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非线性连接接头疲劳仿真及试验

2018-11-20赵术杰姜鹏宇任俊宏

装备制造技术 2018年9期
关键词:浮桥夹具测点

赵术杰,邵 飞,徐 倩,朱 乐,姜鹏宇任俊宏

(1.陆军工程大学野战工程学院,江苏 南京210007;2.陆军研究院作战保障研究所,江苏 无锡214000)

浮桥在水中的受力情况异常复杂,由于水力学特性较为复杂,导致其接头部位的受力情况难以简化计算。受海上风浪影响,浮桥构件之间持续相互碰撞,其接头部位疲劳性能良好与否决定了整座栈桥的使用寿命。处于海洋环境下的浮桥,若采用刚性连接,在波浪荷载持续作用下,连接件始终处于较高应力水平下工作直接导致其疲劳寿命较短。为解决此问题,考虑采用刚性和柔性连接相结合的方式,进行浮桥间的连接。受力除桥上通载外,也包括风浪荷载,导致浮桥构件持续相互碰撞。因此,连接构件的疲劳性能好坏决定了浮桥正常工作使用寿命。目前,接头的形式和种类繁多,国内研究者对接头疲劳性能展开了相关研究。张银龙[1]等对军用桥梁疲劳问题指出了若干研究重点,其中就包括接头的疲劳问题。李峰[2]等对丙丁接头的接触进行了细致的研究,与经验合成计算结果和常规有限元分析的结果进行对比,证明接触分析方法对连接件塑性变形、疲劳分析和优化设计有重要指导意义。文章[3]研究了一种新型的刚柔组合的非线性连接接头,朱乐[3-4]等完成了非线性接头有关静力特性的数值模拟,但实际的静力特性和疲劳性能都有待研究,为验证接头在设计载荷作用下疲劳寿命能否达到10 000次通载的技术指标要求,对此类接头展开了静力强度和疲劳的仿真和试验。

1 基于ANSYS Workbench接头疲劳仿真

接头实体模型在Solideworks中建立,其爆炸视图如图1所示。由于模型的对称性,为减小计算量,本实体模型为二分之一模型。模型最两边的构件不是接头所包含部分,只是为了更好的模拟之后实验而增加的部分,其作用是方便接头和压力机相连。

图1 接头实体模型爆炸视图

将建立好的实体模型导入至ANSYS Workbench中。Workbench疲劳分析模块分析是ANSYS Me_chanical内置功能之一,其疲劳仿真分析是建立在静力分析的基础上[5]。因为夹具板只是为了试验方便而临时设计的装置,不是实验探究的目的。在网格划分中,将夹具板网格大小设置为20 mm,其余接头、柔性板和螺栓的网格大小设置为5 mm.边界条件为一边夹具板设置为固支,荷载加载在另外一边夹具板上。接头的设计荷载为250 kN,所以在算例中荷载大小为125 kN.将力的方向设置为朝向夹具板方向,即为压力。接触设置中,将接头与接头、接头与销钉之间的接触设置为摩擦接触,摩擦系数设置为0.18,其余设置为绑定接触。在疲劳模块中,分析类型选择为应力疲劳。考虑到单个构件的强度不能在整体结构中完全发挥,将疲劳强度影因子设置为0.95.荷载类型设置为幅值为从0至1的正弦荷载。选用平均应力曲线考虑平均应力的影响。疲劳计算结果为通载12 129次,达到设计荷载下通载10000次的要求。其结果如图2所示。

图2 疲劳计算结果

考虑到本接头将运用到浮桥中,其大部分时间受到风浪荷载,其应力水平较小。改变疲劳模块的scale factor大小,可以得到不同荷载峰值大小下的疲劳计算结果。其结果如图3所示。

图3 不同荷载疲劳寿命计算结果

从图3可得,随着荷载的减小,疲劳寿命都呈指数式增加。当循环荷载峰值达到设计荷载一半时,接头所能承受的通载次数已经达到148 190次,能满足一般使用的要求。

2 非线性连接接头实验构件

实验构件主要由单双耳接头、承接板和夹具板通过螺栓和销钉连接而成。单双耳接头之间采用销钉连接。接头与夹具板通过高强螺栓连接,夹具板和接头之间有一层15 mm厚聚氨酯材料制成的承接板,从而形成刚柔组合连接。单个接头与夹具板连接如图4所示。

图4 单个接头与夹具板连接示意图(阴影部分为聚氨酯垫块)

3 试验设计及分析

试验在总装工程兵技术装备研究所结构力学试验室进行,压力机型号为MTS815.实验试件总共有6组相同试件(B1-B6)。先将试件B1用来作静力极限承载试验,之后将剩余5组试件(试件B2-B6)用来作疲劳试验。

通过试件B1,测定刚柔组合接头的极限承载力。通过试件B2-B6的疲劳试验来验证设计的合理性。试件的加载示意图如图5所示。本次试验重点是检验接头的疲劳寿命能否满足指标要求,为浮桥技术的应用提供依据。

图5 刚柔组合接头加载示意图

3.1 加载方式

在实际的使用中,非线性连接接头是不包含夹具板部分。因为接头形状特殊,设计夹具板方便接头与压力机的连接,实际连接处理方式如图6所示。

图6 接头与压力机连接图

3.2 接头静载强度试验

静载强度试验的目的是了解非线性连接接头的极限承载力,并通过检测各个工况下结构各部位的应力响应情况,确定结构的薄弱环节,为优化设计提供依据。

采用静载加压试验方法,共进行1次预加载,3次循环加载。预加载为50 kN、100 kN、150 kN.循环加载为 50 kN、100 kN、150 kN、200 kN、250 kN,每级荷载稳定1分钟,记录应变情况。最后1次加载后若接头无破坏,则直接从250kN开始加载,每级荷载增加25 kN,同时监测应变情况;当出现屈服后,每级荷载增加值减为10 kN,直至破坏。

每组非线性接头都设置应变测点10个,其中应变花2个(5号和6号测点),应变片8个(1-4、7-10号测点),测点布置位置如图7所示。

图7 接头应变片测点布置

3.3 接头疲劳性能试验

疲劳性能试验采用恒应力幅试验方法,试验加载如图3所示,拉压力最大荷载为250 kN,拉压力最小荷载为25 kN,应力比R=0.1,加载频率0.5 Hz.试验目的为测试刚柔组合接头的疲劳性能,确定疲劳危险断面及破坏形式。

3.4 试验结果及分析

3.4.1 接头静载强度试验及结果

静载强度试验目的为获得刚柔组合接头的极限承载力,通过检测各个工况下结构各部位的应力响应情况,确定结构的薄弱部位,为下一步的优化设计提供依据[4]。

当荷载达到250 kN时,试件B1并未屈服。卸载后,加载直至结构极限承载能力。表1、表2中为最后一次加载所得数据,按照设计计算结果,最大接头力为250 kN,因此在此荷载下我们输出了各测点应力响应值,以便与计算结果对比。试验中,应变片测点在设计最大接头力时,即试验荷载250 kN时,最大应力为221.5 MPa,设计许用应力为[σ]=472 MPa,因此试验应力响应均在许用范围内。

表1 应变片测点应力数据(单位:MPa)

表2 应变花测点应力数据(单位:MPa)

测点5#和6#位于接头销孔后部,从理论上分析该处的应力较大,并且最大应力方向不为水平,因此该2个测点布设了应变花。从试验响应看,该位置应力水平总体高于其他测点。应变花测点在荷载250 kN时,最大主应力为221.5 MPa,小于材料DB685的设计许用应力为[σ]=472 MPa,因此试验应力响应均在许用范围内。

试验过程中,当第二轮荷载加至600 kN时,再无法继续加载,检查发现,耳板变形过大。卸载后对接头进行详细检查,并未发现破坏,实际接头承受拉压力时,由于浮桥箱体结构的支撑作用,并不会发生此类情况,实际接头在应用时的最大承载能力高于试验接头工况。从试验测点应力看,荷载加至600 kN时,最大应力为549.74 MPa,大于材料的设计许用应力[σ]=472 MPa,但小于DB685材料的屈服极限强度[σs]=590 MPa.

3.4.2 接头疲劳试验及结果

对试件B2到试件B7进行了疲劳寿命测试,试验结果见表3.

表3 刚柔组合接头疲劳寿命测试结果

连接接头失效原因均为高强螺栓断裂,部分接头破坏形式如图8所示。螺栓达到了10.9级标准,根据初步计算校核,均未达到接头材料和螺栓的屈服强度,说明此破坏形式是由于螺栓受力不均匀引起,在实际结构中由于接头与浮桥结构相连,受力相对均匀,可避免这种形式破坏。各组试件和螺栓破坏形式如图8所示。

图8 各组试件和螺栓破坏形式

疲劳寿命一般可认为遵循对数正态分布,所以在进行数据处理前,疲劳寿命均取其对数,对数疲劳寿命记为:

式中,n为疲劳寿命子样个数,S为子样标准差,β为正态母体标准差修正因数,Γ(·)为伽马函数,k为单侧容限因数,up和uγ分别为与可靠度p和置信度γ相关的标准正态偏量。

对于接头试样,n=5,p=95%,γ =95%,则 β=1.063 8,k=2.889,因此安全对数疲劳寿命为x^=x¯-3.073 3S,利用表4中接头试件的疲劳寿命数据计算得x¯=4.329 8,S=0.080 73,x^=4.0817,取对数函数的反函数最终得到具有95%可靠度和95%置信度的安全疲劳寿命为:

结果与仿真结果很相近。

4 结论

(1)根据实验结果,在实际的使用中,螺栓容易在构件破坏之前破坏,在实际的使用中,应定期更换螺栓,以减小螺栓破坏对整体构件使用的影响。从接头破坏形态分析,螺栓都是发生拉伸破坏,可适当增加螺栓数量,来增加构件疲劳寿命。

(2)静载试验未加载到接头破坏,不能确定接头的极限承载力,但从应力响应分析,结构能够满足强度要求,并且有较多的强度富余。

(3)疲劳仿真的结果与实验分析的结果一致,说明模型建立的正确性,可用此方法指导类似接头的计算。

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