非线性连接接头疲劳仿真及试验

赵术杰，邵 飞，徐 倩，朱 乐，姜鹏宇任俊宏

（1.陆军工程大学野战工程学院，江苏 南京210007；2.陆军研究院作战保障研究所，江苏 无锡214000）

浮桥在水中的受力情况异常复杂，由于水力学特性较为复杂，导致其接头部位的受力情况难以简化计算。受海上风浪影响，浮桥构件之间持续相互碰撞，其接头部位疲劳性能良好与否决定了整座栈桥的使用寿命。处于海洋环境下的浮桥，若采用刚性连接，在波浪荷载持续作用下，连接件始终处于较高应力水平下工作直接导致其疲劳寿命较短。为解决此问题，考虑采用刚性和柔性连接相结合的方式，进行浮桥间的连接。受力除桥上通载外，也包括风浪荷载，导致浮桥构件持续相互碰撞。因此，连接构件的疲劳性能好坏决定了浮桥正常工作使用寿命。目前，接头的形式和种类繁多，国内研究者对接头疲劳性能展开了相关研究。张银龙[1]等对军用桥梁疲劳问题指出了若干研究重点，其中就包括接头的疲劳问题。李峰[2]等对丙丁接头的接触进行了细致的研究，与经验合成计算结果和常规有限元分析的结果进行对比，证明接触分析方法对连接件塑性变形、疲劳分析和优化设计有重要指导意义。文章[3]研究了一种新型的刚柔组合的非线性连接接头，朱乐[3-4]等完成了非线性接头有关静力特性的数值模拟，但实际的静力特性和疲劳性能都有待研究，为验证接头在设计载荷作用下疲劳寿命能否达到10 000次通载的技术指标要求，对此类接头展开了静力强度和疲劳的仿真和试验。

1 基于ANSYS Workbench接头疲劳仿真

接头实体模型在Solideworks中建立，其爆炸视图如图1所示。由于模型的对称性，为减小计算量，本实体模型为二分之一模型。模型最两边的构件不是接头所包含部分，只是为了更好的模拟之后实验而增加的部分，其作用是方便接头和压力机相连。

图1 接头实体模型爆炸视图

将建立好的实体模型导入至ANSYS Workbench中。Workbench疲劳分析模块分析是ANSYS Me_chanical内置功能之一，其疲劳仿真分析是建立在静力分析的基础上[5]。因为夹具板只是为了试验方便而临时设计的装置，不是实验探究的目的。在网格划分中，将夹具板网格大小设置为20 mm，其余接头、柔性板和螺栓的网格大小设置为5 mm.边界条件为一边夹具板设置为固支，荷载加载在另外一边夹具板上。接头的设计荷载为250 kN，所以在算例中荷载大小为125 kN.将力的方向设置为朝向夹具板方向，即为压力。接触设置中，将接头与接头、接头与销钉之间的接触设置为摩擦接触，摩擦系数设置为0.18，其余设置为绑定接触。在疲劳模块中，分析类型选择为应力疲劳。考虑到单个构件的强度不能在整体结构中完全发挥，将疲劳强度影因子设置为0.95.荷载类型设置为幅值为从0至1的正弦荷载。选用平均应力曲线考虑平均应力的影响。疲劳计算结果为通载12 129次，达到设计荷载下通载10000次的要求。其结果如图2所示。

图2 疲劳计算结果

考虑到本接头将运用到浮桥中，其大部分时间受到风浪荷载，其应力水平较小。改变疲劳模块的scale factor大小，可以得到不同荷载峰值大小下的疲劳计算结果。其结果如图3所示。

图3 不同荷载疲劳寿命计算结果

从图3可得，随着荷载的减小，疲劳寿命都呈指数式增加。当循环荷载峰值达到设计荷载一半时，接头所能承受的通载次数已经达到148 190次，能满足一般使用的要求。

2 非线性连接接头实验构件

实验构件主要由单双耳接头、承接板和夹具板通过螺栓和销钉连接而成。单双耳接头之间采用销钉连接。接头与夹具板通过高强螺栓连接，夹具板和接头之间有一层15 mm厚聚氨酯材料制成的承接板，从而形成刚柔组合连接。单个接头与夹具板连接如图4所示。

图4 单个接头与夹具板连接示意图（阴影部分为聚氨酯垫块）

3 试验设计及分析

试验在总装工程兵技术装备研究所结构力学试验室进行，压力机型号为MTS815.实验试件总共有6组相同试件（B1-B6）。先将试件B1用来作静力极限承载试验，之后将剩余5组试件（试件B2-B6）用来作疲劳试验。

通过试件B1，测定刚柔组合接头的极限承载力。通过试件B2-B6的疲劳试验来验证设计的合理性。试件的加载示意图如图5所示。本次试验重点是检验接头的疲劳寿命能否满足指标要求，为浮桥技术的应用提供依据。

图5 刚柔组合接头加载示意图

3.1 加载方式

在实际的使用中，非线性连接接头是不包含夹具板部分。因为接头形状特殊，设计夹具板方便接头与压力机的连接，实际连接处理方式如图6所示。

图6 接头与压力机连接图

3.2 接头静载强度试验

静载强度试验的目的是了解非线性连接接头的极限承载力，并通过检测各个工况下结构各部位的应力响应情况，确定结构的薄弱环节，为优化设计提供依据。

采用静载加压试验方法，共进行1次预加载，3次循环加载。预加载为50 kN、100 kN、150 kN.循环加载为 50 kN、100 kN、150 kN、200 kN、250 kN，每级荷载稳定1分钟，记录应变情况。最后1次加载后若接头无破坏，则直接从250kN开始加载，每级荷载增加25 kN，同时监测应变情况；当出现屈服后，每级荷载增加值减为10 kN，直至破坏。

每组非线性接头都设置应变测点10个，其中应变花2个（5号和6号测点），应变片8个（1-4、7-10号测点），测点布置位置如图7所示。

图7 接头应变片测点布置

3.3 接头疲劳性能试验

疲劳性能试验采用恒应力幅试验方法，试验加载如图3所示，拉压力最大荷载为250 kN，拉压力最小荷载为25 kN，应力比R=0.1，加载频率0.5 Hz.试验目的为测试刚柔组合接头的疲劳性能，确定疲劳危险断面及破坏形式。

3.4 试验结果及分析

3.4.1 接头静载强度试验及结果

静载强度试验目的为获得刚柔组合接头的极限承载力，通过检测各个工况下结构各部位的应力响应情况，确定结构的薄弱部位，为下一步的优化设计提供依据[4]。

当荷载达到250 kN时，试件B1并未屈服。卸载后，加载直至结构极限承载能力。表1、表2中为最后一次加载所得数据，按照设计计算结果，最大接头力为250 kN，因此在此荷载下我们输出了各测点应力响应值，以便与计算结果对比。试验中，应变片测点在设计最大接头力时，即试验荷载250 kN时，最大应力为221.5 MPa，设计许用应力为[σ]=472 MPa，因此试验应力响应均在许用范围内。

表1 应变片测点应力数据（单位：MPa）

表2 应变花测点应力数据（单位：MPa）

测点5#和6#位于接头销孔后部，从理论上分析该处的应力较大，并且最大应力方向不为水平，因此该2个测点布设了应变花。从试验响应看，该位置应力水平总体高于其他测点。应变花测点在荷载250 kN时，最大主应力为221.5 MPa，小于材料DB685的设计许用应力为[σ]=472 MPa，因此试验应力响应均在许用范围内。

试验过程中，当第二轮荷载加至600 kN时，再无法继续加载，检查发现，耳板变形过大。卸载后对接头进行详细检查，并未发现破坏，实际接头承受拉压力时，由于浮桥箱体结构的支撑作用，并不会发生此类情况，实际接头在应用时的最大承载能力高于试验接头工况。从试验测点应力看，荷载加至600 kN时，最大应力为549.74 MPa，大于材料的设计许用应力[σ]=472 MPa，但小于DB685材料的屈服极限强度[σs]=590 MPa.

3.4.2 接头疲劳试验及结果

对试件B2到试件B7进行了疲劳寿命测试，试验结果见表3.

表3 刚柔组合接头疲劳寿命测试结果

连接接头失效原因均为高强螺栓断裂，部分接头破坏形式如图8所示。螺栓达到了10.9级标准，根据初步计算校核，均未达到接头材料和螺栓的屈服强度，说明此破坏形式是由于螺栓受力不均匀引起，在实际结构中由于接头与浮桥结构相连，受力相对均匀，可避免这种形式破坏。各组试件和螺栓破坏形式如图8所示。

图8 各组试件和螺栓破坏形式

疲劳寿命一般可认为遵循对数正态分布，所以在进行数据处理前，疲劳寿命均取其对数，对数疲劳寿命记为：

式中，n为疲劳寿命子样个数，S为子样标准差，β为正态母体标准差修正因数，Γ（·）为伽马函数，k为单侧容限因数，up和uγ分别为与可靠度p和置信度γ相关的标准正态偏量。

对于接头试样，n=5，p=95%，γ =95%，则 β=1.063 8，k=2.889，因此安全对数疲劳寿命为x^=x¯-3.073 3S，利用表4中接头试件的疲劳寿命数据计算得x¯=4.329 8，S=0.080 73，x^=4.0817，取对数函数的反函数最终得到具有95%可靠度和95%置信度的安全疲劳寿命为：

结果与仿真结果很相近。

4 结论

（1）根据实验结果，在实际的使用中，螺栓容易在构件破坏之前破坏，在实际的使用中，应定期更换螺栓，以减小螺栓破坏对整体构件使用的影响。从接头破坏形态分析，螺栓都是发生拉伸破坏，可适当增加螺栓数量，来增加构件疲劳寿命。

（2）静载试验未加载到接头破坏，不能确定接头的极限承载力，但从应力响应分析，结构能够满足强度要求，并且有较多的强度富余。

（3）疲劳仿真的结果与实验分析的结果一致，说明模型建立的正确性，可用此方法指导类似接头的计算。