桅杆结构纤绳连接拉耳风致疲劳裂纹萌生与扩展寿命预测

论文摘要

桅杆结构是一种主要承受风荷载的高耸结构,由一根直立的细长杆身和3～4个方向沿高度斜向张拉的数层纤绳组成,近年来被广泛应用于无线电通讯、广播电视、海空导航、环境保护、能源开发等国民经济的重要领域。由于其复杂的工作机理尚未被人们完全认识和掌握,桅杆结构发生破坏事故的比例在土木工程界首屈一指。大量桅杆事故研究报告表明:倒塌破坏事故多数是由于疲劳损伤后引起结构失稳或结构构件应力超过极限强度而引起的。因此有必要进行桅杆结构的疲劳损伤分析及疲劳寿命预测,为桅杆结构疲劳剩余寿命评估以及疲劳损伤监测新方法的提出提供重要依据。以裂纹萌生寿命控制结构的疲劳是对结构疲劳断裂认识不足的结果,疲劳总寿命包括裂纹萌生和裂纹扩展两部分,完整的疲劳分析既要研究裂纹的起始萌生,也要研究裂纹的扩展。本论文首先采用多轴疲劳理论估算拉耳孔边裂纹萌生寿命。采用基于FFT算法改进的谐波叠加法模拟了桅杆结构沿杆身高度分布的15条脉动风速时程并进行了相关函数与功率谱检验,通过风速风压关系转换得到与自然风基本特性一致的模拟风荷载。建立桅杆结构非线性动力计算模型,在时域内分析桅杆结构模拟风荷载作用下的非线性动力响应,获得桅杆结构纤绳应力响应时程。由于桅杆结构的对称性仅计算了0°、30°、60°风向桅杆结构的风振响应,其余方向风振响应根据对称性得到;借助有限元软件计算确定桅杆结构局部拉耳模型疲劳危险点及其应力应变状态,对危险点应力应变状态进行坐标旋转,按一定间隔变化旋转角度搜索最大损伤参量所对应的临界损伤面位置;采用双重雨流计数法提取临界损伤面上的正、剪应变循环并基于von Mises准则合成统一的多轴疲劳损伤参量,然后依据Mason-coffin公式及Miner疲劳累积损伤准则估算桅杆结构纤绳连接拉耳各不同风向不同平均风速作用下的多轴疲劳累积损伤,由总损伤计算出裂纹萌生寿命。本文重点采用断裂力学方法研究桅杆拉耳这个局部构造复杂结构在初始疲劳裂纹下的扩展。桅杆结构纤绳连接拉耳裂纹的扩展寿命研究主要解决两个问题:裂纹前缘应力强度因子计算与孔边裂纹扩展分析。本文采用有限元法计算三维表面裂纹前缘应力强度因子。首先借助ANSYS高级网格划分技巧解决了复杂结构裂纹体有限元建模难题;利用布尔运算、高级网格划分技巧等手段采用实体建模法创建三维裂纹体模型。基于裂纹实体建模,采用有限元法分别计算了含中心表面裂纹及孔边角裂纹平板前缘应力强度因子,并与含中心表面裂纹及孔边角裂纹平板结构的Newman&Raju应力强度因子经验公式的计算结果进行对比验证了有限元实体建模及应力强度因子求解过程的可靠性。采用前述有限元法计算桅杆结构拉耳各种给定形状、尺寸孔边裂纹裂纹前缘Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ型应力强度因子,将全部应力强度因子转化为便于计算的无因次应力强度因子并采用最小二乘法进行多项式拟合,为确保应力强度因子变化趋势以拟合曲线函数值代替离散无因次应力强度因子采用多参数拉格朗日插值法插值计算任意形状孔边裂纹无因次应力强度因子,由无因次应力强度因子计算任意形状孔边裂纹应力强度因子;并就某一形状裂纹的插值计算结果与有限元分析结果进行对比:插值结果与有限元求解非常接近,因此采用数值插值计算近似代替全三维有限元分析简化应力强度因子求解过程。在上述插值求解应力强度因子的基础上考虑混合裂纹扩展模式及裂纹闭合效应,以桅杆结构下层纤绳连接拉耳孔边裂纹为例采用Paris裂纹扩展速率公式研究了孔边裂纹的扩展形状变化特性;考虑孔边裂纹扩展形状变化特性采用逐循环直接积分法分别预测了桅杆结构上、下层纤绳连接拉耳不同初始条件孔边裂纹的扩展寿命。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 课题来源
• 1.2 课题背景及研究意义
• 1.2.1 桅杆结构概况
• 1.2.2 桅杆结构破坏实例
• 1.2.3 课题研究的目的及意义
• 1.3 与课题有关的国内外研究现状
• 1.3.1 随机脉动风速时程模拟研究概况
• 1.3.2 桅杆结构动力特性及随机风振响应研究概况
• 1.3.3 结构风振疲劳研究概况
• 1.3.4 断裂力学及三维疲劳裂纹研究概况
• 1.4 本文的主要工作
• 第2章 桅杆结构风荷载模拟
• 2.1 引言
• 2.2 风荷载基本特性
• 2.2.1 平均风基本特性
• 2.2.2 脉动风自相关函数与自功率谱密度函数
• 2.2.3 脉动风互相关函数、互功率谱密度函数与相干函数
• 2.2.4 风速、风向分布玫瑰图
• 2.2.5 标准高度处平均风速概率分布特征
• 2.3 风模拟方法
• 2.3.1 谐波叠加法
• 2.3.2 线性滤波法
• 2.3.3 基于FFT改进谐波叠加法
• 2.3.4 其他方法
• 2.4 风模拟算例
• 2.4.1 桅杆结构脉动风速模拟
• 2.4.2 模拟风速相关函数图及功率谱比较
• 2.4.3 桅杆结构顺风向脉动风荷载计算
• 2.5 本章小结
• 第3章 桅杆结构时域内非线性动力响应分析
• 3.1 引言
• 3.2 桅杆结构概述
• 3.2.1 桅杆结构工程实例
• 3.2.2 桅杆结构非线性特性
• 3.2.3 桅杆结构动力特性
• 3.3 桅杆结构有限元分析理论
• 3.3.1 桅杆结构非线性计算模型
• 3.3.2 空间杆单元刚度矩阵
• 3.3.3 空间梁单元刚度矩阵
• 3.3.4 建立桅杆结构有限元模型
• 3.4 桅杆结构时域内非线性响应求解
• 3.4.1 桅杆结非线性静力平衡方程
• 3.4.2 自由振动及频率、振型的计算
• 3.4.3 桅杆结构顺风向动力响应时域内求解
• 3.5 桅杆结构动力非线性响应分析
• 3.5.1 时域内桅杆结构动力响应
• 3.5.2 桅杆结构动力响应频谱分析
• 3.5.3 桅杆结构不同风向下风振响应研究
• 3.6 本章小结
• 第4章 桅杆结构拉耳疲劳裂纹萌生寿命估算
• 4.1 引言
• 4.2 桅杆结构纤绳连接拉耳局部有限元模型
• 4.2.1 纤绳连接拉耳受力概述
• 4.2.2 纤绳连接拉耳局部构造
• 4.2.3 纤绳连接拉耳局部有限元模型
• 4.3 多轴疲劳临界面法
• 4.3.1 多轴疲劳临界损伤平面的确定
• 4.3.2 基于临界面法的多轴疲劳损伤参量
• 4.3.3 裂纹萌生寿命估算
• 4.4 桅杆拉耳多轴疲劳临界损伤平面的确定
• 4.4.1 纤绳平面内、外夹角变化
• 4.4.2 疲劳危险点应变状态
• 4.4.3 桅杆结构拉耳临界损伤面计算
• 4.5 桅杆拉耳多轴疲劳损伤参量计算
• 4.5.1 临界面剪应变、正应变时程
• 4.5.2 多轴疲劳双重雨流计数
• 4.5.3 拉耳多轴疲劳损伤参量计算
• 4.6 桅杆结构拉耳疲劳裂纹萌生寿命估算
• 4.6.1 疲劳应变寿命曲线
• 4.6.2 高周疲劳裂纹萌生寿命估算公式
• 4.6.3 疲劳累积损伤与疲劳寿命计算
• 4.7 本章小结
• 第5章 三维裂纹有限元建模与应力强度因子求解
• 5.1 引言
• 5.2 三维裂纹概述
• 5.2.1 裂纹的分类
• 5.2.2 裂纹尖端的应力场和位移场
• 5.2.3 裂尖应力强度因子一般表达式
• 5.3 三维裂纹ANSYS有限元建模
• 5.3.1 奇异性单元裂尖奇异性论证
• 5.3.2 三维奇异性单元及裂尖单元布置
• 5.3.3 三维裂纹面形状评定方法
• 5.3.4 三维裂纹实体建模
• 5.4 三维裂纹应力强度因子有限元计算验证
• 5.4.1 中心表面裂纹应力强度因子NEWMAN & RAJU经验公式
• 5.4.2 中心表面裂纹前缘各点处应力强度因子计算
• 5.4.3 孔边裂纹应力强度因子NEWMAN & RAJU经验公式
• 5.4.4 孔边角裂纹前缘各点处应力强度因子计算
• 5.5 本章小结
• 第6章 桅杆结构拉耳任意形状孔边裂纹SIF计算
• 6.1 引言
• 6.2 含孔边裂纹拉耳有限元仿真
• 6.2.1 含孔边裂纹拉耳局部有限元模型
• 6.2.2 荷载与位移边界条件
• 6.2.3 有限元求解结果后处理计算
• 6.3 拉耳给定形状孔边裂纹应力强度因子计算
• 6.3.1 裂纹扩展模型
• 6.3.2 不同形状裂纹应力强度因子计算
• 6.4 拉耳任意形状孔边裂纹应力强度因子计算
• 6.4.1 无因次应力强度因子数据多项式拟合
• 6.4.2 双参数拉格朗日插值
• 6.4.3 任意形状应力强度因子计算与检验
• 6.5 本章小结
• 第7章 拉耳疲劳裂纹扩展特性与扩展寿命预测
• 7.1 引言
• 7.2 材料断裂韧性与断裂判据
• 7.2.1 材料的断裂韧性
• 7.2.2 材料断裂韧性的影响因素
• 7.2.3 材料断裂判据
• 7.3 裂纹扩展速率相关理论
• 7.3.1 裂纹扩展速率曲线
• 7.3.2 裂纹扩展理论门槛值
• 7.3.3 几种裂纹扩展速率公式
• 7.4 桅杆拉耳孔边裂纹扩展形状特性分析
• 7.4.1 混合裂纹扩展模式
• 7.4.2 考虑闭合效应的裂纹扩展公式
• 7.4.3 孔边裂纹扩展形状变化特性分析
• 7.5 随机载荷下拉耳孔边裂纹扩展寿命估算
• 7.5.1 裂纹扩展寿命逐循环估算方法
• 7.5.2 随机疲劳载荷循环计数处理
• 7.5.3 疲劳裂纹扩展基本材料参数
• 7.5.4 下层拉耳孔边裂纹扩展寿命计算
• 7.5.5 上层拉耳孔边裂纹扩展寿命计算
• 7.6 本章小结
• 第8章 总结与展望
• 8.1 全文总结
• 8.2 工作展望
• 参考文献
• 作者在攻读博士学位期间发表和完成的论文
• 作者攻读博士学位期间参与的研究项目
• 致谢