结构的疲劳失效与疲劳控制设计课件

控制疲劳失效的结构设计8结构的疲劳失效与疲劳控制设计2fatiguefailureInmaterialsscience,fatigueistheprogressiveandlocalizedstructuraldamagethatoccurswhenamaterialissubjectedtocyclicloading.Themaximumstressvaluesarelessthantheultimatetensilestresslimit,andmaybebelowtheyieldstresslimitofthematerial.8结构的疲劳失效与疲劳控制设计2工程结构疲劳设计无限寿命设计：使结构永远不发生疲劳破坏。有限寿命设计：结构在设计年限内不发生疲劳破坏。耐久性设计：应用于结构维修与更换。8结构的疲劳失效与疲劳控制设计2相关概念交变应力材料疲劳破坏机理材料疲劳强度结构疲劳寿命与疲劳设计8结构的疲劳失效与疲劳控制设计2交变应力结构在受到交变荷载作用下，会产生交变性的应力交变性载荷通常有两类：工作荷载中的交变荷载环境荷载中交变性荷载8结构的疲劳失效与疲劳控制设计2交变应力

8结构的疲劳失效与疲劳控制设计2FaaFDCBA

交变应力

(alternativestress）

——应力随时间交替变化FQFFMFatσ8结构的疲劳失效与疲劳控制设计2随机交变应力（应变）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。随机荷载作用的结构疲劳分析是结构设计的重要内容。8结构的疲劳失效与疲劳控制设计2旋转机器的振动8结构的疲劳失效与疲劳控制设计2结构材料疲劳破坏机理8结构的疲劳失效与疲劳控制设计2疲劳破坏过程结构的疲劳是由于裂纹不断开裂形成最后的破坏。对于光滑表面是如何导致疲劳破坏的？8结构的疲劳失效与疲劳控制设计2初始缺陷滑移滑移带初始裂纹(微裂纹)宏观裂纹脆性断裂光滑表面的疲劳破坏8结构的疲劳失效与疲劳控制设计2

疲劳初始裂纹的形成晶粒8结构的疲劳失效与疲劳控制设计2疲劳断口特征包括两部分:光滑面与粗糙面。疲劳源区疲劳裂纹扩展8结构的疲劳失效与疲劳控制设计28结构的疲劳失效与疲劳控制设计2工程结构的疲劳设计8结构的疲劳失效与疲劳控制设计2结构疲劳设计的几个概念低周疲劳破坏高周疲劳破坏有限寿命疲劳设计（S-N曲线法）损伤容限疲劳设计（断裂力学法）8结构的疲劳失效与疲劳控制设计2材料的疲劳S-N曲线8结构的疲劳失效与疲劳控制设计2获得材料S-N曲线的实验方法加载方法：交变加载，脉动加载。试验制备：弯曲，拉伸I试验过程与曲线获得。8结构的疲劳失效与疲劳控制设计2疲劳试验加裁交变应力8结构的疲劳失效与疲劳控制设计2疲劳试件8结构的疲劳失效与疲劳控制设计2疲劳试验装置8结构的疲劳失效与疲劳控制设计2对称循环疲劳试验机8结构的疲劳失效与疲劳控制设计2

按照作用的循环应力的大小疲劳低应力，高疲劳周期）高应力，低变疲劳周期Smax－循环应力Sy－屈服应力Smax<SySmax>SyNf<104Nf>104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。8结构的疲劳失效与疲劳控制设计2关于结构的低周疲劳破坏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。疲劳设计通常要求高周疲劳破坏。低周疲劳通常引起事故。渤海上部管线的振动断裂为低周疲劳破坏。8结构的疲劳失效与疲劳控制设计2海洋平台冰振引起的低周疲劳8结构的疲劳失效与疲劳控制设计2冰振引起的上部管线疲劳断裂8结构的疲劳失效与疲劳控制设计2放空管断口分析放空管的断裂断口宏观特征

放空管的断裂断口微观特征

疲劳条带间距较大断口与轴线成90。角

断口表面有较明显的裂纹源、裂纹扩展区、瞬断区断口表面没有明显的疲劳弧线

整个断口高低不平

8结构的疲劳失效与疲劳控制设计2材料的疲劳强度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。通常材料的疲劳强度用S-N曲线表示。S-为破坏强度，N-为对应的循环次数。材料的强度与材料的疲劳强度主要区别？8结构的疲劳失效与疲劳控制设计2影响结构疲劳寿命因素材料的抗疲劳性能交变应力幅值交变应力性能循环次数结构应力集中8结构的疲劳失效与疲劳控制设计2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。结构疲劳设计方法8结构的疲劳失效与疲劳控制设计2结构疲劳寿命的估计方法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。恒幅交变应力随机交变应力Palmgren-Miner准则雨流法：时程分析应力谱法8结构的疲劳失效与疲劳控制设计2Palmgren-Miner准则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.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。8结构的疲劳失效与疲劳控制设计2计数Miner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8结构的疲劳失效与疲劳控制设计2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选用适合构件使用的的S-N曲线再用S-N曲线，利用Miner线性累积损伤理论，计算损伤判断是否满足疲劳设计要求。利用Miner理论进行疲劳分析的一般步骤8结构的疲劳失效与疲劳控制设计2随机交变应的统计方法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。通常有两种方法：时程分析法频域分析法8结构的疲劳失效与疲劳控制设计2时域统计法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，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。8结构的疲劳失效与疲劳控制设计2Rainflowcountingalgorithm雨流法8结构的疲劳失效与疲劳控制设计28结构的疲劳失效与疲劳控制设计2频域分析法在随机结构振动中，通常采用频域分析法。载荷谱响应谱窄带响应谱应力统计分布曲线8结构的疲劳失效与疲劳控制设计2JZ20－2北高点平台典型应力谱及应力峰概率分布应力标准差8结构的疲劳失效与疲劳控制设计2工程实例：海洋平台冰振疲劳分析振动失效分析振动振响应分析振动疲劳应力疲劳环境疲劳寿命8结构的疲劳失效与疲劳控制设计2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甲板加速度管节点交变应力8结构的疲劳失效与疲劳控制设计2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Miner理论

累积损伤度疲劳寿命S－N曲线X曲线X´曲线8结构的疲劳失效与疲劳控制设计2时间域法计算流程雨流计数法8结构的疲劳失效与疲劳控制设计2谱分析法计算流程8结构的疲劳失效与疲劳控制设计2

直立结构劈裂弯曲/屈曲挤压：准静态，稳态，随机锥体结构

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8结构的疲劳失效与疲劳控制设计2直立结构

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锥体确定性冰力函数

锥体随机冰力函数

8结构的疲劳失效与疲劳控制设计2海冰参数测量(冰厚、冰速等)安装在平台上的摄像头8结构的疲劳失效与疲劳控制设计2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8结构的疲劳失效与疲劳控制设计2热点应力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8结构的疲劳失效与疲劳控制设计2－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）结构的简化实例8结构的疲劳失效与疲劳控制设计2导管架直径3.5m群桩直径1.3m水深13.5mJZ20－2北高点平台（在建）JZ20－2北高点平台有限元模型（2）结构模型及参数8结构的疲劳失效与疲劳控制设计2水深（m）上部质量（t）自振频率f(Hz)f1f2f3f4f5JZ20－2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）结构参数及动力特性8结构的疲劳失效与疲劳控制设计2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0.110.20.160.070.210.140.020.070.02冰日2228354248546167738结构的疲劳失效与疲劳控制设计2（4）冰厚、冰速分布及出现概率8结构的疲劳失效与疲劳控制设计2冰厚冰速联合概率分布图8结构的疲劳失效与疲劳控制设计2锥体冰力谱的计算每一种疲劳工况（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（3）锥体冰力谱8结构的疲劳失效与疲劳控制设计2冰厚t＝20cm冰速v＝40cm/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8结构的疲劳失效与疲劳控制设计2JZ20－2北高点平台典型应力谱及应力峰概率分布应力标准差8结构的疲劳失效与疲劳控制设计2JZ20－2北高点平台各工况下应力标准差8结构的疲劳失效与疲劳控制设计2平台冰