桁架臂K型管接头寿命评估方法的对比分析与研究

蔡福海,金三强,王 欣

(大连理工大学机械工程学院辽宁大连116023)

桁架臂K型管接头寿命评估方法的对比分析与研究

蔡福海,金三强,王 欣

(大连理工大学机械工程学院辽宁大连116023)

以国外通用疲劳设计标准ABS,DNV,BS7608,ASME,IIW等为依据,总结对比了起重机桁架臂K型管接头疲劳评估的方法.通过对比可知,国外标准中没有给出名义应力法对应的S-N曲线,热点应力法成为其疲劳寿命评估的主要方法.ABS,DNV,BS7608标准中推荐的表面外推热点应力法与提供的管接头S-N曲线基本一致;ASME中给出的网格不敏感结构热点应力法即Battelle结构应力法也适用于管接头.同规格K型管接头在5种不同网格大小下的有限元应力计算结果的对比表明：相对于ABS，DNV，BS7608标准中的外推热点应力法,ASME标准中的Battelle结构应力法对网格有更强的适应性.

桁架臂; K型管; 疲劳设计标准; 热点应力

桁架臂起重机是一种广泛应用于国民经济各个领域的起重设备.近几年国内发生了一些臂架断裂事故,使其安全性受到越来越多业界人士的关注.臂架是履带起重机的重要承载构件,经常承受交变载荷的作用,疲劳破坏是其主要的失效形式之一.根据《GB/T3811起重机设计规范》,起重机设计寿命(即工作循环次数)在104数量级(起重机不经常使用的情况)到106数量级(经常使用)之间,属于高周疲劳范围.高周疲劳评估方法主要有两种,一种是基于S-N曲线的方法,另一种是基于断裂力学的方法.由于断裂力学只能计算裂纹扩展寿命,因此来源于疲劳试验数据的S-N曲线法仍然是疲劳评估方法的主流.对于焊接结构,基于S-N曲线的名义应力法和热点应力法两类方法是现阶段及今后相当长时间内最为适合于工程应用的疲劳分析技术[1].

目前,国内在起重机桁架臂疲劳寿命评估方面处于理论研究阶段,主要集中在名义应力法和热点应力法上,相应的规范与标准内容有待进一步完善.陈国华[2]、荆鹏飞[3]采用名义应力法分别对塔机、履带起重机进行了疲劳寿命评估.王东强[4]考虑了载荷之间的相互影响,采用基于模糊损伤的Miner准则,用名义应力法对50t履带起重机进行了寿命评估.郑钰琪等[5]使用疲劳耐久性分析软件FE-SAFE,并结合单位载荷下的名义应力谱,对某型号汽车起重机臂架钢结构进行了寿命预测.黄邵军[6]研究了影响桁架臂K型管热点应力集中系数的因素,并用热点应力法对履带起重机臂架进行了寿命评估.吴铦敏等[7]以渤海某起重机为例,以实测的数据,利用热点应力法和Miner累计损伤理论估算了起重机的疲劳寿命.

起重机桁架臂的细节结构多为K型焊接管接头,研究K型管焊接接头显得非常重要.由于国内外通用的疲劳标准规范中没有适合K型管焊接接头的名义应力S-N曲线,因此目前应用于起重机桁架臂的名义应力S-N曲线都是根据材料的S-N曲线进行各种参数修正得到的.臂架K型管焊接结构的修正过程没有严格的标准参照,容易受到不确定性因素的影响.

对于K型管焊接接头,其细节结构复杂,国外标准如船级社的ABS[8]，DNV[9]，英国BS7608[10]等提供了管焊接接头的表面外推热点应力S-N曲线,美国2007版ASME锅炉及压力容器标准[11]提供了网格不敏感结构热点应力法(也称作Battelle结构应力法)的主S-N曲线.国际焊接协会(International lnstitute of Welding,IIW)[12]对于管接头外推热点应力法也给出了建议.可以看出,针对K型管焊接接头的疲劳评估,热点应力法的标准依据更加充分.

但是,我们在起重机桁架臂K型管接头疲劳评估中该选择哪个标准,该采用表面外推热点应力法还是Battelle结构应力法,目前没有这方面的对比研究.本文将以标准为依据,分别用表面外推热点应力法和Battelle结构应力法评估K型焊接管接头的疲劳寿命.

1 热点应力法及其在不同标准中的应用

对于焊接结构,疲劳破坏常发生在焊趾处,热点应力指焊趾处的结构应力.如图1所示,焊趾热点部位沿厚度方向的实际应力σloc由膜应力σm、弯曲应力σb和非线性应力峰值σnlp3部分组成.非线性应力峰值是一组自相平衡力系,主要由焊趾缺口效应引起.热点应力不考虑非线性应力峰值引起的应力集中,目前普遍接受的方法是将热点应力定义为焊趾处膜应力与弯曲应力之和.根据获得热点应力的方法不同,热点应力法可分为表面外推热点应力法和Battelle结构应力法.针对于K型管接头,两种方法在各标准中的应用情况见表1.

表1 两种方法在标准中的应用

图1 焊趾热点部位沿厚度方向的实际非线性应力分布及分解Fig.1 Actual nonlinear stress distribution in the thickness directionof weld toe

1.1 表面外推热点应力法的应用对比

(1)

式中:σX1,σX2分别为外推点X1,X2处的结构应力.

图2 两点外推插值法示意图Fig.2 Two points surface extrapolation of stress

图3 管接头焊缝周围的应力梯度及插值点Fig.3 Stress gradient and interpolation points around the pipe joint weld

目前,疲劳评估中焊趾处热点应力分量的选取存在一定的分歧.IIW,DNV等标准建议使用最大主应力,AWS(American Weding Socity),API(Ameican petroleum lnstitute)等标准建议使用垂直于焊趾的应力分量.两种应力成分虽然不同,但在接近焊趾处对计算结果影响并不显著.实际试验中,为方便测量也多选用垂直于焊趾处的应力分量[6].本文中疲劳评估选用的是垂直于焊趾处的热点应力分量.

针对于管接头,船级社ABS,DNV,英国BS7608标准规范中均提供了表面外推热点应力法S-N曲线.这些管接头热点应力S-N曲线中,根据环境的不同分为3组:在空气中；在海水里有阴极保护；在海水中自由腐蚀.起重机桁架臂属于在空气中的情况,本文提到的均为在空气环境下平均寿命值减去2倍标准差(即存活率为95%)对应的S-N曲线.ABS,DNV,BS7608中管接头的基本热点应力S-N曲线基本一致，为

(2)

(3)

(4)

式(2)-(4)中,N为被芳循环次数；S,Sr,Δσ均为应力幅值，在不同标准采用了不同的符号而已.

通过比较发现,上述管接头的热点应力S-N曲线差异不大.

上述的S-N曲线都是针对于基本壁厚的,当壁厚增大时,寿命会下降,因此需要进行壁厚修正.ABS，DNV，BS7608中的壁厚修正公式一致,且说明当壁厚大于基本壁厚时修正,当壁厚小于基本厚度时不需要修正,以ABS中表达式为例:

(5)

式中:S为基本厚度下的应力范围;Sf为经厚度修正后的应力范围;t为实际壁厚(t>tR);tR为基本壁厚;q为厚度指数因子(=0.25).不同标准中定义的管接头基本壁厚有些差异,ABS为22 mm,DNV为32 mm,BS7608为16 mm.基本壁厚值不同,可能与部分安全系数有关.本文中,当K型管壁厚小于16 mm时,可不做厚度修正.

1.2 Battelle结构应力法的应用对比

Battelle结构应力法是21世纪初由美国Battelle实验室董莎平教授等人提出的一种新的对网格不敏感的结构应力法.由于热点应力计算对网格不敏感、疲劳寿命预测精度较高及其广泛的适应性,2007年Battelle结构应力法先后被写入ASME锅炉及压力容器标准、API/ASME合于使用性评定标准.相对于基于表面插值的热点应力法,网格不敏感结构应力法更适合复杂焊接结构的寿命评估,可大大降低对局部网格的设计和质量要求[14].Battelle结构应力法首先通过节点力和力矩得到膜应力σm和弯曲应力σb,结构应力幅Δσs=Δσm+Δσb,然后基于断裂力学理论通过考虑焊缝缺口效应、壁厚t、载荷弯曲比r的影响将结构应力转化为等效结构应力ΔSs,如公式(6),具体的定义和理论计算可参考文献[10-11].

(6)

ASME标准中主S-N曲线为

(7)

式中:C为材料常数;h为斜率.

当式(7)为平均寿命值减去2倍标准差对应的S-N曲线时,C=13875.8,h=-0.32.将式(7)化为双对数形式:

logN=12.9446-3.125logΔSs

(8)

2 两种热点应力法的K型管寿命计算对比

本文中K型管模型取自25 t级轮胎起重机的桁架臂顶节危险区域,几何尺寸及加载约束方式参考文献[6],如图4所示.K型管的热点通常出现在冠点和鞍点等处或其附近,将K型管沿焊缝每隔15o选取一个热点,如图5所示.分别使用表面外推热点应力法和Battelle结构应力法,对施加脉冲循环载荷下的K型管的疲劳寿命进行计算.

图4 K型管几何尺寸及边界条件Fig.4 Geometry and boundary conditions of K-joint

图5 K型管外推插值点的选取(弦杆俯视图)Fig.5 Extrapolation interpolation points of K-joint(chord plan view)

为了同时保证计算量小和较好的计算精度,有限元模型统一选用shell63单元模拟弦杆和腹杆及其焊缝,有限元模型如图6a所示,并分别选用5种不同网格的大小 (0.25t×0.25t,0.5t×0.5t,1t×1t,1.5t×1.5t,2t×2t,t为弦杆的壁厚),图6b为0.25t×0.25t网格时焊缝局部处的应力云图.

图6 K型管有限元模型及应力云图Fig.6 K-joint finite element model and Stress distribution

通过计算发现,外推热点应力法和Battelle结构应力法最危险点均出现在加载侧(图6b所示)焊缝的冠点处(180o处).由于模型对称,这里仅列出跟点到冠点其中一侧的计算结果,如图7所示.从图7可以看出,应力较大点出现在跟点和冠点处,因此应该避免由于网格大小原因造成跟点和冠点处应力水平的波动.网格大小为0.25 t×0.25t与0.5t×0.5t时,表面外推热点应力和Battelle结构应力基本没有波动;当网格逐渐增大到1t×1t,1.5t×1.5t,2t×2t时,在跟点和冠点处表面外推热点应力出现较大的波动,Battelle结构应力在跟点处有稍小的波动,在最重要的冠点处基本没有波动.相比表面外推热点应力法来说,Battelle结构应力法对网格有更强的适应性.

图7 5种不同大小网格下两种热点应力法沿焊趾结构的应力分布Fig.7 Two hot spot stress distribution along the weld toe under five different mesh sizes

图8 沿焊趾等效结构应力的分布Fig.8 Equivalent structural stress distribution along the weld toe

图9 Battelle结构应力修正系数Fig.9 Correction factor of battelle structural stress

标准ABS,DNV,BS7608中表面外推热点应力法对小于基本壁厚(ABS为22 mm,DNV为32 mm,BS7608为16 mm)的模型,结构应力不必做修正,而ASME中的Battelle结构应力法中,结构应力需考虑焊缝缺口效应、壁厚t、载荷弯曲比r等因素的影响修正得到等效结构应力,以0.5t×0.5t的模型为例,如图8所示,其中Battelle结构应力修正系数如图9所示.可以看出,相对于结构应力,修正后得到的等效结构应力最大增幅近20%,说明修正系数的影响显著.在危险点跟点和冠点处,根据式(2)，(8),美国ASME标准中的Battelle结构应力法计算的疲劳寿命(7.63×105次)高于ABS,DNV,BS7608标准中外推热点应力法计算的寿命(4.36×105次),如图10所示.

出现两种方法计算结果不一致的原因,一方面是参考的S-N曲线不同,另一方面是考虑影响因素的全面性不同.ASME中的主S-N曲线是由数千个包含广泛的不同接头类型、不同板厚和加载模式疲劳试验数据(其中包含其他标准提供的数据曲线),结合等效结构应力拟合得到的曲线.ASME中主S-N拟合曲线的标准差大约为0.25,甚至还略小于单一接头下BS7608中的“Class F”疲劳试验拟合曲线标准差(0.29)[12].ASME标准中的Battelle结构应力法和ABS，DNV，BS7608中表面外推热点应力法计算的寿命结果都是可信的,因为它们提供的参考曲线都是通过大量的试验数据得到的.由于基础理论和参考的应力参量不同,在满足一定存活率条件下,相应S-N曲线的拟合度存在差异.Battelle结构应力法基于断裂力学的理论,考虑了焊缝缺口效应、壁厚t、载荷弯曲比r等因素的影响,有更强的理论支撑,主S-N曲线也有较高的拟合度.因此建议优先采用Battelle结构应力法对桁架臂焊缝进行疲劳寿命的评估.

图10 两种不同热点应力法的寿命计算对比Fig.10 Fatigue life comparison under two hot spot stress methods

3 结论

(1) 对于K型管这种细节复杂的焊接接头,名义应力法在通用的疲劳标准中找不到对应的S-N曲线,因而热点应力法成为评估K型管接头疲劳寿命的主要方法.

(2) ABS,DNV,BS7608等通用疲劳标准推荐表面外推热点应力法,而且均给出了管接头的外推热点应力S-N曲线,且S-N曲线基本一致.Battelle结构应力法同时适用于管接头和板接头,给出了主S-N曲线.

(3) 通过对同规格K型管的5种不同网格大小的有限元模型计算发现,相对于外推热点应力法,Battelle结构应力法对网格有更强的适应性.

(4) 相比于表面外推结构应力法,Battelle结构应力法基于断裂力学的理论,考虑了焊缝缺口效应、壁厚t、载荷弯曲比r等因素的影响,有更强的理论支撑,主S-N曲线也有较高的拟合度.因此建议优先采用ASME标准中的Battelle结构应力法对桁架臂焊缝进行疲劳寿命的评估.

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Comparative analysis on fatigue life assessment for tubular K-joints of truss booms

CAI Fu-hai,JIN San-qiang,WANG Xin

(School of Mechanical Engineering, Dalian University of Technology, Dalian 116024, China)

Based on such fatigue design standards as ABS, DNV, BS7608 and ASME, the fatigue assessment on crane truss boom is postulated. Due that theS-Ncurves of nominal stress are not included in fatigue design standardsfor complex tubular K-joints, the hot-spot stress method is employed. Accordingly, the extrapolation-based hot spot stress method is proposed with consistentS-Ncurves in ABS, DNV and BS7608. By referencing to a new hot-spot stress method called Battelle structural stress method in ASME, it is found that the Battelle structural stress method is more mesh-insensitive by verifying five mesh finite element models. Compared with ABS, DNV and BS7608, this approach is less conservative to fatigue life assessment.

lattice boom; tubular K-joints; fatigue standard; hot-spot stress

国家“八六三”高技术发展计划(2012AA041804)；国家科技支撑计划(2015BAF07B01);中海油能源发展股份有限公司科技项目(HFKJ-YJ1305)

蔡福海(1982-),男,高级工程师，博士.E-mail:cfhdkut@163.com

TG 405

A

1672-5581(2016)05-0388-06