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技术支持中心验证示例疲劳分析 – I 形截面对接焊缝
疲劳分析 – I 形截面对接焊缝
SteelConnection designVerificationsConnectionAISC (USA)

疲劳分析 – I 形截面对接焊缝

本文也提供以下语言版本
ENCZDEESFRITPTNLHUROKRPLTHTRVIZH
AI从英语翻译

本验证示例展示了 IDEA StatiCa Connection 软件中疲劳分析的基本内容,对 I 形截面之间全熔透对接焊缝的节点进行了研究。

描述

两根 IPE 200 截面、S355 钢材的梁通过横向全熔透对接焊缝焊接在一起。在所研究节点位置处,梁承受弯矩和正应力:


正应力 N [kN]弯矩 My [kNm]
最小值10010
最大值30030

名义应力的确定

安全系数 γMf\gamma_{Mf}γMf​ 从表 3.1(EN 1993-1-9)中选取。本示例假设  γMf=1.15\gamma_{Mf} = 1.15γMf​=1.15。

评估方法破坏后果 

低后果 高后果
损伤容限11.15
安全寿命 1.151.35

解析法

名义应力由简单公式确定:

σ=NA+MyWy\sigma = \frac{N}{A} + \frac{M_y}{W_y}σ=AN​+Wy​My​​

最小正应力为:

σmin=100⋅1032850+10⋅106194000=86.6 MPa\sigma_{min} = \frac{100 \cdot 10^3}{2850} + \frac{10 \cdot 10^6}{194000} = 86.6 \, \textrm{MPa}σmin​=2850100⋅103​+19400010⋅106​=86.6MPa

最大正应力为:

σmax=300⋅1032850+30⋅106194000=259.9 MPa\sigma_{max} = \frac{300 \cdot 10^3}{2850} + \frac{30 \cdot 10^6}{194000} = 259.9 \, \textrm{MPa}σmax​=2850300⋅103​+19400030⋅106​=259.9MPa

应力幅为:

σmax−σmin=259.9−86.6=173.3 MPa\sigma_{max} - \sigma_{min} = 259.9 - 86.6 = 173.3 \, \textrm{MPa}σmax​−σmin​=259.9−86.6=173.3MPa

无剪应力。应力集中系数 kf 根据相应节点选取。对于承受法向力的全截面全熔透对接焊缝,应力集中系数为 kf = 1.0。

ΔσR=γMf⋅kf⋅(σmax−σmin)=1.15⋅1.0⋅173.3=199.3 MPa\Delta \sigma_R = \gamma_{Mf} \cdot k_f \cdot (\sigma_{max} - \sigma_{min}) = 1.15 \cdot 1.0 \cdot 173.3 = 199.3\,\textrm{MPa}ΔσR​=γMf​⋅kf​⋅(σmax​−σmin​)=1.15⋅1.0⋅173.3=199.3MPa

CBFEM(基于组件的有限元模型)分析

荷载设置如下:

参考荷载为最小荷载,LE2 为最大荷载。

最大荷载(LE2)下的 von Mises 应力表明,没有任何部位发生屈服。

在对接焊缝附近自动生成截面,应力显示在校核表中:

应力集中系数 kf 由有限单元法获取,无需再次施加。安全系数必须使用。

ΔσR=γMf⋅σmax =1.15⋅178.1=204.8 MPa\Delta \sigma_R = \gamma_{Mf} \cdot \sigma_{max}  = 1.15 \cdot 178.1 = 204.8\,\textrm{MPa}ΔσR​=γMf​⋅σmax​ =1.15⋅178.1=204.8MPa

对比

IDEA StatiCa 给出的正应力(178.1 MPa)略高于解析法结果(173.3 MPa)。差异仅由 IDEA StatiCa 中所采用的截面参数略有不同所致:


实际值IDEA StatiCa
A2850 mm22772 mm2
Wy194 000 mm3188 732 mm3

采用简化截面的截面特性,可得到与 IDEA StatiCa 相同的结果:σmin=89.1 MPa\sigma_{min} = 89.1\,\textrm{MPa}σmin​=89.1MPa,σmax=267.2 MPa\sigma_{max} = 267.2\,\textrm{MPa}σmax​=267.2MPa,σmax−σmin=178.1 MPa\sigma_{max} - \sigma_{min} = 178.1\,\textrm{MPa}σmax​−σmin​=178.1MPa。

疲劳分析

以下给出了按 EN 1993-1-9:2005 进行设计时,采用名义应力进行疲劳分析的示例。 

从表 8.3 中选取疲劳细节类别 90。

对于等幅名义应力幅,疲劳寿命循环次数取自第 7.1 章:

NR=Δσcm⋅2⋅106ΔσRmN_R = \frac{\Delta \sigma_c^m \cdot 2\cdot 10^6}{\Delta \sigma_R^m}NR​=ΔσRm​Δσcm​⋅2⋅106​

手算结果:

NR=903⋅2⋅106199.33=184 177 cyclesN_R = \frac{90^3 \cdot 2\cdot 10^6}{199.3^3} = 184\,177\, \textrm{cycles}NR​=199.33903⋅2⋅106​=184177cycles

IDEA Connection 结果:

NR=903⋅2⋅106204.83=169 734 cyclesN_R = \frac{90^3 \cdot 2\cdot 10^6}{204.8^3} = 169\,734 \, \textrm{cycles}NR​=204.83903⋅2⋅106​=169734cycles

由于截面简化,IDEA Connection 中节点所能承受的循环次数略低。

基准算例

输入

构件:B1、B2 - IPE200

钢材等级:S 355

荷载效应:

  • 参考荷载:N = 100 kN,My = 10 kNm
  • LE2:N = 300 kN,My = 30 kNm

加工操作:斜切割、对接焊缝

输出

最大正应力幅:上翼缘处 178.1 MPa

剪应力幅:0 MPa

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