基于熱點(diǎn)應(yīng)力法的新型插板接頭疲勞壽命評(píng)估*

李義明 聶飛龍

上海振華重工(集團(tuán))股份有限公司

1 引言

插板接頭是岸邊集裝箱起重機(jī)(以下簡稱岸橋)上一種常見接頭，它用于弦桿與其他結(jié)構(gòu)之間的連接。由于插板與弦桿之間顯著的壁厚差別，會(huì)導(dǎo)致接頭受力時(shí)在管板連接處尤其是插板末端的弦桿上出現(xiàn)嚴(yán)重的應(yīng)力集中。為此，通常在插板頭部設(shè)置應(yīng)力釋放孔以減輕應(yīng)力集中。為滿足封閉弦桿內(nèi)腔的需要，常規(guī)的插板接頭采用一塊長條形封板覆蓋主弦桿上的應(yīng)力釋放孔后與弦桿、插板焊接為一體[1](見圖1)。然而蓋板由于緊貼弦桿表面并與插板連接，在弦桿軸向方向柔度較差，加之與插板末端的幾何突變引起的應(yīng)力集中，使得其在使用中容易發(fā)生開裂。

1.插板 2.弦桿 3.蓋板

針對(duì)上述問題，對(duì)傳統(tǒng)插板接頭進(jìn)行了改進(jìn)：①在蓋板與插板連接處設(shè)置應(yīng)力釋放孔；②在蓋板上焊接1個(gè)密封蓋起到氣密的作用[2](見圖2)。基于熱點(diǎn)應(yīng)力法對(duì)某型岸橋梯形架拉桿上使用的這款新型插板接頭進(jìn)行疲勞性能的評(píng)估。

1.插板 2.弦桿 3.蓋板 4.密封蓋

2 基于熱點(diǎn)應(yīng)力法的疲勞壽命評(píng)估方法

2.1 方法概述

關(guān)于結(jié)構(gòu)的疲勞壽命評(píng)估方法，主流的有：基于名義應(yīng)力的疲勞壽命評(píng)估方法；基于熱點(diǎn)應(yīng)力的疲勞壽命評(píng)估方法；基于結(jié)構(gòu)應(yīng)力的疲勞壽命評(píng)估方法；基于斷裂力學(xué)的裂紋擴(kuò)展分析方法。

上述方法中，目前各國的起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范中使用較多的是基于名義應(yīng)力的疲勞壽命評(píng)估方法，如歐洲起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范F.E.M.[3]、德國起重機(jī)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)DIN15018[4]、英國起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范EN13001[5]、我國的起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范GB3811-2008[6]。另外英國橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)BS5400[7]中的疲勞評(píng)估也是基于名義應(yīng)力法。

基于熱點(diǎn)應(yīng)力的疲勞壽命評(píng)估方法是較新的一種評(píng)估方法。該方法通過插值法計(jì)算焊趾處的結(jié)構(gòu)應(yīng)力(除去由焊趾缺口效應(yīng)引起的非線性應(yīng)力成分)進(jìn)行疲勞評(píng)估，由于考慮了接頭幾何外形對(duì)熱點(diǎn)處應(yīng)力的影響，因而可以用較少的疲勞等級(jí)涵蓋更多的接頭類型，且有效避免焊趾處由幾何缺口引起的應(yīng)力奇異問題。

基于結(jié)構(gòu)應(yīng)力的疲勞壽命評(píng)估方法由Dong Pingsha[8]發(fā)明。該方法利用距離焊趾一定距離處的截面上的力與焊趾所在截面之間力的平衡關(guān)系求解焊趾處的結(jié)構(gòu)應(yīng)力，同樣有效避開幾何缺口引起的應(yīng)力奇異問題。另外，由于該方法基于相鄰截面之間力的平衡原理，因而具有對(duì)網(wǎng)格不敏感的優(yōu)點(diǎn)，該方法已被收錄到ASME Ⅷ中[9]。

由于插板接頭形式特殊，在規(guī)范中未見到該類接頭基于名義應(yīng)力法進(jìn)行疲勞壽命評(píng)估的S-N曲線，因此采用熱點(diǎn)應(yīng)力法進(jìn)行疲勞壽命評(píng)估。基于熱點(diǎn)應(yīng)力的疲勞評(píng)估方法，首先需要得到觀察點(diǎn)的熱點(diǎn)應(yīng)力，然后基于熱點(diǎn)應(yīng)力的波動(dòng)量，利用載荷譜與熱點(diǎn)應(yīng)力對(duì)應(yīng)的S-N曲線進(jìn)行疲勞壽命評(píng)估。

2.2 熱點(diǎn)應(yīng)力對(duì)應(yīng)的疲勞等級(jí)

BS7608[10]中給出了基于熱點(diǎn)應(yīng)力法的疲勞評(píng)估中焊接接頭對(duì)應(yīng)的疲勞等級(jí)為D，母材的疲勞等級(jí)為B。基于熱點(diǎn)應(yīng)力與循環(huán)次數(shù)，以及疲勞等級(jí)，便可算出熱點(diǎn)處的疲勞損傷。

2.3 熱點(diǎn)應(yīng)力的計(jì)算

關(guān)于熱點(diǎn)應(yīng)力，API[11]定義為結(jié)構(gòu)不連續(xù)處的應(yīng)力；挪威船級(jí)社(DNV)[12]定義為在結(jié)構(gòu)應(yīng)力波動(dòng)和焊縫幾何或類似缺口的組合效應(yīng)下，裂紋萌生位置的結(jié)構(gòu)應(yīng)力。對(duì)于插板節(jié)點(diǎn)而言，熱點(diǎn)應(yīng)力即為焊趾處應(yīng)力。在有限元計(jì)算或應(yīng)力測量中，可通過國際焊接學(xué)會(huì)(IIW)[13]所建議的距離焊趾0.4t，1.0t(t為母板厚度)的插值點(diǎn)處的應(yīng)力σ0.4t，σ1.0t線性插值得到焊趾處應(yīng)力σHS(見圖3)。插值公式為：

圖3 熱點(diǎn)應(yīng)力插值計(jì)算

σHS=1.67σ0.4t-0.67σ1.0t

(1)

關(guān)于熱點(diǎn)應(yīng)力方向，IIW規(guī)定為最大主應(yīng)力方向(當(dāng)與焊趾的法線夾角在60°以內(nèi)時(shí))或者垂直于焊趾方向的應(yīng)力(當(dāng)最大主應(yīng)力與焊趾的夾角大于60°時(shí))；DNV則規(guī)定熱點(diǎn)處最大主應(yīng)力作為熱點(diǎn)應(yīng)力。API、CIDECT[14]建議以垂直于焊趾的方向作為熱點(diǎn)應(yīng)力的方向。本方案采用垂直于焊趾方向作為熱點(diǎn)應(yīng)力方向，垂直于焊趾方向應(yīng)力的計(jì)算如下：

2(τxyl1m1+τyzm1n1+τzxn1l1)

(2)

式中，σx、σy、σz、τxy、τyz，τzx是應(yīng)力分量；l1、m1、n1是垂直于焊趾的方向與x、y、z軸的方向余弦。

為便于分項(xiàng)載荷的組合，在使用熱點(diǎn)應(yīng)力法時(shí)需引入應(yīng)力集中系數(shù)的概念。應(yīng)力集中系數(shù)SCF，是熱點(diǎn)應(yīng)力σHS與名義應(yīng)力σn的比值：

SCF=σHS/σn

(3)

對(duì)于軸向力、彎矩作用下的應(yīng)力集中系數(shù)，分別用腳標(biāo)F、M區(qū)分，分別記為SCFF、SCFM。這2種載荷工況下名義應(yīng)力分別按式(4)和式(5)計(jì)算，其中A、W分別是弦桿的橫截面積和抗彎截面模量。需要說明的是，截面的彎矩包含2個(gè)方向，因此需要分別計(jì)算2個(gè)方向的彎矩對(duì)應(yīng)的應(yīng)力集中系數(shù)并進(jìn)行疊加。插板接頭由于在Y軸方向的彎矩很小，因而予以忽略，僅考慮沿Z軸方向的彎矩。

(4)

(5)

3 插板接頭熱點(diǎn)應(yīng)力計(jì)算

3.1 單元選擇

對(duì)于焊縫的模擬，使用三維二次實(shí)體單元比使用殼單元得到的結(jié)果更為精確[15]，規(guī)范IIW建議熱點(diǎn)應(yīng)力計(jì)算中采用20節(jié)點(diǎn)三維實(shí)體單元。本模型采用ANSYS中的20節(jié)點(diǎn)三維實(shí)體單元Solid95，為提高精度，焊縫按照施工圖紙尺寸在有限元模型中創(chuàng)建。

3.2 網(wǎng)格設(shè)置

關(guān)于節(jié)點(diǎn)處網(wǎng)格的尺寸，采用0.2t×0.2t大小，該尺寸插值點(diǎn)的應(yīng)力結(jié)果已收斂。同時(shí)，該尺寸下單元節(jié)點(diǎn)正好落在距離焊趾0.4t/1.0t位置，便于應(yīng)力的提取。

3.3 載荷情況

對(duì)于插板端部截面，約束節(jié)點(diǎn)6個(gè)方向的自由度以模擬岸橋結(jié)構(gòu)對(duì)于插板的約束作用。由于對(duì)稱性，僅建立一半的模型用于計(jì)算。通過受力分析發(fā)現(xiàn)，考慮到接頭主要受軸向力和XY面內(nèi)的彎矩(見圖4)，因此僅對(duì)這2個(gè)載荷下的應(yīng)力集中系數(shù)進(jìn)行計(jì)算。分別用up、down表示觀察點(diǎn)所在接頭上的位置。

圖4 插板接頭有限元模型

3.4 應(yīng)力集中系數(shù)

對(duì)插板接頭上應(yīng)力較大的3個(gè)位置A、B、C(見圖5)的應(yīng)力集中系數(shù)進(jìn)行計(jì)算。對(duì)于下文觀察點(diǎn)的命名中，分別用腳標(biāo)chord、plate表示弦桿和封板，例如，A-chord表示A位置處弦桿上的點(diǎn)；A-plate表示A位置處封板上的點(diǎn)。需要注意的是，觀察點(diǎn)A、B為焊縫附近的區(qū)域，因此采用式(1)進(jìn)行熱點(diǎn)應(yīng)力的插值計(jì)算；觀察點(diǎn)C點(diǎn)由于是母材，且無形狀突變，因此C點(diǎn)應(yīng)力無需插值計(jì)算，直接提取應(yīng)力即可。

圖5 新型插板接頭上的觀察點(diǎn)

對(duì)常規(guī)插板接頭上應(yīng)力較大的4個(gè)位置A、B、C、E(見圖6)的應(yīng)力集中系數(shù)進(jìn)行計(jì)算。E點(diǎn)為常規(guī)插板接頭獨(dú)有的觀察點(diǎn)，位于插板與蓋板連接處，最易發(fā)生疲勞破壞。

圖6 常規(guī)插板接頭的觀察點(diǎn)

兩種接頭疲勞觀察點(diǎn)的區(qū)別如下：相比于常規(guī)插板接頭，新型插板接頭由于蓋板上設(shè)置了應(yīng)力釋放孔而消除了E點(diǎn)，但引入了點(diǎn)C-plate。另外，新型插板接頭由于密封蓋引入觀察點(diǎn)A-plate。

計(jì)算出起重機(jī)在不同吊載與不同小車位置時(shí)的熱點(diǎn)應(yīng)力HSS(見式6)，對(duì)于某一個(gè)工作循環(huán)中，熱點(diǎn)應(yīng)力的波動(dòng)量ΔHSS同樣可以求出。

(6)

4 載荷譜的獲取

為獲得岸橋全生命周期的載荷譜，利用某服役岸橋投入使用以來近5年的載荷譜同比放大，近似估計(jì)整個(gè)設(shè)計(jì)壽命(200萬次循環(huán))的載荷譜(見表1)。表中，BR表示岸橋陸側(cè)后伸裝卸位置，PT表示停機(jī)位置(見圖7)。

1.插板節(jié)點(diǎn) 2.拉桿

表1 某型岸橋200萬次循環(huán)下的載荷譜

5 疲勞壽命評(píng)估

參照表1中的載荷譜，首先，在整機(jī)岸橋模型中計(jì)算得到各工作循環(huán)內(nèi)的軸力波動(dòng)量、彎矩波動(dòng)量。然后，根據(jù)對(duì)應(yīng)的應(yīng)力集中系數(shù)值，相乘可以得出熱點(diǎn)應(yīng)力的波動(dòng)。最后，利用Minor’s損傷理論即可算出損傷量，結(jié)果見表2。

表2 某型岸橋插板接頭200萬循環(huán)下的疲勞損傷

在200萬次工作循環(huán)下，常規(guī)插板接頭的點(diǎn)E-plate-up疲勞損傷為129%，損傷值大于1表示疲勞強(qiáng)度已不滿足200萬次工作循環(huán)的要求。疲勞損傷較高的觀察點(diǎn)為E-plate-down(疲勞損傷57%)和B-chord-up(疲勞損傷37.7%)。新型插板接頭則由于蓋板上的應(yīng)力釋放孔而消除了E點(diǎn)，最大疲勞損傷點(diǎn)C-chord-up疲勞損傷僅為24.6%。

可見，新型插板接頭的疲勞強(qiáng)度(最大疲勞損傷24.6%)顯著高于常規(guī)插板接頭(最大疲勞損傷129%)，前者疲勞壽命是后者的5.2倍(129/24.6=5.2)。

6 結(jié)語

運(yùn)用熱點(diǎn)應(yīng)力法對(duì)某型岸橋拉桿插板接頭的疲勞損傷進(jìn)行了評(píng)估，發(fā)現(xiàn)改進(jìn)后的拉桿插板接頭在200萬次循環(huán)時(shí)的疲勞損傷為24.6%，相比于常規(guī)插板接頭(最大損傷量為129%)，新型插板接頭疲勞壽命提高到5.2倍。該新型插板接頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可為岸橋產(chǎn)品的設(shè)計(jì)提供參考。