• ISSN 0258-2724
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铸造缺陷对铸钢节点钢结构力学性能的影响

闫华东 宫维佳 靳慧

闫华东, 宫维佳, 靳慧. 铸造缺陷对铸钢节点钢结构力学性能的影响[J]. 西南交通大学学报, 2020, 55(2): 343-349, 371. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20180081
引用本文: 闫华东, 宫维佳, 靳慧. 铸造缺陷对铸钢节点钢结构力学性能的影响[J]. 西南交通大学学报, 2020, 55(2): 343-349, 371. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20180081
YAN Huadong, GONG Weijia, JIN Hui. Effect of Casting Defects on Mechanical Properties of Steel Structures with Cast Steel Joints[J]. Journal of Southwest Jiaotong University, 2020, 55(2): 343-349, 371. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20180081
Citation: YAN Huadong, GONG Weijia, JIN Hui. Effect of Casting Defects on Mechanical Properties of Steel Structures with Cast Steel Joints[J]. Journal of Southwest Jiaotong University, 2020, 55(2): 343-349, 371. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20180081

铸造缺陷对铸钢节点钢结构力学性能的影响

doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20180081
基金项目: 国家重点研发计划资助项目(2017YFC0805100),国家自然科学基金项目(51578137)
详细信息
    作者简介:

    闫华东(1990—),女,博士研究生,研究方向为钢结构的疲劳与损伤,E-mail:huadong_yan@163.com

    通讯作者:

    靳慧(1974—),女,教授,研究方向为钢结构的可靠性分析,E-mail:jinhui@seu.edu.cn

  • 中图分类号: TU 391

Effect of Casting Defects on Mechanical Properties of Steel Structures with Cast Steel Joints

  • 摘要: 为了研究铸钢件中铸造缺陷的等级大小、位置分布对其静力性能、疲劳性能的影响,通过Solidworks软件建立了包含铸钢节点的钢桁架结构的实体模型,根据已有研究成果确定了铸钢节点上缺陷的尺寸与位置;对带有不同铸造缺陷的桁架结构进行静力加载,通过分析结构的应力分布、位移分布情况确定铸造缺陷对其静力强度、静力刚度的影响;对带有不同铸造缺陷的桁架结构进行等幅疲劳加载,通过铸钢节点的修正应力疲劳寿命(S-N)曲线求得模型的局部疲劳寿命,明确铸造缺陷对结构疲劳性能的影响. 研究结果表明:当铸钢节点的不同位置含有相同大小的铸造缺陷时,不同模型的应力极值最大相差11.7%,不同模型的疲劳寿命相差两个数量级;当铸钢节点的同一位置含有不同大小的铸造缺陷时,不同模型的应力极值最大相差1.7%,不同模型的疲劳寿命相差一个数量级;以上两种情况对结构整体和局部的位移分布均没有明显影响;当铸钢节点中铸造缺陷的分布发生变化时,不同模型间应力极值的变化率为8.8%,不同模型的疲劳性能均劣于只包含单个铸造缺陷的模型.

     

  • 图 1  桁架结构的几何尺寸

    Figure 1.  Geometry size of truss structure

    图 2  铸造缺陷位置分布

    Figure 2.  Distribution of the casting defects

    图 3  缺陷位于位置 ② 时钢桁架结构应力云图

    Figure 3.  Stress cloud diagram of the steel truss structure when the defect is at ②

    图 4  不含缺陷的钢桁架结构位移云图

    Figure 4.  Steel truss displacement contour without defects

    图 5  等幅疲劳载荷示意

    Figure 5.  Schematic diagram of constant-amplitude fatigue loading

    图 6  带缺陷铸钢节点的修正S-N曲线

    Figure 6.  Modified S-N curves for cast steel joint with defects

    表  1  有限元模型的网格尺寸划分

    Table  1.   Mesh size of the finite element model mm

    模型分区第 1 套第 2 套第 3 套第 4 套
    工字梁 50 79 79 100
    钢管 15 20 30 40
    铸钢节点 10 15 20 30
    缺陷位置 1 2 4 5
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    表  2  集中载荷作用下各模型的应力极值

    Table  2.   Maximum stress of each model under concentrated load

    模型铸造缺陷
    位置
    铸造缺陷
    等级
    Mises应力
    最大值/MPa
    12级200
    23级202
    32级182
    43级182
    52级182
    63级182
    72级180
    83级183
    92级200
    10 3级200
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    表  3  不同模型的应力极值

    Table  3.   Maximum stress of different model

    模型铸造缺陷位置铸造缺陷
    等级
    Mises应力
    最大值/MPa
    11①、②、③2级182
    12①、③、④2级198
    13②、⑦、⑨2级182
    14④、⑤、⑥2级183
    15①、②、③、⑧、⑨2级186
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    表  4  各缺陷位置处的尺寸系数

    Table  4.   Size factor at defect locations

    缺陷位置①、⑨②、④、⑧③、⑤
    尺寸系数0.950.900.830.820.80
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    表  5  缺陷位置对模型疲劳寿命的影响

    Table  5.   The effect of defect location on fatigue life of models

    模型铸造缺
    陷位置
    铸造缺
    陷等级
    疲劳寿命/
    (× 105 周次)
    A 2级 2.43
    B 2级 3.49
    C 2级 1.91
    D 2级
    E 2级
    F 2级
    G 2级
    H 2级 49.4
    I 2级 23.65
     注:—表示应力幅低于修正后的疲劳极限,达到无限寿命.
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    表  6  缺陷等级对模型疲劳寿命的影响

    Table  6.   The effect of defect size on fatigue life of models

    模型铸造缺
    陷位置
    铸造缺
    陷等级
    疲劳寿命/
    (× 105 周次)
    J3级0.55
    K3级0.68
    L3级
    M3级2.90
     注:—表示应力幅低于修正后的疲劳极限,达到无限寿命.
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    表  7  缺陷分布对模型疲劳寿命的影响

    Table  7.   The effect of defect distribution on fatigue life of models

    模型铸造缺
    陷位置
    铸造缺
    陷等级
    疲劳寿命/
    (× 105 周次)
    N2级0.34
    2级1.64
    2级1.64
    O2级0.32
    2级1.64
    2级
    P2级1.52
    2级
    2级8.67
    Q2级0.36
    2级1.64
    2级1.64
    2级
    2级8.67
     注:—表示应力幅低于修正后的疲劳极限,达到无限寿命.
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出版历程
  • 收稿日期:  2018-01-19
  • 修回日期:  2018-09-07
  • 网络出版日期:  2018-09-14
  • 刊出日期:  2020-04-01

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