一种用于岸桥金属结构的多轴疲劳寿命计算方法

1.本发明涉及岸桥金属寿命计算技术领域，具体为一种用于岸桥金属结构的多轴疲劳寿命计算方法。


背景技术：

2.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。
3.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。
4.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。
5.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。
6.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。
7.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。
8.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：
9.1)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；
10.2)“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；
11.3)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：
12.lgn＝lgc+mlgδσ
13.4)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。


技术实现要素：

[0018]
(一)解决的技术问题
[0019]
针对现有技术的不足，本发明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，本发明提供如下技术方案：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：εy＝-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δεn/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][0047]
最大剪切应变幅所在的相位角θc为：
[0048][0049]
最大剪切应变幅表示为：
[0050][0051]
将已知的υ
eq
，和λ代入上式，可求得θc，由计算结果可知，在(-π/2,π/2)范围内使δγ
max
(θ)/2取极值的θc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：
[0052][0053]
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：
[0054][0055]
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，并记录法向正应变、剪应变、正应力、剪应力随时间变化的历程；
[0056]
s7：对法向正应变、剪应变、正应力、剪应力的进行循环计数，获取包含均值和幅值的应力谱，通过均方跟法消除平均应力影响，将变幅转化为等幅；
[0057]
s8：将第s7步骤中获取的等幅应力幅值及应变幅值代入新的多轴疲劳寿命模型中，进行寿命预测，
[0058]
新的多轴疲劳寿命预测模型如下所示：
[0059][0060]
优选的，所述s1和s2中应力-时间历程获取方法相同，获取方法包括以下步骤：
[0061]
a1：将传感器安装在待监测点，启动起重机，吊取货物调零；
[0062]
a2：移动小车实现起吊-卸载过程；
[0063]
a3：记录起吊重量、起吊位置及卸载位置；
[0064]
a4：将传感器采集数据传送给计算机，进行信号处理分析，转化为应力-时间历程。
[0065]
优选的，所述s3中修正，其具体为：通过模型修正方法对有限元模型进行修正，使得有限元模型获取的应力-时间历程与传感器采集获取的应力-时间历程近似，误差在允许范围内。
[0066]
优选的，所述s4步骤中，求解过程中需通过修正后有限元模型获取应力-时间历
程，为后续做准备，获取方法包括以下步骤：
[0067]
b1：确定疲劳核算点；
[0068]
b2：编制工况表，根据实际工况将起升量、起升位置、卸载位置记录编制；
[0069]
b3：进行有限元分析；
[0070]
b4：获取不同方向应力-时间历程；
[0071]
b5：整理数据。
[0072]
优选的，所述s6步骤中，所述该面上的法向正应变、剪应变、正应力、剪应力为不同方向的应力应变。
[0073]
优选的，所述s7步骤中，所述将变幅转化为等幅，转化的为前面所表述的不同幅值的应力谱。
[0074]
优选的，所述b4中，不获取von mises应力，而实获取不同方向的应力，x方向，y方向。
[0075]
(三)有益效果
[0076]
与现有技术相比，本发明提供了一种用于岸桥金属结构的多轴疲劳寿命计算方法，具备以下有益效果：
[0077]
1、该用于岸桥金属结构的多轴疲劳寿命计算方法，采用多轴疲劳寿命计算模型，相比单轴疲劳寿命计算模型，预测精度较高。
[0078]
2、该用于岸桥金属结构的多轴疲劳寿命计算方法，采用修正后的有限元模型提取危险点应力-时间历程。
具体实施方式
[0079]
下面将结合本发明实施例中，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0080]
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：
[0081]
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；
[0082]
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；
[0083]
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；
[0084]
s4：求解不同工况下岸桥危险截面所在位置；
[0085]
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：
[0086]
与轴线成θ角平面上的正应变和剪切应变可以表示为：
[0087][0088][0089]
式中：εy＝-υε
x
ꢀꢀ
(2)
[0090]
将(2)代入(1)可得：
[0091][0092][0093]
多轴加载下应变状态采用下式表达
[0094][0095]
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：
[0096][0097][0098]
式中：
[0099][0100][0101]
由(3)(4)知δγ/2和δεn/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：
[0102][0103]
将上式对θ求导来获得最大剪切应变幅所在的位置，即：
[0104][0105]
最大剪切应变幅所在的相位角θc为：
[0106][0107]
最大剪切应变幅表示为：
[0108][0109]
将已知的υ
eq
，和λ代入上式，可求得θc，由计算结果可知，在(-π/2,π/2)范围内使δγ
max
(θ)/2取极值的θc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：
[0110][0111]
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：
[0112][0113]
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(此处所描述的即为不同方向的应力应变)，并记录法向正应变、剪应变、正应力、剪应力随时间变化的历程；
[0114]
s7：对法向正应变、剪应变、正应力、剪应力的进行循环计数，获取包含均值和幅值的应力谱，通过均方跟法消除平均应力影响，将变幅转化为等幅(此处转化的为前面所表述的不同幅值的应力谱)；
[0115]
s8：将第s7步骤中获取的等幅应力幅值及应变幅值代入新的多轴疲劳寿命模型中，进行寿命预测，
[0116]
新的多轴疲劳寿命预测模型如下所示：
[0117][0118]
所述s1和s2中应力-时间历程获取方法相同，获取方法包括以下步骤：
[0119]
a1：将传感器安装在待监测点，启动起重机，吊取货物调零；
[0120]
a2：移动小车实现起吊-卸载过程；
[0121]
a3：记录起吊重量、起吊位置及卸载位置；
[0122]
a4：将传感器采集数据传送给计算机，进行信号处理分析，转化为应力-时间历程。
[0123]
所述s3中修正，其具体为：通过模型修正方法对有限元模型进行修正，使得有限元模型获取的应力-时间历程与传感器采集获取的应力-时间历程近似，误差在允许范围内。
[0124]
所述s4步骤中，求解过程中需通过修正后有限元模型获取应力-时间历程，为后续做准备，获取方法包括以下步骤：
[0125]
b1：确定疲劳核算点；
[0126]
b2：编制工况表，根据实际工况将起升量、起升位置、卸载位置记录编制；
[0127]
b3：进行有限元分析；
[0128]
b4：获取不同方向应力-时间历程(此处不获取von mises应力，而实获取不同方向的应力，如x方向，y方向)；
[0129]
b5：整理数据。
[0130]
综上所述，该用于岸桥金属结构的多轴疲劳寿命计算方法，通过设置有限元模型的修正，根据实际监测数据，对有限元模型进行修正，使其分析结果与实际监测结果在一个合理允许的误差范围内；设置危险点应力-时间历程的获取：根据受力分析获取危险点，基于修正后的有限元模型，提取危险点应力谱；设置新的多轴疲劳寿命预测模型，在保留参量物理意义和优点的基础上，没有引入额外的材料常数或经验参数，结合manson-coffin-basquin方程，构建的新的多轴疲劳寿命计算模型，适用于剪切破坏形式；将循环计数得到的剪应力幅与正应力幅通过改进均方跟法转化为等效应力，代入多轴疲劳寿命求出循环次数，求出单个循环的损伤程度。根据miner公式，将每次的损伤进行线性累加，折算成时长，即获得岸桥金属结构的疲劳寿命。
[0131]
需要说明的是，术语“包括”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
[0132]
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。