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1、 控制疲劳失效的结构设计fatigue failurenIn materials science,fatigue is the progressive and localized structural damage that occurs when a material is subjected to cyclic loading.The maximum stress values are less than the ultimate tensile stress limit,and may be below the yield stress limit of the material.工程结
2、构疲劳设计n无限寿命设计：使结构永远不发生疲劳破坏。n有限寿命设计：结构在设计年限内不发生疲劳破坏。n耐久性设计：应用于结构维修与更换。相关概念n交变应力n材料疲劳破坏机理n材料疲劳强度n结构疲劳寿命与疲劳设计交变应力n结构在受到交变荷载作用下，会产生交变性的应力n交变性载荷通常有两类：n工作荷载中的交变荷载n环境荷载中交变性荷载交变应力交变应力 FaaFDCBA 交变应力交变应力 ）应力随时间交替变化应力随时间交替变化tIMRy sin FQFFMFat随机交变应力（应变）n结构受环境荷载作用，大多为随机的动力响应，表现为随机应力。n随机荷载作用的结构疲劳分析是结构设计的重要内容。旋转机器的
3、振动结构材料疲劳破坏机理疲劳破坏过程n结构的疲劳是由于裂纹不断开裂形成最后的破坏。n对于光滑表面是如何导致疲劳破坏的？光滑表面的疲劳破坏 疲劳初始裂纹的形成疲劳初始裂纹的形成晶粒晶粒疲劳断口特征n包括两部分:光滑面与粗糙面。疲劳源区疲劳源区疲劳裂纹扩展工程结构的疲劳设计结构疲劳设计的几个概念n低周疲劳破坏n高周疲劳破坏n有限寿命疲劳设计（S-N 曲线法）n损伤容限疲劳设计（断裂力学法）材料的疲劳S-N 曲线获得材料S-N 曲线的实验方法n加载方法：交变加载，脉动加载。n试验制备：弯曲，拉伸nI试验过程与曲线获得。疲劳试验加裁交变应力对称循环疲劳试验机 按照作用的循环应力的大小按照作用的循环应力
4、的大小疲疲劳劳低应力，高疲劳低应力，高疲劳周期周期）高应力，低变疲高应力，低变疲劳周期劳周期Smax循环应力循环应力 Sy屈服应力屈服应力Smax SyNf 104低周与高周疲劳低周与高周疲劳高周疲劳也称应力控制疲劳,是大多数结构设计依据。低周疲劳也称应变控制疲劳，是结构设计应避免的工况，也是设备检修的依据。关于结构的低周疲劳破坏n结构低周疲劳破坏指在很少的应力循环周期内，结构就疲劳破坏了。通常只有几千次。n疲劳设计通常要求高周疲劳破坏。n低周疲劳通常引起事故。n渤海上部管线的振动断裂为低周疲劳破坏。海洋平台冰振引起的低周疲劳冰振引起的上部管线疲劳断裂放空管断口分析放空管断口分析放空管的放空管
5、的断裂断口断裂断口宏观特征宏观特征 放空管的放空管的断裂断口断裂断口微观特征微观特征 疲劳疲劳条带条带间距间距较大较大断口断口与轴与轴线成线成9090。角角 断口表面断口表面有较明显有较明显的裂纹源、的裂纹源、裂纹扩展裂纹扩展区、瞬断区、瞬断区区 断口表断口表面没有面没有明显的明显的疲劳弧疲劳弧线线 整个整个断口断口高低高低不平不平 材料的疲劳强度n材料的疲劳强度是指光滑试件经过多次各循环加载的破坏强度。n通常材料的疲劳强度用S-N 曲线表示。nS-为破坏强度，N-为对应的循环次数。n材料的强度与材料的疲劳强度主要区别？影响结构疲劳寿命因素n材料的抗疲劳性能n交变应力幅值n交变应力性能循环次数
6、n结构应力集中无限寿命设计无限寿命设计 设计条件为 ，材料的疲劳极限 由材料S-N曲线给出。安全寿命设计安全寿命设计 使构件在有限长设计寿命内，不发生疲劳破坏的设计；以材料S-N曲线和Miner累计损伤理论为基础损伤容限设计损伤容限设计 假定构件中存在裂纹，用断裂力学、疲劳裂纹扩展分析和试验验证，保证在定期检查中发现裂纹之前，裂纹不会扩展到足以引起破坏。fSSfS结构疲劳设计方法结构疲劳设计方法结构疲劳寿命的估计方法n采用有限寿命方法估计，主要有两方面的内容一是交变应力，二是循环次数。n恒幅交变应力n随机交变应力nPalmgren-Miner 准则n雨流法：时程分析n应力谱法Palmgren-
7、Miner 准则n当材料承受高于疲劳极限应力时，每一个载荷循环都使材料产生一定的损伤，每一个循环造成的平均损伤为1/N（N 为对应荷载的疲劳寿命），n 次恒幅载荷造成的损伤就是C=n/N.n对于变幅的损伤D则为 ni 为i 级载荷的循环次数，Ni 为第i 级载荷下的疲劳寿命。当损伤累积到了临界值时就发生破坏。kiiiNnDD1/inkiiiNnDD1/计数Miner线性累积损伤理论线性累积损伤理论S（载荷）N（循环次数）图变幅载荷谱累积损伤度n确定构件在设计寿命期的载荷，选取拟用的设计荷载或应力水平n选用适合构件使用的的S-N曲线n再用S-N曲线，利用Miner线性累积损伤理论，计算损伤n判断
8、是否满足疲劳设计要求。利用利用Miner理论进行疲劳分析的一般步骤理论进行疲劳分析的一般步骤随机交变应的统计方法n对于恒应力幅的交变应力统计比较方便，但对于随机应力时程则比较麻烦。n通常有两种方法：n时程分析法n频域分析法时域统计法n对测量或计算获得的交变应力时程曲线的幅值进行统计，一般采用雨流法，n雨流法可以将随机交变应幅值“数”出来，便于采用计算机自动识别。Rainflow counting algorithm 雨流法频域分析法n在随机结构振动中，通常采用频域分析法。n载荷谱n响应谱n窄带响应谱n应力统计分布曲线JZ202北高点平台典型应力谱及应力峰概率分布0102030405060708
9、000.0050.010.0150.020.0250.03Stress(MPa)ProbabilityRayleigh DistributionMPas22应力标准差工程实例：海洋平台冰振疲劳分析n振动失效分析n振动振响应分析n振动疲劳应力n疲劳环境n疲劳寿命海洋平台结构的主要失效模式海洋平台结构的主要失效模式动力失效节点疲劳失效加速度失效人员感受上部管线x 甲板加速度管节点交变应力结构疲劳寿命设计结构疲劳寿命设计设计条件优点适应范围无限寿命设计简单合理适用经历无限次循环的构件安全寿命记时计简单，应用方便，有一定的可靠性适用新建结构，应用广泛损伤容限设计思路符合实际，合理适用于定期检修的重要构
10、件耐久性设计综合考虑安全、功能及使用经济性 适用于定期检修的重要构件fSS ciaaciaaDTf1kiiiNnDD1/DTf1mrefN)(1026l Miner Miner理论理论 累积损伤度 疲劳寿命l S SN N曲线曲线SN曲线204060801001201401601802000E+02E+74E+76E+78E+71E+81E+81E+82E+82E+82E+8N(循环次数）S（应力幅）X曲线X曲线时间域法计算流程结构力学模型 动力分析 NS 曲线 冰疲劳环境模型 冰 期 各子工况出现的次数 冰力函数)(tF 疲劳寿命损伤D 选择结点 应力时间历程 应力出现次数 疲劳寿命DTf1
11、 按冰厚、冰速划分子工况 确定各子工况出现的概率 雨流计数法)2exp()(222ssP)(ijijPnn谱分析法计算流程冰 期 结构力学模型 动力分析 应力幅概率密度（瑞利分布）NS 曲线 冰疲劳环境模型 各个子工况出现的次数 冰荷载谱)(fS 疲劳寿命损伤D 选择结点 应力谱 应力标准差s 各应力幅出现次数ni 疲劳寿命DTf1 按冰厚、冰速划分子工况 确定各子工况出现的概率 直立结构直立结构 劈裂 弯曲/屈曲 挤压：准静态，稳态，随机稳态，随机锥体结构锥体结构 弯曲破坏弯曲破碎锥体冰力时程直立结构随机冰力时程直立结构稳态冰力时程挤压破碎直接冰力测量(直立、锥体)冰力时程冰力时程 直立结构
12、 挤压破碎冰力谱 锥体结构 确定性冰力函数 随机冰力函数 冰力谱0246800.020.040.060.080.10.12Frequency(Hz)PSDPSDFit result0246810012345678x 109Frequency(HZ)Crushing ice force PSD(N2/HZ)直立结构挤压破碎冰力谱锥体冰力谱 基于实测冰力测量建立冰荷载模型基于实测冰力测量建立冰荷载模型锥体确定性冰力函数 锥体随机冰力函数 海冰参数测量(冰厚、冰速等)安装在平台上的摄像头冰疲劳环境参数冰疲劳环境参数冰厚冰速冰强度冰期冰作用时间冰作用方向冰荷载的大小冰荷载作用次数冰荷载作用方向 获得冰
13、疲劳环境参数的方法获得冰疲劳环境参数的方法 实测冰情数据(主要)数值预报数据(辅助)海冰参数测量(冰厚、冰速等)冰疲劳环境模型冰疲劳环境模型热点应力热点应力n结构是由多个构件组成的系统，在荷载激励下，传递力最大的构件成为结构中最薄弱的部分n冰区导管架平台结构的最大冰激应力一般都发生导管架管结点焊缝处，称为热点。且认为热点处疲劳失效，整个结构即失效。管节点交变应力质量：上部质量按均匀分布刚度：按等效弹簧考虑桩土相互作用阻尼：取2单元作用shell63模拟导管架或上部质量pipe16模拟桩conbination39模拟桩土相互作用beam189模拟工字梁选用的单元（1 1）结构的简化）结构的简化实
14、例实例导管架直径3.5m群桩直径1.3m水深13.5mJZ202北高点平台（在建）JZ202北高点平台有限元模型（2 2）结构模型及参数）结构模型及参数水深（m）上部质量（t）自振频率f(Hz)f1f2f3f4f5JZ202北高点平台13.52500.870.881.353.803.88振型:一、二阶为平移，三阶以上为扭转（3 3）结构参数及动力特性）结构参数及动力特性冰疲劳环境的确定 （1）有效冰期均值：42天 （2）冰作用时间：24小时 （3）冰作用方向：45、225（以正北向为基准，顺 时针为正）等级1.01.52.02.53.03.54.04.55.0频次0.110.20.160.07
15、0.210.140.020.070.02冰日222835424854616773 （4 4）冰厚、冰速分布及出现概率）冰厚、冰速分布及出现概率冰厚冰速联合概率分布图锥体冰力谱的计算34.02cfLDtBF每一种疲劳工况（一种冰厚和冰速）对应一个冰力谱（1）锥体冰力幅值（2）锥体冰力周期VktVLTb（3）锥体冰力谱)147.5exp(88.10)(64.064.05.35.220fTfTFfS冰厚t20cm冰速v40cm/s冰激疲劳分析结果北高点平台典型应力云图最大应力点JZ202北高点平台典型应力谱及应力峰概率分布0102030405060708000.0050.010.0150.020.0250.03Stress(MPa)ProbabilityRayleigh DistributionMPas22应力标准差JZ202北高点平台各工况下应力标准差平 台冰激疲劳寿命（年）JZ202北高点平台64平台冰激疲劳寿命 对于重要构件的疲劳分析必须进行充分的试验验证，若仅依据分析，则必须保证足够的安全储备，一般取安全系数为23。综合考虑，JZ202北高点平台的冰激疲劳寿命满足设计要求。思考题n材料疲劳破坏的过程n如何获得材料的S-N 曲线n结构疲劳破坏为什么比较危险n材料疲劳与结构疲劳区别n低周疲劳与高周疲劳n有限寿命与无限寿命的概念n疲劳环境的概念
