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混凝土泵车疲劳寿命预测方法

更新时间:2017-02-28 09:38:43   点击量:

  引  言

  混凝土泵车由于机动灵活 、施工效率高, 被广泛应用于桥梁、机场、高层建筑等大型工程施工 。泵车臂架属于箱型薄壁细长杆结构 , 长期承受交变随机载荷作用 ,结构疲劳破坏是其主要失效形式 。许多科技人员和设计人员对其振动特性和疲劳寿命进行研究,但都集中在时域分析范畴[ 1-4]。为了比较准确地预测结构疲劳寿命 , 时域法一般要现场实测足够长的结构危险部位应力-时间历程 ,然后通过一定的循环计数方法(常用的为雨流计数法)得到载荷谱 ,才能进行结构的疲劳寿命计算 , 这在产品设计阶段是无法实现的[ 5]。频域法另辟蹊径, 它可通过动力学仿真和有限元分析求得结构危险部位的功率谱密度函数(power sectral density function,简称 PSD),再通过 PSD 求得概率密度函数(Probability Densi-ty Funct ion , 简称 PDF), 通过 PDF 进行疲劳寿命分析,在产品设计阶段可进行疲劳寿命分析。为了探索频域法在混凝土泵车疲劳寿命预测中的应用 , 本文以某 48 m 混凝土泵车为例, 现场实测了臂架结构危险部位的随机载荷谱, 并对该焊接结构进行了室内疲劳试验。并结合试验数据 ,分别应用频域法和时域法计算出了泵车结构危险部位的疲劳寿命 。结果表明 ,采用 Dirlik 概率模型的频域法能较好地反映随机载荷下泵车臂架结构的疲劳寿命, 为泵车设计阶段进行疲劳寿命分析提供了一种简便方法 。

  1  结构危险部位应力-时间历程与焊接头 p-S-N 曲线

  1 .1  结构危险部位应力-时间历程

  为了与时域法计算结果进行比较 , 笔者选择了几种常用的工况 , 现场实测了某 48 m 混凝土泵车结构大应力部位应力-时间历程, 由实测数据可得到结构危险部位的应力-时间历程, 图 1 为经过整理的一段实测应力-时间历程。由试验数据可得到时域法计算所需要的载荷谱, 也可得到频域法计算所用的功率谱密度函数。

  1 .2  焊接头 p-S-N 曲线

  该泵车结构危险部位为箱型焊接结构, 对应的接头形式为纵向角焊缝 , 母材屈服强度 σs=700MP a , 强度极限 σb=750 ~ 950 MPa ,根据泵车的受力状态统计 , 取试验应力比 r =Smin/Sm ax=0.2,Smin 、Smax分别为应力最小值和最大值 ,p 、S 、N 分为可靠度、应力和疲劳寿命 。笔者采用单点试验与成组试验相结合的方法进行疲劳试验。焊接接头在不同应力级下疲劳寿命试验结果如图 2所示 ;应力为330M Pa 下成组试验所得到的疲劳寿命概率分布如图 3所示 。由图 3 可以看出, 疲劳寿命服从对数正态分布。图 2 不同应力级下疲劳寿命试验结果图 3 对数正态分布图 4 不同可靠度 p 下的 S-N 曲线当取不同的可靠度时, 对数 S-N 曲线如图 4 所示 。焊接头 p-S-N 曲线方程为lg(Np)=ap+bplg(Sm ax) (1)式中:Np为可靠度为 p 时的疲劳寿命 ,对应的材料常数为 ap、b

  p,其值见表 1 。表 1 不同可靠度下的疲劳参数值可靠度 .

  2  频域法计算泵车疲劳寿命

  用频域法进行疲劳寿命预测, 首先要采用动力学仿真和有限元相结合的方法 , 通过激励求得结构危险部位动应力响应, 或通过现场实测得到结构危险部位应力响应 。本文为了与时域法计算结果进行比较 ,采用的是后一种方法。由应力响应可得到载荷的功率谱密度函数 G(f),通过 G(f)可得到结构危险部位的概率密度函数 p(S), 由 p(S)通过 Miner疲劳累计损伤法则, 即可进行疲劳寿命计算。

  2 .1  疲劳寿命分析相关参数计算

  在对泵车结构危险部位动应力进行功率谱估计时,本文采用 Matlab 软件进行 ,Matlab 中主要有周期图法(函数形式 :periodogram)、Bartlett 法(函数形式 :psd)、Welch 法(函数形式:pwelch)、多窗口法(函数形式 :pmtm)、最大熵法(函数形式:pyulear)。通过比较分析, 多窗口法有更大的自由度,在估计精度和波动方面有较好的改善 , 容易给出估计期望值偏差与方差间权衡的定量算法 , 本文采用此法进行功率谱估计[ 6-7]。利用实测的应力 -时间历程 , 通过多窗口法可得到功率谱密度函数 G(f)估计值。可应用式(2),求得功率谱密度函数各阶谱矩 mn[ 8]。mn =∫+∞-∞fnG(f )df (2)G(f )的前 4 阶矩分别为 :m0=3 209 .39, m1=12 .536 9 , m2= 0.048 991,m3= 0.000 196 741,m4 =2 .709 31 ×10-6。

  根据式(3)可计算出疲劳分析的相关参数 。

  结语

  (1)采用 Dirlik 概率模型的频域法能较好地反映随机载荷下泵车臂架结构的疲劳寿命, 频域法和时域法的计算结果相对误差仅为 8%左右 。

  (2)在新产品研制阶段,如果无法测得结构的载荷谱 ,可以采用 Dirlik 载荷概率密度函数的频域法来替代雨流循环计数的时域法 , 进行泵车疲劳寿命分析 。


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