• ISSN 0258-2724
  • CN 51-1277/U
  • EI Compendex
  • Scopus 收录
  • 全国中文核心期刊
  • 中国科技论文统计源期刊
  • 中国科学引文数据库来源期刊

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

downloadPDF
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]. 江南娱乐网页版入口官网下载安装学报, 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]. 江南娱乐网页版入口官网下载安装学报, 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.ModifiedS-Ncurves 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
      下载: 导出CSV

      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
      1 2级 200
      2 3级 202
      3 2级 182
      4 3级 182
      5 2级 182
      6 3级 182
      7 2级 180
      8 3级 183
      9 2级 200
      10 3级 200
      下载: 导出CSV

      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
      11 ①、②、③ 2级 182
      12 ①、③、④ 2级 198
      13 ②、⑦、⑨ 2级 182
      14 ④、⑤、⑥ 2级 183
      15 ①、②、③、⑧、⑨ 2级 186
      下载: 导出CSV

      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、⑨ ②、④、⑧ ③、⑤
      尺寸系数 0.95 0.90 0.83 0.82 0.80
      下载: 导出CSV

      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.
      下载: 导出CSV

      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)
      J 3级 0.55
      K 3级 0.68
      L 3级
      M 3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.
      下载: 导出CSV

      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)
      N 2级 0.34
      2级 1.64
      2级 1.64
      O 2级 0.32
      2级 1.64
      2级
      P 2级 1.52
      2级
      2级 8.67
      Q 2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.
      下载: 导出CSV
    • 劳唯中,周观根,游桂模. 杭州奥体博览中心主体育场铸钢节点关键技术[J]. 施工技术,2015,44(8): 37-40.doi:10.7672/sgjs2015080037

      LAO Weizhong, ZHOU Guan’gen, YOU Guimo. The key technology of cast steel joint of Hangzhou olympic and international expo center[J]. Construction Technology, 2015, 44(8): 37-40.doi:10.7672/sgjs2015080037
      隋庆海. 新郑国际机场T2航站楼结构设计与分析[J]. 建筑结构,2015,45(7): 76-80.

      SUI Qinghai. Design and analysis of Xinzheng international airport T2 terminal[J]. Building Structure, 2015, 45(7): 76-80.
      SENTA S, NUSSBAUMER A, HIRT M A. Fatigue behavior of cast steel nodes in bridge structures[C]// Proceedings of the 10th International Symposium on Tubular Structures. [S.l.]: Balkema Publishers, 2003: 357-364.
      HALDIMANN-STURM S C, NUSSBAUMER A. Fatigue design of cast steel nodes in tubular bridge structures[J]. International Journal of Fatigue, 2008, 30(3): 528-537.doi:10.1016/j.ijfatigue.2007.03.007
      NUSSBAUMER A. Defect tolerances of steel castings in bridge structures: project IC 438[R]. Zurich: Swiss Federal Institute of Technology, 2005: 1-3.
      NUSSBAUMER A, HALDIMANN-STURM S C. Fatigue of bridge joints using welded tubes or cast steel node solution[C]//Proceedings of the 2006 IIW International Conference: Tubular Structures. Quebec City: [s.n.], 2006: 56-63.
      陈海洲. 铸钢节点的疲劳性能与设计研究[D]. 上海: 同济大学, 2009.
      靳慧,李菁,李爱群. 波浪载荷下海中观光塔铸钢节点疲劳强度验算[J]. 江南娱乐网页版入口官网下载安装学报,2010,45(5): 692-697.doi:10.3969/j.issn.0258-2724.2010.05.007

      JIN Hui, LI Jing, LI Aiqun. Checking calculation of fatigue strength for cast steel joints of offshore tour tower under wave loads[J]. Journal of Southwest Jiaotong University, 2010, 45(5): 692-697.doi:10.3969/j.issn.0258-2724.2010.05.007
      JIN H, LI J, MO J H, et al. Fatigue of girth butt weld for cast steel node connection in tower structure under wave loadings[J]. Structural Design of Tall and Special Buildings, 2014, 23(15): 1119-1140.doi:10.1002/tal.1111
      SHARP J V, MA A. Fatigue design of cast steel nodes in offshore structures based on research data[J]. Ice Proceedings Water Maritime & Energy, 1997, 124(2): 112-126.
      HARDIN R A, BECKERMANN C. Prediction of the fatigue life of cast steel containing shrinkage porosity[J]. Metallurgical & Materials Transactions A, 2009, 40(3): 581-597.
      蔡建国,冯健,顾洪波,等. 大型铸钢节点的工程应用和分析[J]. 钢结构,2008,23(4): 13-17.doi:10.3969/j.issn.1007-9963.2008.04.004

      CAI Jianguo, FENG Jian, GU Hongbo, et al. Practical application and analysis of complex cast-steel joint[J]. Steel Construction, 2008, 23(4): 13-17.doi:10.3969/j.issn.1007-9963.2008.04.004
      莫德锋,何国求,胡正飞,等. 孔洞对铸造铝合金疲劳性能的影响[J]. 材料工程,2010(7): 92-96.doi:10.3969/j.issn.1001-4381.2010.07.020

      MO Defeng, HE Guoqiu, HU Zhengfei, et al. Effect of porosity on fatigue property in aluminum cast alloys[J]. Journal of Materials Engineering, 2010(7): 92-96.doi:10.3969/j.issn.1001-4381.2010.07.020
      机械工业部沈阳铸造研究所. 铸钢件超声探伤及质量评级标准: GB/T 7233—2009[S]. 北京: 中国标准出版社, 2009.
      COLLINI L, PIRONDI A. Fatigue crack growth analysis in porous ductile cast iron microstructure[J]. International Journal of Fatigue, 2014, 62(2): 258-265.
      KUMAR A, VARSHNEY A K, RAM M. Sensitivity analysis for casting process under stochastic modelling[J]. International Journal of Industrial Engineering Computations, 2015, 6(3): 419-432.doi:10.5267/j.ijiec.2015.2.001
      ROBERTS A P, GARBOCZI E J. Elastic properties of model porous ceramics[J]. Journal of the American Ceramic Society, 2000, 83(12): 3041-3048.doi:10.1111/j.1151-2916.2000.tb01680.x
      NADOT Y, MENDEZ J, RANGANATHAN N. Influence of casting defects on the fatigue limit of nodular cast iron[J]. International Journal of Fatigue, 2004, 26(3): 311-319.doi:10.1016/S0142-1123(03)00141-5
      郑凯锋,衡俊琳,何小军,等. 厚边U肋正交异性钢桥面板的疲劳性能[J]. 江南娱乐网页版入口官网下载安装学报,2019,54(4): 694-700.

      ZHENG Kaifeng, HENG Junlin, HE Xiaojun, et al. Fatigue performance of orthotropic steel decks with thickened edge U-ribs[J]. Journal of Southwest Jiaotong University, 2019, 54(4): 694-700.
      刘晓春,金城,余志武,等. CRTSⅢ型板式无砟轨道横向弯曲疲劳试验[J]. 江南娱乐网页版入口官网下载安装学报,2018,53(1): 23-30.doi:10.3969/j.issn.0258-2724.2018.01.003

      LIU Xiaochun, JIN Cheng, YU Zhiwu, et al. Fatigue testing of CRTS Ⅲ ballastless slab track structures under transverse bending[J]. Journal of Southwest Jiaotong University, 2018, 53(1): 23-30.doi:10.3969/j.issn.0258-2724.2018.01.003
      莫建华. 铸钢节点的疲劳力学性能研究[D]. 南京: 东南大学, 2012.
      李顺酩. 机械疲劳与可靠性设计[M]. 北京: 科学出版社, 2006: 47-67.
      徐灏. 疲劳强度设计[M]. 北京: 机械工业出版社, 1981: 67-105.
    • 加载中
    图(6)/ 表(7)
    计量
    • 文章访问数:782
    • HTML全文浏览量:401
    • PDF下载量:15
    • 被引次数:0
    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

    目录

      /

        返回文章
        返回
          Baidu
          map