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1、控制疲劳失效的结构设计,fatigue failure,In materials science, fatigue is the progressive and localized structural damage that occurs when a material is subjected to cyclic loading. The maximum stress values are less than the ultimate tensile stress limit, and may be below the yield stress limit of the material.
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。,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,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,交变应力,交变应力 (alternative stress ） 应力随时间交替变化,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。,旋转机器的振动,结构材料疲劳破坏机理,
3、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？,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,疲劳初始裂纹的形成,晶粒,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,工程结构的疲劳设计,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）,材料的疲劳S-N 曲线,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。,疲劳试验加裁交变应力,疲劳试件,疲劳试验装置,对称
4、循环疲劳试验机,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 Sy,Smax Sy,Nf 104,Nf 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。,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。,海洋平台冰振引起的低周疲劳,冰振引起的上部管线疲劳断裂,放空管断口分析,放空管的
5、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,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？,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,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-
6、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,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,Palmgren-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
7、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。,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,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,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,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
8、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。,Rainflow counting algorithm,雨流法,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,JZ202北高点平台典型应力谱及应力峰概率分布,应力标准差,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,海洋平台结构的主要失效模式,甲板加速度,管节点交变应力,结构疲劳寿命设计,Miner理论 累积损伤度 疲劳寿命,SN曲线,X曲线,X曲线,时间域法计算流程,雨流计数法,谱分析法计算流程,直立结构
9、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,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,海冰参数测量(冰厚、冰速等),安装在平台上的摄像头,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
10、数测量(冰厚、冰速等) 冰疲劳环境模型,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,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,选用的单元,（1）结构的简化,实例,导管架直径3.5m 群桩直径1.3m 水深13.5m,JZ202北高点平台（在建）,JZ202北高点平台有限元模型,（2）结构模型及参数,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,冰疲劳环境的确定,（1）有效
11、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）,（4）冰厚、冰速分布及出现概率,冰厚冰速联合概率分布图,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,冰激疲劳分析结果,北高点平台典型应力云图,JZ202北高点平台典型应力谱及应力峰概率分布,应力标准差,JZ202北高点平台各工况下应力标准差,平台冰激疲劳寿命,对于重要构件的疲劳分析必须进行充分的试验验证，若仅依据分析，则必须保证足够的安全储备，一般取安全系数为23。综合考虑， JZ202北高点平台的冰激疲劳寿命满足设计要求。,思考题,材料疲劳破坏的过程 如何获得材料的S-N 曲线 结构疲劳破坏为什么比较危险 材料疲劳与结构疲劳区别 低周疲劳与高周疲劳 有限寿命与无限寿命的概念 疲劳环境的概念,