非線性連接接頭疲勞仿真及試驗

趙術杰，邵 飛，徐 倩，朱 樂，姜鵬宇任俊宏

（1.陸軍工程大學野戰工程學院，江蘇 南京210007；2.陸軍研究院作戰保障研究所，江蘇 無錫214000）

浮橋在水中的受力情況異常復雜，由于水力學特性較為復雜，導致其接頭部位的受力情況難以簡化計算。受海上風浪影響，浮橋構件之間持續相互碰撞，其接頭部位疲勞性能良好與否決定了整座棧橋的使用壽命。處于海洋環境下的浮橋，若采用剛性連接，在波浪荷載持續作用下，連接件始終處于較高應力水平下工作直接導致其疲勞壽命較短。為解決此問題，考慮采用剛性和柔性連接相結合的方式，進行浮橋間的連接。受力除橋上通載外，也包括風浪荷載，導致浮橋構件持續相互碰撞。因此，連接構件的疲勞性能好壞決定了浮橋正常工作使用壽命。目前，接頭的形式和種類繁多，國內研究者對接頭疲勞性能展開了相關研究。張銀龍[1]等對軍用橋梁疲勞問題指出了若干研究重點，其中就包括接頭的疲勞問題。李峰[2]等對丙丁接頭的接觸進行了細致的研究，與經驗合成計算結果和常規有限元分析的結果進行對比，證明接觸分析方法對連接件塑性變形、疲勞分析和優化設計有重要指導意義。文章[3]研究了一種新型的剛柔組合的非線性連接接頭，朱樂[3-4]等完成了非線性接頭有關靜力特性的數值模擬，但實際的靜力特性和疲勞性能都有待研究，為驗證接頭在設計載荷作用下疲勞壽命能否達到10 000次通載的技術指標要求，對此類接頭展開了靜力強度和疲勞的仿真和試驗。

1 基于ANSYS Workbench接頭疲勞仿真

接頭實體模型在Solideworks中建立，其爆炸視圖如圖1所示。由于模型的對稱性，為減小計算量，本實體模型為二分之一模型。模型最兩邊的構件不是接頭所包含部分，只是為了更好的模擬之后實驗而增加的部分，其作用是方便接頭和壓力機相連。

圖1 接頭實體模型爆炸視圖

將建立好的實體模型導入至ANSYS Workbench中。Workbench疲勞分析模塊分析是ANSYS Me_chanical內置功能之一，其疲勞仿真分析是建立在靜力分析的基礎上[5]。因為夾具板只是為了試驗方便而臨時設計的裝置，不是實驗探究的目的。在網格劃分中，將夾具板網格大小設置為20 mm，其余接頭、柔性板和螺栓的網格大小設置為5 mm.邊界條件為一邊夾具板設置為固支，荷載加載在另外一邊夾具板上。接頭的設計荷載為250 kN，所以在算例中荷載大小為125 kN.將力的方向設置為朝向夾具板方向，即為壓力。接觸設置中，將接頭與接頭、接頭與銷釘之間的接觸設置為摩擦接觸，摩擦系數設置為0.18，其余設置為綁定接觸。在疲勞模塊中，分析類型選擇為應力疲勞。考慮到單個構件的強度不能在整體結構中完全發揮，將疲勞強度影因子設置為0.95.荷載類型設置為幅值為從0至1的正弦荷載。選用平均應力曲線考慮平均應力的影響。疲勞計算結果為通載12 129次，達到設計荷載下通載10000次的要求。其結果如圖2所示。

圖2 疲勞計算結果

考慮到本接頭將運用到浮橋中，其大部分時間受到風浪荷載，其應力水平較小。改變疲勞模塊的scale factor大小，可以得到不同荷載峰值大小下的疲勞計算結果。其結果如圖3所示。

圖3 不同荷載疲勞壽命計算結果

從圖3可得，隨著荷載的減小，疲勞壽命都呈指數式增加。當循環荷載峰值達到設計荷載一半時，接頭所能承受的通載次數已經達到148 190次，能滿足一般使用的要求。

2 非線性連接接頭實驗構件

實驗構件主要由單雙耳接頭、承接板和夾具板通過螺栓和銷釘連接而成。單雙耳接頭之間采用銷釘連接。接頭與夾具板通過高強螺栓連接，夾具板和接頭之間有一層15 mm厚聚氨酯材料制成的承接板，從而形成剛柔組合連接。單個接頭與夾具板連接如圖4所示。

圖4 單個接頭與夾具板連接示意圖（陰影部分為聚氨酯墊塊）

3 試驗設計及分析

試驗在總裝工程兵技術裝備研究所結構力學試驗室進行，壓力機型號為MTS815.實驗試件總共有6組相同試件（B1-B6）。先將試件B1用來作靜力極限承載試驗，之后將剩余5組試件（試件B2-B6）用來作疲勞試驗。

通過試件B1，測定剛柔組合接頭的極限承載力。通過試件B2-B6的疲勞試驗來驗證設計的合理性。試件的加載示意圖如圖5所示。本次試驗重點是檢驗接頭的疲勞壽命能否滿足指標要求，為浮橋技術的應用提供依據。

圖5 剛柔組合接頭加載示意圖

3.1 加載方式

在實際的使用中，非線性連接接頭是不包含夾具板部分。因為接頭形狀特殊，設計夾具板方便接頭與壓力機的連接，實際連接處理方式如圖6所示。

圖6 接頭與壓力機連接圖

3.2 接頭靜載強度試驗

靜載強度試驗的目的是了解非線性連接接頭的極限承載力，并通過檢測各個工況下結構各部位的應力響應情況，確定結構的薄弱環節，為優化設計提供依據。

采用靜載加壓試驗方法，共進行1次預加載，3次循環加載。預加載為50 kN、100 kN、150 kN.循環加載為 50 kN、100 kN、150 kN、200 kN、250 kN，每級荷載穩定1分鐘，記錄應變情況。最后1次加載后若接頭無破壞，則直接從250kN開始加載，每級荷載增加25 kN，同時監測應變情況；當出現屈服后，每級荷載增加值減為10 kN，直至破壞。

每組非線性接頭都設置應變測點10個，其中應變花2個（5號和6號測點），應變片8個（1-4、7-10號測點），測點布置位置如圖7所示。

圖7 接頭應變片測點布置

3.3 接頭疲勞性能試驗

疲勞性能試驗采用恒應力幅試驗方法，試驗加載如圖3所示，拉壓力最大荷載為250 kN，拉壓力最小荷載為25 kN，應力比R=0.1，加載頻率0.5 Hz.試驗目的為測試剛柔組合接頭的疲勞性能，確定疲勞危險斷面及破壞形式。

3.4 試驗結果及分析

3.4.1 接頭靜載強度試驗及結果

靜載強度試驗目的為獲得剛柔組合接頭的極限承載力，通過檢測各個工況下結構各部位的應力響應情況，確定結構的薄弱部位，為下一步的優化設計提供依據[4]。

當荷載達到250 kN時，試件B1并未屈服。卸載后，加載直至結構極限承載能力。表1、表2中為最后一次加載所得數據，按照設計計算結果，最大接頭力為250 kN，因此在此荷載下我們輸出了各測點應力響應值，以便與計算結果對比。試驗中，應變片測點在設計最大接頭力時，即試驗荷載250 kN時，最大應力為221.5 MPa，設計許用應力為[σ]=472 MPa，因此試驗應力響應均在許用范圍內。

表1 應變片測點應力數據（單位：MPa）

表2 應變花測點應力數據（單位：MPa）

測點5#和6#位于接頭銷孔后部，從理論上分析該處的應力較大，并且最大應力方向不為水平，因此該2個測點布設了應變花。從試驗響應看，該位置應力水平總體高于其他測點。應變花測點在荷載250 kN時，最大主應力為221.5 MPa，小于材料DB685的設計許用應力為[σ]=472 MPa，因此試驗應力響應均在許用范圍內。

試驗過程中，當第二輪荷載加至600 kN時，再無法繼續加載，檢查發現，耳板變形過大。卸載后對接頭進行詳細檢查，并未發現破壞，實際接頭承受拉壓力時，由于浮橋箱體結構的支撐作用，并不會發生此類情況，實際接頭在應用時的最大承載能力高于試驗接頭工況。從試驗測點應力看，荷載加至600 kN時，最大應力為549.74 MPa，大于材料的設計許用應力[σ]=472 MPa，但小于DB685材料的屈服極限強度[σs]=590 MPa.

3.4.2 接頭疲勞試驗及結果

對試件B2到試件B7進行了疲勞壽命測試，試驗結果見表3.

表3 剛柔組合接頭疲勞壽命測試結果

連接接頭失效原因均為高強螺栓斷裂，部分接頭破壞形式如圖8所示。螺栓達到了10.9級標準，根據初步計算校核，均未達到接頭材料和螺栓的屈服強度，說明此破壞形式是由于螺栓受力不均勻引起，在實際結構中由于接頭與浮橋結構相連，受力相對均勻，可避免這種形式破壞。各組試件和螺栓破壞形式如圖8所示。

圖8 各組試件和螺栓破壞形式

疲勞壽命一般可認為遵循對數正態分布，所以在進行數據處理前，疲勞壽命均取其對數，對數疲勞壽命記為：

式中，n為疲勞壽命子樣個數，S為子樣標準差，β為正態母體標準差修正因數，Γ（·）為伽馬函數，k為單側容限因數，up和uγ分別為與可靠度p和置信度γ相關的標準正態偏量。

對于接頭試樣，n=5，p=95%，γ =95%，則 β=1.063 8，k=2.889，因此安全對數疲勞壽命為x^=xˉ-3.073 3S，利用表4中接頭試件的疲勞壽命數據計算得xˉ=4.329 8，S=0.080 73，x^=4.0817，取對數函數的反函數最終得到具有95%可靠度和95%置信度的安全疲勞壽命為：

結果與仿真結果很相近。

4 結論

（1）根據實驗結果，在實際的使用中，螺栓容易在構件破壞之前破壞，在實際的使用中，應定期更換螺栓，以減小螺栓破壞對整體構件使用的影響。從接頭破壞形態分析，螺栓都是發生拉伸破壞，可適當增加螺栓數量，來增加構件疲勞壽命。

（2）靜載試驗未加載到接頭破壞，不能確定接頭的極限承載力，但從應力響應分析，結構能夠滿足強度要求，并且有較多的強度富余。

（3）疲勞仿真的結果與實驗分析的結果一致，說明模型建立的正確性，可用此方法指導類似接頭的計算。