小噸位桁架臂起重機K節(jié)點疲勞試驗方法

王 欣， 楊紹坤， 金三強， 賈興軍

(1. 大連理工大學(xué) 機械工程學(xué)院， 遼寧 大連 116024;2. 中海油能源發(fā)展股份有限公司 油田建設(shè)工程分公司， 天津 300452)

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小噸位桁架臂起重機K節(jié)點疲勞試驗方法

王 欣1， 楊紹坤1， 金三強1， 賈興軍2

(1. 大連理工大學(xué) 機械工程學(xué)院， 遼寧 大連 116024;2. 中海油能源發(fā)展股份有限公司 油田建設(shè)工程分公司， 天津 300452)

通過數(shù)值模擬比較了3種目前關(guān)于K節(jié)點的試驗加載方法，提取焊趾處的熱點應(yīng)力進行對比分析。結(jié)果表明，第1種和第3種加載方法可行，而第3種加載方法更易于實驗。故采用第3種加載方法，以25 t級桁架臂起重機K節(jié)點為試驗對象，進行了靜載應(yīng)力測試，測試結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果吻合性較好，進一步表明第3種加載方式的合理性與可行性。這為桁架臂起重機K節(jié)點疲勞破壞試驗方案提供了理論依據(jù)。

桁架臂起重機; K節(jié)點; 疲勞試驗; 加載方式; 應(yīng)力測試

0 引 言

空心圓管結(jié)構(gòu)具有抗彎、抗扭、抗壓、抗腐蝕能力強，風(fēng)阻小，自重輕等優(yōu)點[1]，廣泛應(yīng)用于橋梁、近海工程、起重機臂架等結(jié)構(gòu)中。然而圓管之間連接的相貫線形狀復(fù)雜，不可避免地會引起應(yīng)力集中，疲勞破壞是其主要的失效形式。研究表明[2]，在桁架臂起重機結(jié)構(gòu)中冠點和跟點是K節(jié)點應(yīng)力集中最嚴(yán)重的部位，K節(jié)點疲勞破壞一般產(chǎn)生于冠點或跟點處。K節(jié)點是桁架臂起重機重要的承載結(jié)構(gòu)，一旦失效，后果不堪設(shè)想，因此研究K節(jié)點的疲勞問題具有重要意義。

CIDECT[3]規(guī)程通過參數(shù)化的熱點應(yīng)力集中系數(shù)公式結(jié)合K節(jié)點載荷獲得熱點應(yīng)力，對K節(jié)點參數(shù)要求為：0.3≤β≤0.6，24≤2γ≤60，0.25≤τ≤1，30≤θ≤60(其中β=d/D，2γ=D/T，τ=t/T)，同時要求腹桿等角度。統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，本領(lǐng)域桁架臂起重機K節(jié)點的參數(shù)50≤θ≤70，2γ<15，同時桁架臂起重機底節(jié)和頂節(jié)中腹桿角度不相等。綜合以上各因素可以看出，該規(guī)程熱點應(yīng)力法應(yīng)用于本領(lǐng)域有一定限制。除此之外，邵承波等[4-8]對軸向加載情況下，節(jié)點幾何參數(shù)變化對焊縫周圍熱點位置和SCF(應(yīng)力集中系數(shù))分布情況的影響做了研究。Shao等[6-8]通過這種方法擬合出了針對各種管節(jié)點的SCF參數(shù)化公式。楊冬平[9]研究了弦桿應(yīng)力對軸向載荷作用下的T節(jié)點SCF的影響，但是弦桿與腹桿的應(yīng)力比最大值僅為1。這些研究工作應(yīng)用于本領(lǐng)域的限制因素為：① 研究對象主要針對海洋平臺結(jié)構(gòu)，疲勞載荷類型不同；② K節(jié)點幾何參數(shù)不同。綜上，進行疲勞試驗獲得K節(jié)點疲勞壽命非常必要。為準(zhǔn)確獲得K節(jié)點疲勞壽命，最可信的方式是對整機做疲勞試驗，但是該方法成本太高，周期太長，不具可行性。本文通過數(shù)值模擬比較了3種試驗方法，給出了簡單可行的試驗方法并按照所選試驗方法進行了靜載應(yīng)力測試試驗，試驗結(jié)果與有限元結(jié)果吻合性較好。

1 試驗方法

1.1 軸力提取與加載方案設(shè)計

本文軸力提取自25 t級桁架臂起重機在18 m臂長10 m幅度吊載10 t的工況臂架底節(jié)處，采用SHELL63單元模擬板，BEAM188單元模擬弦、腹桿，建立臂架整體有限元模型。通過ANSYS計算，提取底節(jié)處K節(jié)點弦桿、腹桿軸力大小分別為：弦桿軸力F1=109.683 kN,受壓腹桿軸力F2=452.2 N,受拉腹桿軸力F3=270.3 N。

本文研究3種試驗加載方式如圖1所示。

1.2 數(shù)值模擬

按照AWS規(guī)范，焊縫的外輪廓是一條復(fù)雜的空間曲線。Lie等[11]通過對Y型管接頭的研究，用數(shù)學(xué)手段得出了焊縫相貫線的空間幾何方程，但該方程由于存在較多的變量，得出的空間曲線用ANSYS建模仍比較困難。因此，焊縫尺寸在整個相貫線上都符合AWS標(biāo)準(zhǔn)很難實現(xiàn)，但可以實現(xiàn)在冠點、鞍點和跟點處符合AWS標(biāo)準(zhǔn)，其余部位平滑過渡。本文選用實體單元SOLID95建立K節(jié)點，采用網(wǎng)格分區(qū)產(chǎn)生法提高求解效率，在焊縫周圍高應(yīng)力梯度區(qū)域網(wǎng)格劃分比較細(xì)密，而遠離焊縫處應(yīng)力梯度較小，這部分區(qū)域網(wǎng)格劃分相對稀疏，細(xì)密區(qū)網(wǎng)格和稀疏區(qū)網(wǎng)格通過過渡區(qū)域網(wǎng)格連接。臂架整體模型中，在底節(jié)相應(yīng)部位用實體模型K節(jié)點替換BEAM188單元K節(jié)點，兩種單元采用剛性區(qū)域連接。K節(jié)點幾何參數(shù)分別為：弦桿長度L=600 mm，弦桿直徑D=76 mm，弦桿壁厚T=5.5 mm,腹桿長度l=400 mm,腹桿直徑d=38 mm,腹桿壁厚t=4 mm,夾角1θ1=66°,夾角2θ2=56°,間隙g=20 mm。參數(shù)定義如圖2所示。最終生成的K節(jié)點有限元模型見圖3。實體單元K節(jié)點與BEAM188單元和SHELL63板單元組成的總體臂架效果見圖4。

圖1 3種加載方式

圖2 K節(jié)點參數(shù)定義

1.3 熱點應(yīng)力獲取

在有限元分析中，焊趾處的熱點應(yīng)力是通過插值方法獲得的。有兩種插值方法可供選擇：線性外推插值法；三點二次外推插值法。理論上后者更精確，但是對于空心圓管節(jié)點可以使用線性外推插值法，因為應(yīng)力梯度接近線性[3]。為了方便，本文選擇線性外推插值法獲得熱點應(yīng)力。

對于哪種應(yīng)力分量應(yīng)該作為熱點應(yīng)力存在不同的觀點：最大主應(yīng)力或者垂直于焊趾的應(yīng)力。IIW等[12-14]使用主應(yīng)力法，API[15]和AWS使用垂直于焊趾的應(yīng)力，但是在焊趾處兩種應(yīng)力的差別不大[3]。對于應(yīng)力測試來說，垂直于焊趾的應(yīng)力可以使用非常簡單的應(yīng)變片獲得，因此CIDECT推薦采用垂直于焊趾的應(yīng)力作為熱點應(yīng)力。由于垂直于焊趾的應(yīng)力更容易測得，為對比數(shù)值分析結(jié)果與應(yīng)力測試結(jié)果，本文選用垂直于焊趾的應(yīng)力作為熱點應(yīng)力，獲取熱點應(yīng)力的插值公式按照DNV[16]標(biāo)準(zhǔn)。

(a) K節(jié)點核心區(qū)域網(wǎng)格(b) 實體單元K節(jié)點

圖3 K節(jié)點有限元模型

圖4 實體單元K節(jié)點導(dǎo)入整體臂架效果圖

1.4 數(shù)值模擬結(jié)果對比

在桁架結(jié)構(gòu)中，疲勞裂紋一般在弦桿萌生,因此僅對比各加載情況下弦桿焊趾處熱點應(yīng)力。按照前述載荷加載，分別提取總體臂架中實體模型K節(jié)點和各試驗方式實體模型K節(jié)點焊趾處的熱點應(yīng)力。對比分析表明,方式1和方式3與總體臂架計算結(jié)果(參考值)吻合度均較好。按照方式3進行疲勞試驗只需兩個作動器，便于進行疲勞試驗。

2 試 驗

2.1 試件設(shè)計及加載裝置

試件采用Q345B薄壁圓管件，試件按照AWS規(guī)范要求的工藝制作而成。根據(jù)試驗場地設(shè)計了工裝夾具如圖5所示。試件弦桿左端和左腹桿(受拉腹桿)通過夾具與三角架連接，弦桿右端通過夾具和疲勞試驗機與三角架連接，右腹桿(受壓腹桿)通過夾具和疲勞試驗機與地面連接。試驗加載裝置為30 t和5 t作動器，該作動器的最大工作頻率為2 Hz。

2.2 測試原理

試驗所用應(yīng)變儀為DH5920動態(tài)電阻應(yīng)變儀，該設(shè)備為16通道應(yīng)變儀。對K節(jié)點弦桿焊趾處每隔45°貼應(yīng)變片，方向垂直于焊趾，應(yīng)變片的布置如圖6所示，由于空間限制，沒有在冠點(圖7中180°位置)處貼應(yīng)變片。對弦桿和腹桿分別施加載荷，記錄應(yīng)變儀上的讀數(shù)。將應(yīng)變轉(zhuǎn)化為應(yīng)力并與方式3有限元模型模擬的相應(yīng)位置處垂直焊趾的應(yīng)力對比，從而證明包含焊縫有限元模型的合理性。

圖5 試驗加載約束裝置

圖6 應(yīng)力測試測點分布

(a) 焊趾輪廓熱點應(yīng)力分布

(b) 各加載方式相對參考值的誤差

3 結(jié)果對比

為定量反映各種加載方式誤差，本文將整體臂架模型中分析的K節(jié)點焊趾處熱點應(yīng)力作為參考值，相對誤差表征了各加載方式相對參考值的誤差。同時以散點的方式將靜載應(yīng)力測試試驗結(jié)果示在圖7、8中。圖中：180°為冠點位置；90°和270°為鞍點位置；0°和360°為跟點位置。

3.1 受拉腹桿側(cè)

從圖7可以看出,各加載方式下，應(yīng)力分布曲線的趨勢一致，方式1和方式3與參考值在整個焊趾輪廓上都很吻合，在冠點處的相對誤差均小于10%。方式1在跟點處的相對誤差略大于10%。方式3在跟點處的熱點應(yīng)力幾乎與參考值完全相同，該方式在整個焊趾輪廓上的最大誤差位置在冠點處，最大誤差小于10%。冠點和跟點是兩方式在整個焊接輪廓上應(yīng)力最大的兩個點。這是因為方式3被約束腹桿在F1和F2作用下能提供接近于F3的反力以平衡F2堅直方向的分量。方式2在整個焊接輪廓上的相對誤差大于10%，在冠點處的相對誤差甚至接近80%，這是由于該方式下腹桿力與實際情況產(chǎn)生了較大偏差。綜上，方式1和方式3均能夠較好地反映真實情況，其中方式3最接近真實情況。從圖8(a)中可以看出,按照方式3進行的靜載應(yīng)力測試結(jié)果與其有限元計算結(jié)果分布趨勢一致。

3.2 受壓腹桿側(cè)

從圖8可以看出，方式1和方式3不僅與參考值應(yīng)力分布曲線的趨勢一致，而且在整個焊接輪廓上吻合度較好。方式2與實際情況應(yīng)力分布趨勢不同，在冠點與鞍點之間出現(xiàn)了局部應(yīng)力峰值。方式1和方式3在整個焊趾輪廓上熱點應(yīng)力值幾乎完全相同，兩方式的相對誤差曲線甚至重合，整個焊趾輪廓上的誤差小于20%，最大誤差出現(xiàn)在跟點處，冠點處的相對誤差小于10%。方式2在大部分焊接輪廓上的相對誤差大于20%，冠點處的相對誤差接近80%。因此，方式1和方式3均能夠較好地反映真實情況，兩者幾乎無差別。從圖8(a)可以看出，按照方式3進行的靜載應(yīng)力測試結(jié)果與其有限元計算結(jié)果分布趨勢一致。

(a) 焊趾輪廓熱點應(yīng)力分布(b) 各加載方式相對參考值的誤差

圖8 受壓腹桿側(cè)焊趾處熱點應(yīng)力對比

4 結(jié) 論

(1) 通過對比方式3應(yīng)力測試結(jié)果和有限元分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)，兩者吻合度較高，說明包含焊縫的K節(jié)點有限元模型合理。

(2) 盡管K節(jié)點受力復(fù)雜，但在弦桿、腹桿大軸力比條件下，按照本文的方式1或方式3加載均能得到比較精確的結(jié)果(受拉腹桿側(cè)整個焊趾輪廓的誤差小于10%，裂紋萌生部位誤差小于6%)。

(3) 通過數(shù)值模擬結(jié)果可以看出，整體臂架在提取腹桿載荷時不考慮彎矩的影響是合理可行的，說明彎矩產(chǎn)生的應(yīng)力占比較小，可將桁架結(jié)構(gòu)的弦桿與腹桿鉸點看做是鉸接節(jié)點。

[1] 王志剛,高 山,董好志.某空中平臺空間管桁架結(jié)構(gòu)設(shè)計及優(yōu)化[J].電子機械工程,2010，26(5):28-30.

[2] 黃邵軍.基于熱點應(yīng)力法的履帶起重機臂架壽命評估[D]. 大連:大連理工大學(xué),2014.

[3] Zhao X L.Design guide for circular and rectangular hollow section welded joints under fatigue loading[M].Berlin: Verlag TUV Rheinland,2001.

[4] 邵永波.平衡軸力作用下K節(jié)點焊縫周圍應(yīng)力分布規(guī)律[J].機械工程學(xué)報,2007,43(3):228 - 234.

[5] 石衛(wèi)華,鐘新谷,楊 勝,等.軸向載荷作用下K型管節(jié)點應(yīng)力集中系數(shù)研究[J].工程力學(xué), 2010, 27(Sup.1):48 - 52.

[6] Shao Yong-Bo,Du Zhi-Fu,Lie Seng-Tjhen,etal.Prediction of hot spot stress distribution for tubular K-joints under basic loadings[J]. Journal of Constructional Steel Research,2009, 65: 2011 - 2026.

[7] Shao Yong-Bo.Geometrical effect on the stress distribution along weld toe for tubular T- and K-joints under axial loading[J].Journal of Constructional Steel Research, 2007, 63: 1351 - 1360.

[8] Mohammad Ali Lotfollahi-Yaghin,Hamid Ahmadi.Effect of geometrical parameters on SCF distribution along the weld toe of tubular KT-joints under balanced axial loads[J]. International Journal of Fatigue,2010, 32: 703 -719.

[9] 楊冬平,邵永波.主管應(yīng)力對軸力作用下T節(jié)點應(yīng)力集中系數(shù)的影響[J].中國造船,2013,54(Sup.2):252- 259.

[10] AWS D1.1/D1.1M—2006.Structural Welding Code-Steel[S]. Miami: American Welding Society, 2006.

[11] Lie S T,Chiew S P,Lee C K,etal. Modeling arbitrary through-thickness crack in a tubular T-joint,ISOPE 2000 [C]∥Seattle:Proceedings of the 10thInternational Offshore and Polar Engineering Conference,2000.

[12] International Institute of Welding (IIW). Recommendations for Fatigue Design of Welded Joints and Components [S].Paris,2008.

[13] Department of Energy (DEn). Background to New Fatigue Design Guidance for Steel Joints in Offshore Structures [S].Internal Report,Department of Energy, London,1993.

[14] European Committee for Standardisation (CEN).Euro code 3:Design of steel structures-Part 1.1:General rules and rules for buildings [S].London,1992.

[15] American Petroleum Institute.Recommended Practice for Planning,Designing and Constructing Fixed Offshore Platforms [S].Washington,1993.

[16] DNV-OS-J101.Design of Offshore Wind Turbines Structure[S].Norway:DNV,2013.

·名人名言·

如果你問一個善于溜冰的人怎樣獲得成功時，他會告訴你：“跌倒了，爬起來。”這就是成功。

——牛頓

Research on Fatigue Test Method of K-joints for Small-tonnage Lattice Boom Cranes

WANGXin1，YANGShao-kun1，JINSan-qiang1，JIAXing-jun2

(1. School of Mechanical Engineering, Dalian University of Technology, Dalian 116024, China;2. CNOOC Energy Technology & Services-Oilfield Construction Engineering Co., Tianjin 300452, China)

K-joint in small-tonnage lattice boom crane is an important structure connection and the main fatigue damage point. So it is necessary to do fatigue test for K-joints, and reasonable loading method is the key to obtain reliable test result. By numerical simulation in three different loading methods of K-joint testing, the hot spot stress of the weld toe is obtained for comparative analysis. It proves that both the first method and the third method are feasible. Furthermore, the third method is easily implemented. Then, as an example, a 25-ton lattice boom crane is tested by using the third method to test the stress of K-joint. The test data and the FEA results are in good agreement, the fact further demonstrates the rationality and feasibility of the third method. The theoretical basis of K-joint fatigue test in small-tonnage lattice boom cranes is provided.

lattice boom crane; K-joints; fatigue test; loading method; stress test

2015-06-01

國家863計劃項目(2012AA041804)； 國家質(zhì)檢總局科技計劃(2014QK093)；中海油能源發(fā)展股份有限公司科技項目(HFKJ-YJ1305)；江蘇省產(chǎn)學(xué)研聯(lián)合創(chuàng)新資金項目(BY2012089)資助

王 欣(1972-)，女，北京人，副教授，現(xiàn)主要從事結(jié)構(gòu)損傷與剩余壽命評估，重型裝備現(xiàn)代設(shè)計理論與方法，復(fù)雜結(jié)構(gòu)CAD與智能計算的研究。Tel.: 041184709387；E-mail: wangxbd21@163.com

TG 405

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1006-7167(2016)03-0013-04