专利名称：用于铸钢节点内有明显缺陷的铸钢节点疲劳寿命估算方法
技术领域：
本发明提供一种土木工程结构中铸钢节点的疲劳寿命估算方法，也可用于其它领域中近似材料铸钢联结点的寿命估算。针对带明显缺陷情况下的铸钢节点，对其疲劳寿命进行估算。对于节点中有明显缺陷的，则将节点内铸造缺陷等效为裂纹，根据断裂力学方法估算裂纹扩展寿命。
背景技术：
铸钢件是通过钢铁高温融化成铁水，浇注到提前做好的模具中，冷却后脱模而成， 铸钢节点是铸钢件的一种表现形式，主要应用于土木工程领域中钢结构的联接点。铸钢节点采用铸造工艺浇注生产，由于工艺过程的复杂性，将不可避免地出现疏松、夹渣、气泡等铸造缺陷，在疲劳荷载作用下，这些初始铸造缺陷对铸钢节点的承载能力有着显著的影响。 现有的无损检测手段可方便的对节点进行无损探伤，定点定量给出节点内的缺陷分布及尺寸，本发明按照探伤结果将铸钢节点分为带明显缺陷和不带明显缺陷两种情况，对其疲劳寿命进行估算。对于存在明显缺陷的铸钢节点，此时使用材料的S-N(初步疲劳应力幅寿命)曲线进行构件疲劳寿命估算已不适用，必须采用其它理论，将缺陷的影响考虑进去。断裂力学理论对材料内部裂纹扩展进行了很好阐述及充分的理论证明，将其应用于带初始缺陷铸钢节点的疲劳寿命估算是切实可行的。本发明综合运用断裂力学方法，将铸钢节点中的各类缺陷等效为裂纹，通过计算拟合形状因子，根据材料断裂韧度和缺陷所在处节点的厚度确定最终裂纹尺寸，最后计算疲劳裂纹扩展寿命，确定铸钢节点的疲劳寿命。
发明内容
技术问题本发明的目的是提供一种用于铸钢节点内有明显缺陷的铸钢节点的疲劳寿命估算方法，由于铸钢节点由铸造工艺铸造而成，生产过程中难免会产生各种各样的铸造缺陷，因此本发明针对节点中有明显缺陷的，则根据断裂力学方法进行寿命估算。技术方案为解决上述技术问题，本发明提出了一种用于铸钢节点内有明显缺陷的铸钢节点的疲劳寿命估算方法，该方法包括如下步骤步骤1 确定铸钢节点初始裂纹尺寸如果铸钢节点内的缺陷被无损检测设备检测出，且该缺陷是单独的，铸钢内缺陷的等效裂纹的初始尺寸与铸钢中单独的缺陷的尺寸一样；如果缺陷被无损检测设备检测出，且是密集的，铸钢内缺陷的等效裂纹的初始尺寸％应与铸钢节点内密集的缺陷分布区域大小一样；步骤2 确定铸钢节点模型的初始裂纹的形状因子f 建立多个带初始裂纹的铸钢节点模型，每个模型中的裂纹长度不同；通过有限元数值方法得到每个初始裂纹长度a下的应力强度因子K，K的表达式为K =
式中K为应力强度因子；a为初始裂纹长度；t是裂纹所在处，铸钢节点的厚度； σ为应力；f为形状因子，是关于a的函数；由公式9得到初始裂纹长度为a的模型中的形状因子f，根据不同初始裂纹长度下的f值，拟合出形状因子f关于a的表达式f(a)；进而可以得到应力强度因子范围ΔΚ的表达式ΔΚ(α)=/·Δσ·^α其中Δ σ为第一主应力最大值的范围；步骤3 确定铸钢节点模型的最终裂纹尺寸 最终裂纹尺寸％根据材料的断裂韧度计算A=丄(^l)2 公式 10
π /σ式中 为临界裂纹尺寸；1^。为铸钢材料断裂韧度；f为形状因子，σ为应力；取0. 9t为容许出现的最大裂纹长度，t为裂纹处节点壁厚，则比较临界裂纹尺寸 ac与容许出现的最大裂纹长度0. 9t的大小，取较小值为最终裂纹长度％ ；初始裂纹越来越长，达到最终裂纹的长度时，铸钢节点就断裂了 ；步骤4 得到铸钢节点模型的疲劳裂纹扩展寿命N 由以上步骤确定和计算三个变量彻、 及Δ K，疲劳裂纹扩展寿命N为
严/ da 广/ daΝ=1τ ^τ=1 cc/Δσν^ 公式11式中C、m分别是铸钢材料常数；最终裂纹长度％，σ为应力，铸钢内缺陷的等效裂纹的初始尺寸％，f为形状因子，应力强度因子范围ΔΚ;步骤5 铸钢节点的疲劳寿命确定将第4步得出的疲劳裂纹扩展寿命N除以安全系数η即为铸钢节点的疲劳寿命估算值，安全系数根据铸钢节点的重要程度，根据相关规范选取。优选的，步骤1中所述缺陷是气孔，或者是夹杂。有益效果铸钢节点外型美观，受力合理，其作为新型工程材料和工程结构型式，在土木工程中的应用越来越广。铸钢节点由铸造工艺铸造而成，生产过程中难免会产生各种各样的铸造缺陷，带缺陷的铸钢节点的寿命估算方法目前还没有，限制了铸钢节点的应用。本发明提供一种带缺陷按铸钢节点的疲劳寿命估算方法，为工程中的精确计算提供了依据，可大大推动铸钢节点的应用，改善结构的外观和受力。
图1是f(a)的拟合曲线图。
具体实施例方式下面将参照附图对本发明进行说明。一种用于铸钢节点内有明显缺陷的铸钢节点的疲劳寿命估算方法，其特征在于 该方法包括如下步骤
步骤1 确定铸钢节点初始裂纹尺寸如果铸钢节点内的缺陷被无损检测设备检测出，且该缺陷是单独的，铸钢内缺陷的等效裂纹的初始尺寸与铸钢中单独的缺陷的尺寸一样；如果缺陷被无损检测设备检测出，且是密集的，铸钢内缺陷的等效裂纹的初始尺寸应与铸钢节点内密集的缺陷分布区域大小一样；步骤2 确定铸钢节点模型的初始裂纹的形状因子f 建立多个带初始裂纹的铸钢节点模型，每个模型中的裂纹长度不同；通过有限元数值方法得到每个初始裂纹长度a下的应力强度因子K，K的表达式为
权利要求
1.一种用于铸钢节点内有明显缺陷的铸钢节点的疲劳寿命估算方法，其特征在于该方法包括如下步骤步骤1 确定铸钢节点初始裂纹尺寸如果铸钢节点内的缺陷被无损检测设备检测出，且该缺陷是单独的，铸钢内缺陷的等效裂纹的初始尺寸与铸钢中单独的缺陷的尺寸一样；如果缺陷被无损检测设备检测出，且是密集的，铸钢内缺陷的等效裂纹的初始尺寸应与铸钢节点内密集的缺陷分布区域大小一样；步骤2 确定铸钢节点模型的初始裂纹的形状因子f 建立多个带初始裂纹的铸钢节点模型，每个模型中的裂纹长度不同；通过有限元数值方法得到每个初始裂纹长度a下的应力强度因子K，K的表达式为公式9式中K为应力强度因子；a为初始裂纹长度；t是裂纹所在处，铸钢节点的厚度；σ为应力；f为形状因子，是关于a的函数；由公式9得到初始裂纹长度为a的模型中的形状因子f，根据不同初始裂纹长度下的f 值，拟合出形状因子f关于a的表达式f (a)；进而可以得到应力强度因子范围ΔΚ的表达式
2.根据权利要求1所述的用于铸钢节点内有明显缺陷的铸钢节点的疲劳寿命估算方法，其特征在于步骤1中所述缺陷是气孔，或者是夹杂。
全文摘要
本发明涉及一种用于铸钢节点内有明显缺陷的铸钢节点的疲劳寿命估算方法，该方法包括如下步骤步骤1确定铸钢节点初始裂纹尺寸a0步骤2确定铸钢节点模型的初始裂纹的形状因子f；步骤3确定铸钢节点模型的最终裂纹尺寸af 步骤4得到铸钢节点模型的疲劳裂纹扩展寿命N步骤5铸钢节点的疲劳寿命确定。本发明提供一种带缺陷按铸钢节点的疲劳寿命估算方法，为工程中的精确计算提供了依据，可大大推动铸钢节点的应用，改善结构的外观和受力。
文档编号G01N33/20GK102507895SQ20111034062
公开日2012年6月20日 申请日期2011年11月1日 优先权日2011年11月1日
发明者莫建华, 靳慧 申请人:东南大学