大斷口與軸線成90。角

斷口表面有較明顯的裂紋源、裂紋擴(kuò)展區(qū)、瞬斷區(qū)斷口表面沒有明顯的疲勞弧線

整個斷口高低不平

8結(jié)構(gòu)的疲勞失效與疲勞控制設(shè)計(jì)2材料的疲勞強(qiáng)度材料的疲勞強(qiáng)度是指光滑試件經(jīng)過多次各循環(huán)加載的破壞強(qiáng)度。通常材料的疲勞強(qiáng)度用S-N曲線表示。S-為破壞強(qiáng)度，N-為對應(yīng)的循環(huán)次數(shù)。材料的強(qiáng)度與材料的疲勞強(qiáng)度主要區(qū)別？8結(jié)構(gòu)的疲勞失效與疲勞控制設(shè)計(jì)2影響結(jié)構(gòu)疲勞壽命因素材料的抗疲勞性能交變應(yīng)力幅值交變應(yīng)力性能循環(huán)次數(shù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中8結(jié)構(gòu)的疲勞失效與疲勞控制設(shè)計(jì)2無限壽命設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)條件為，材料的疲勞極限由材料S-N曲線給出。安全壽命設(shè)計(jì)使構(gòu)件在有限長設(shè)計(jì)壽命內(nèi)，不發(fā)生疲勞破壞的設(shè)計(jì)；以材料S-N曲線和Miner累計(jì)損傷理論為基礎(chǔ)損傷容限設(shè)計(jì)假定構(gòu)件中存在裂紋，用斷裂力學(xué)、疲勞裂紋擴(kuò)展分析和試驗(yàn)驗(yàn)證，保證在定期檢查中發(fā)現(xiàn)裂紋之前，裂紋不會擴(kuò)展到足以引起破壞。結(jié)構(gòu)疲勞設(shè)計(jì)方法8結(jié)構(gòu)的疲勞失效與疲勞控制設(shè)計(jì)2結(jié)構(gòu)疲勞壽命的估計(jì)方法采用有限壽命方法估計(jì)，主要有兩方面的內(nèi)容一是交變應(yīng)力，二是循環(huán)次數(shù)。恒幅交變應(yīng)力隨機(jī)交變應(yīng)力Palmgren-Miner準(zhǔn)則雨流法：時程分析應(yīng)力譜法8結(jié)構(gòu)的疲勞失效與疲勞控制設(shè)計(jì)2Palmgren-Miner準(zhǔn)則當(dāng)材料承受高于疲勞極限應(yīng)力時，每一個載荷循環(huán)都使材料產(chǎn)生一定的損傷，每一個循環(huán)造成的平均損傷為1/N（N為對應(yīng)荷載的疲勞壽命），n次恒幅載荷造成的損傷就是C=n/N.對于變幅的損傷D則為ni為i級載荷的循環(huán)次數(shù)，Ni為第i級載荷下的疲勞壽命。當(dāng)損傷累積到了臨界值時就發(fā)生破壞。8結(jié)構(gòu)的疲勞失效與疲勞控制設(shè)計(jì)2計(jì)數(shù)Miner線性累積損傷理論S（載荷）－N（循環(huán)次數(shù)）圖變幅載荷譜累積損傷度8結(jié)構(gòu)的疲勞失效與疲勞控制設(shè)計(jì)2確定構(gòu)件在設(shè)計(jì)壽命期的載荷，選取擬用的設(shè)計(jì)荷載或應(yīng)力水平選用適合構(gòu)件使用的的S-N曲線再用S-N曲線，利用Miner線性累積損傷理論，計(jì)算損傷判斷是否滿足疲勞設(shè)計(jì)要求。利用Miner理論進(jìn)行疲勞分析的一般步驟8結(jié)構(gòu)的疲勞失效與疲勞控制設(shè)計(jì)2隨機(jī)交變應(yīng)的統(tǒng)計(jì)方法對于恒應(yīng)力幅的交變應(yīng)力統(tǒng)計(jì)比較方便，但對于隨機(jī)應(yīng)力時程則比較麻煩。通常有兩種方法：時程分析法頻域分析法8結(jié)構(gòu)的疲勞失效與疲勞控制設(shè)計(jì)2時域統(tǒng)計(jì)法對測量或計(jì)算獲得的交變應(yīng)力時程曲線的幅值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，一般采用雨流法，雨流法可以將隨機(jī)交變應(yīng)幅值“數(shù)”出來，便于采用計(jì)算機(jī)自動識別。8結(jié)構(gòu)的疲勞失效與疲勞控制設(shè)計(jì)2Rainflowcountingalgorithm雨流法8結(jié)構(gòu)的疲勞失效與疲勞控制設(shè)計(jì)28結(jié)構(gòu)的疲勞失效與疲勞控制設(shè)計(jì)2頻域分析法在隨機(jī)結(jié)構(gòu)振動中，通常采用頻域分析法。載荷譜響應(yīng)譜窄帶響應(yīng)譜應(yīng)力統(tǒng)計(jì)分布曲線8結(jié)構(gòu)的疲勞失效與疲勞控制設(shè)計(jì)2JZ20－2北高點(diǎn)平臺典型應(yīng)力譜及應(yīng)力峰概率分布應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)差8結(jié)構(gòu)的疲勞失效與疲勞控制設(shè)計(jì)2工程實(shí)例：海洋平臺冰振疲勞分析振動失效分析振動振響應(yīng)分析振動疲勞應(yīng)力疲勞環(huán)境疲勞壽命8結(jié)構(gòu)的疲勞失效與疲勞控制設(shè)計(jì)2海洋平臺結(jié)構(gòu)的主要失效模式動力失效節(jié)點(diǎn)疲勞失效加速度失效人員感受上部管線甲板加速度管節(jié)點(diǎn)交變應(yīng)力8結(jié)構(gòu)的疲勞失效與疲勞控制設(shè)計(jì)2結(jié)構(gòu)疲勞壽命設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)條件優(yōu)點(diǎn)適應(yīng)范圍無限壽命設(shè)計(jì)簡單合理適用經(jīng)歷無限次循環(huán)的構(gòu)件安全壽命記時計(jì)簡單，應(yīng)用方便，有一定的可靠性適用新建結(jié)構(gòu)，應(yīng)用廣泛損傷容限設(shè)計(jì)思路符合實(shí)際，合理適用于定期檢修的重要構(gòu)件耐久性設(shè)計(jì)綜合考慮安全、功能及使用經(jīng)濟(jì)性適用于定期檢修的重要構(gòu)件Miner理論

累積損傷度疲勞壽命S－N曲線X曲線X′曲線8結(jié)構(gòu)的疲勞失效與疲勞控制設(shè)計(jì)2時間域法計(jì)算流程雨流計(jì)數(shù)法8結(jié)構(gòu)的疲勞失效與疲勞控制設(shè)計(jì)2譜分析法計(jì)算流程8結(jié)構(gòu)的疲勞失效與疲勞控制設(shè)計(jì)2

直立結(jié)構(gòu)劈裂彎曲/屈曲擠壓：準(zhǔn)靜態(tài)，穩(wěn)態(tài)，隨機(jī)錐體結(jié)構(gòu)

彎曲破壞彎曲破碎錐體冰力時程直立結(jié)構(gòu)隨機(jī)冰力時程直立結(jié)構(gòu)穩(wěn)態(tài)冰力時程擠壓破碎直接冰力測量(直立、錐體)冰力時程8結(jié)構(gòu)的疲勞失效與疲勞控制設(shè)計(jì)2直立結(jié)構(gòu)

擠壓破碎冰力譜錐體結(jié)構(gòu)

確定性冰力函數(shù)隨機(jī)冰力函數(shù)冰力譜直立結(jié)構(gòu)擠壓破碎冰力譜錐體冰力譜

基于實(shí)測冰力測量建立冰荷載模型錐體確定性冰力函數(shù)

錐體隨機(jī)冰力函數(shù)

8結(jié)構(gòu)的疲勞失效與疲勞控制設(shè)計(jì)2海冰參數(shù)測量(冰厚、冰速等)安裝在平臺上的攝像頭8結(jié)構(gòu)的疲勞失效與疲勞控制設(shè)計(jì)2冰疲勞環(huán)境參數(shù)冰厚冰速冰強(qiáng)度冰期冰作用時間冰作用方向冰荷載的大小冰荷載作用次數(shù)冰荷載作用方向

獲得冰疲勞環(huán)境參數(shù)的方法實(shí)測冰情數(shù)據(jù)(主要)數(shù)值預(yù)報數(shù)據(jù)(輔助)海冰參數(shù)測量(冰厚、冰速等)冰疲勞環(huán)境模型8結(jié)構(gòu)的疲勞失效與疲勞控制設(shè)計(jì)2熱點(diǎn)應(yīng)力結(jié)構(gòu)是由多個構(gòu)件組成的系統(tǒng)，在荷載激勵下，傳遞力最大的構(gòu)件成為結(jié)構(gòu)中最薄弱的部分冰區(qū)導(dǎo)管架平臺結(jié)構(gòu)的最大冰激應(yīng)力一般都發(fā)生導(dǎo)管架管結(jié)點(diǎn)焊縫處，稱為熱點(diǎn)。且認(rèn)為熱點(diǎn)處疲勞失效，整個結(jié)構(gòu)即失效。管節(jié)點(diǎn)交變應(yīng)力8結(jié)構(gòu)的疲勞失效與疲勞控制設(shè)計(jì)2－質(zhì)量：上部質(zhì)量按均勻分布－剛度：按等效彈簧考慮樁－土相互作用－阻尼：取2％單元作用shell63模擬導(dǎo)管架或上部質(zhì)量pipe16模擬樁conbination39模擬樁－土相互作用beam189模擬工字梁選用的單元（1）結(jié)構(gòu)的簡化實(shí)例8結(jié)構(gòu)的疲勞失效與疲勞控制設(shè)計(jì)2導(dǎo)管架直徑3.5m群樁直徑1.3m水深13.5mJZ20－2北高點(diǎn)平臺（在建）JZ20－2北高點(diǎn)平臺有限元模型（2）結(jié)構(gòu)模型及參數(shù)8結(jié)構(gòu)的疲勞失效與疲勞控制設(shè)計(jì)2水深（m）上部質(zhì)量（t）自振頻率f(Hz)f1f2f3f4f5JZ20－2北高點(diǎn)平臺13.52500.870.881.353.803.88振型:一、二階為平移，三階以上為扭轉(zhuǎn)（3）結(jié)構(gòu)參數(shù)及動力特性8結(jié)構(gòu)的疲勞失效與疲勞控制設(shè)計(jì)2冰疲勞環(huán)境的確定

（1）有效冰期均值：42天

（2）冰作用時間：24小時（3）冰作用方向：45°、225°（以正北向?yàn)榛鶞?zhǔn)，順時針為正）等級1.01.52.02.53.03.54.04.55.0頻次0.110.20.160.070.210.140.020.070.02冰日2228354248546167738結(jié)構(gòu)的疲勞失效與疲勞控制設(shè)計(jì)2（4）冰厚、冰速分布及出現(xiàn)概率8結(jié)構(gòu)的疲勞失效與疲勞控制設(shè)計(jì)2冰厚冰速聯(lián)合概率分布圖8結(jié)構(gòu)的疲勞失效與疲勞控制設(shè)計(jì)2錐體冰力譜的計(jì)算每一種疲勞工況（一種冰厚和冰速）對應(yīng)一個冰力譜（1）錐體冰力幅值（2）錐體冰力周期（3）錐體冰力譜8結(jié)構(gòu)的疲勞失效與疲勞控制設(shè)計(jì)2冰厚t＝20cm冰速v＝40cm/s冰激疲勞分析結(jié)果北高點(diǎn)平臺典型應(yīng)力云圖最大應(yīng)力點(diǎn)8結(jié)構(gòu)的疲勞失效與疲勞控制設(shè)計(jì)2JZ20－2北高點(diǎn)平臺典型應(yīng)力譜及應(yīng)力峰概率分布應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)差8結(jié)構(gòu)的疲勞失效與疲勞控制設(shè)計(jì)2JZ20－2北高點(diǎn)平臺各工況下應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)差8結(jié)構(gòu)的疲勞失效與疲勞控制設(shè)計(jì)2平臺冰