基于美国ASME标准的岸桥疲劳寿命估算*

郭 硕

(上海海事大学物流工程学院，上海 201306)

1 引言

岸桥是港口装卸过程中最重要的设备，其工作载荷大，一旦出现事故将造成严重的人员伤亡和经济损失。岸桥的破坏主要是运行过程造成的疲劳引起的，因此对工作中的桥机进行疲劳寿命的实时监测、疲劳预警有着显而易见的现实意义。

桥机焊接箱形梁的破坏特征:据大量实验所得，焊接结构在焊缝处应力集中最为明显，疲劳初始裂纹最多发生于焊缝处(焊趾、焊缝交叉点、焊缝起弧等处)［1］。岸桥焊接箱梁的疲劳部位大多是主梁横向大隔板与主腹板连接的焊缝处(大约距下盖板边缘50 mm)，和主腹板与下盖板的翼缘焊缝处。横向大隔板处应力集中等级最高，常见疲劳［2］。

2 Miner线性疲劳累计损伤理论

2.1 Miner线性疲劳累计损伤理论

假设在某恒幅交变应力范围Si作用下，经受ni次循环，构件的损伤为Di=ni/Ni。则在k个应力范围Si作用下，各经受ni次循环可定义:

式中:D为总损伤。则法则破坏准则为D=1。假如设计寿命时间为Td，时间Td内的损伤为D，则疲劳寿命为:

2.2 平均应力修正

决定疲劳寿命的是应力幅，但在使用Miner准则时通常要对平均应力进行修正，有三种方法。Goodman方法，通常该方法适用于脆性材料式(3);Gerber方法，通常该方法适用于延性材料式(4);Soderberg方法，最为保守，受力情况复杂，工作条件恶劣时可以采用式(5):

式中:Sy为屈服应力;Su为强度极限;Sca为需要纠正的平均应力。

2.3 等效应力幅

采用加权疲劳等效应力幅的计算方法疲劳等效应力幅为式(5);基于Miner法则，由数个折线组合而成的S－N曲线等效应力幅应改写为下式:

式中:Si为等效应力幅;m为S－N曲线的斜率;Kc和mc为S－N曲线上基准的截距和斜率;Ki和mi为应力幅Si所对应的S－N曲线上某一折线的截距和斜率。

3 各国标准中焊缝疲劳寿命评估方法

3.1 P－S－N曲线

在不变载荷情况下，对于每一等级接头，所施加载荷范围Si与达到疲劳的循环数N间的关系为:

式中:C0为与平均曲线Sr－N相关的常数;D为低于均值的标准偏差的数量;σ为N求对数的标准偏差;m为对数坐标下Si－N曲线的反向斜率。

3.2 BS7608 标准规范

BS7608规定一套S－N曲线，斜率在m=3～3.5和4～8之间变动;Eurocode 3和 IIW－Guideline规定的S－N曲线是等间距的，两段直线的斜率是3和5，具体参数由结构类型决定，如表1、2所列。

表1 英国标准基本P－S－N曲线的细节

表2 标称概率因数

3.3 结构应力法

3.3.1 断裂力学理论

断裂力学认为钢结构的疲劳都是遵循裂纹扩展规律的，任何焊缝都存在初始缺陷，在交变载荷作用下最终达到极限裂纹长度。从而疲劳寿命可分为裂纹形成和裂纹扩展两个阶段来计算［3－4］。

裂纹扩展过程:①由于初始裂纹较小，应力强度因子较低，裂纹几乎不扩展区;②随着裂纹的增大应力强度因子增大，当其大于设定的门槛值时，裂纹扩展速度增大，被称为条纹扩展区;③裂纹再增大，致使应力强度因子过高，裂纹急剧增大。

根据此理论能得到比名义应力法更准确的寿命估计结果，以此计算裂纹扩展阶段的疲劳寿命［5－6］。

3.3.2 结构应力法

遵循Paris裂纹增长定律的一个两阶段模型，经过大量的焊接试验，2006年美国新奥尔良大学Pingsha Dong教授提出了等效结构应力法。随后美国ASME标准及欧洲标准均做了规定［7］。

Paris裂纹增长定律的一个两阶段模型［8］:

积分得:

应力强度因子:

等效应力转化方程:

式中:n=2，m=3.6，t为板厚;Mkn是焊趾处的应力强度因子放大系数;ΔKn是应力强度因子范围;r为弯曲度比;I(r)是r的无量纲函数;Cd、h为主S－N曲线试验参数;N为疲劳寿命的循环次数。具体参数如表3所列。

3.3.3 各方法的优缺点

(1)名义应力法［9－10］

优点:只需测量焊缝附近钢结构的应力，在各国标准中应用最为广泛，如AAR标准、BS标准、EN标准，IIW标准等标准中均有规定，非常适合估算焊缝不很复杂的钢结构疲劳寿命。

表3 美国标准主S－N曲线试验参数

缺点:不同的焊接接头类型，其应力集中不同，当接头类型复杂，受力复杂时，在各标准中很难找到合适的接头数据，导致寿命评估困难。因此名义应力法有很多局限性。

(2)结构应力法

优点:疲劳设计采用单一的主S－N曲线，从而避免了焊接细节分类法对结构复杂接头部位名义应力值及相应疲劳设计S－N曲线的确定难度。

缺点:此方法主要针对焊趾疲劳，对起始于焊根、内部焊接缺陷等其他疲劳失效情形不适用。

4 雨流计数法

当应力循环能够构成完整的迟滞回线时，才会造成疲劳损伤，传统的雨流计数法只要满足条件Yi－1－Yi－2，Yi－ Yi－1，Yi+1－ Yi中 Yi－ Yi－1最小则可以提取循环 Yi－ Yi－1［11］。

对余下的应力循环的处理可以采用全封闭模型或二阶段模型，全封闭模型是将载荷历程首尾相接并在最大的峰(谷)处断开再提取循环如四峰谷值雨流计数法。此法不能实现实时处理。二阶段模型是将提取循环后的应力－时间历程调整对接，在进行第二阶段的提取，如实时雨流计数模型。此法容易漏点［12］。笔者采用一种改进的雨流计数模型，如图1所示。

5 用户界面编制

笔者以Matlab为工具编制了用户界面，如图2所示，可方便的输入应力数据，输出实时疲劳寿命。

6 结论

(1)此用户界面简单实用，寿命评估结构较为精确。

(2)裂纹形成阶段采用局部应力－应变法，裂纹扩展阶段采用结构应力法计算出的疲劳寿命更精确。

(3)用户界面分为标准选择模块、参数输入模块、图形显示模块和结果输出模块，使用方便。

图1 雨流计数法流程图

图2 用户界面图

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