Tính toán tuổi thọ mỏi trong kết cấu thép hàn

TÍNH TOÁN TUỔI THỌ MỎI TRONG KẾT CẤU THÉP HÀN ThS Bùi Ngọc Dung, Khoa Xây Dựng Fatigue life is a key concern in welded-steel frames for mobile equipment that experience large and varying dynamic loads There are more 90% of all failures in engineering components are due to fatigue Therefore, heading off potential fatigue issues is always beneficial, both for manufacturers and users For engineers who design welded-steel structures subject to dynamic loading, fatigue life is normally a top priority Whether welding together a few relatively simple parts or fabricating large, complex structures, weld fatigue is likely to be the most-common failure mode if the part or structure is subjected to fluctuating stresses Each type of steels is fatigue strength and fatigue life different Here are some basic principles and methods for predicting the durability of welded structures that bear fluctuating loads Phân loại thép Khi xem xét phân tích mỏi thép, điều quan trọng cần lưu ý khác biệt quan trọng hai loại thép lớn: Lớp1 lớp chất lượng cao, thép "sạch" với độ xác gia công bề mặt đánh bóng Những loại thép có độ bền cao thường không hàn Trong thực tế, hầu hết thép loại tính chất hóa học học phù hợp cho hàn Phân loại tiêu biểu bao gồm số thép có độ bền cao SAE 4140, 4340, 52100 Các phận truyền động bánh răng, trục, vòng bi ví dụ tốt sản phẩm làm từ loại thép Lớp Mill cuộn, hình thành, lửa cắt hình dạng Chế tạo thép, thanh, ống, dầm rộng mặt bích, hình dạng khác thường làm từ thép cường độ thấp Những loại thép thiết kế với tính chất hóa học học phù hợp với việc hàn Ví dụ điển hình lớp thép ASTM, chẳng hạn A36, A572, A514 Trong phận làm từ hai loại thép (và làm) bị phá hoại mỏi, phương pháp lý thuyết dùng để dự đoán tuổi thọ mỏi chúng khác Đối với loại 1, độ bền kéo ảnh hưởng đến tuổi thọ mỏi Đến giới hạn khoảng 200.000 psi, dộ bền kéo cao tuổi thọ mỏi lớn Đối với loại 2, tuổi thọ mỏi hoàn toàn độc lập với độ bền vật liệu, thảo luận sau Đặc tính mỏi tạo tính thép giới hạn chịu đựng so với hầu hết kim loại khác Một tổ chức uy tín hàng đầu thép hợp kim tổ chức quốc tế ASM, Material Park, Ohio Trong chuỗi sổ tay họ, tập 1: Thuộc tính lựa chọn: sắt, thép hợp kim chất lượng cao, báo “ khả chịu mỏi thép”chỉ rõ đặc điểm như: Hình 1: Các kiểu biên độ ứng suất Điều kiện biên độ ứng suất thông thường biểu diễn ba đường cong hình sin Giới hạn mỏi (hoặc giới hạn chịu đựng) giá trị ứng suất cho phép mà vật liệu khả chịu đựng số lượng vô hạn chu kì ứng suất, ứng suất biểu đồ S-N xuất thành đường nằm ngang Tuy nhiên, có khuyến cáo cho việc kết hợp khả chịu mỏi với thép hàn Mặc dù vài liệu tuổi thọ vô phép ngoại suy, đặc biệt cho thép loại 1, điều phần mở rộng để giải thích cho thép loại để ý đến vết nứt nhỏ (nơi mà khởi nguồn vết nứt mỏi) xung quanh điểm hàn Cũng số liệu quan trọng thí nghiệm làm 10.106 chu trình cho kết cấu hàn quy mô lớn Vấn đề chung mỏi Do tính chất nghiêm trọng hư hỏng mỏi, nhiều nghiên cứu tiến hành vài thập kỷ qua nỗ lực để dự đoán tuổi thọ giảm số lượng hư hỏng Để biết thêm chi tiết nỗ lực nghiên cứu, xem tài liệu " Sự phát triển thép hàn Hướng dẫn thiết kế mỏi” The TRB’s National Cooperative Highway Research Program (NCHRP) - Báo cáo 102, "Ảnh hưởng việc hàn đến độ bền mỏi dâm thép" định nghĩa mỏi "sự khởi đầu lan truyền vết nứt nhỏ vào vết nứt vĩ mô tải trọng kéo lặp lặp lại Những ứng suất kéo riêng lẻ không đủ lớn để gây hư hỏng tĩnh, vết nứt đủ lớn việc phá hủy phận kết cấu bất đầu từ vị trí mà mặt cắt ngang bị giảm yếu Bất kì người trải qua việc kết cấu bị phá hủy mỏi chắn hiểu tượng xảy cách đột ngột Trên thực tế, điều khác biệt lớn phá hủy tĩnh phá hủy mỏi Phá hủy tĩnh thường dễ dàng để tìm chúng thường với biến dạng dẻo Do họ thường không coi hư hỏng nghiêm trọng Hư hỏng mỏi, mặt khác , thường xẩy đột ngột thường thảm khốc Điều giải thích nhà sản xuất thiết bị chịu mỏi thường có dẫn sử dụng nhân viên định kỳ kiể tra thực kiểm tra không phá hủy để kiểm tra vết nứt mỏi Những thí nghiệm từ trực quan đơn giản tới thí nghiệm phức tạp siêu âm hình ảnh vết nứt Mặc dù điều nằm phạm vi nghiên cứu báo, kĩ thuật “cải tiến hàn” nói riêng làm tăng tuổi thọ mỏi Những tác động khí bao gồm gò búa kỹ thuật làm lạnh điều có nghĩa dùng ứng suất nén tác động vào bề mặt mối hàn Một ví dụ khác dùng nhiệt, mối quan hệ với phận nhỏ hay kết cấu làm nóng lên lò đặt trước nhiệt độ sau làm lạnh dần Những kỹ thuật kỹ thuật làm giảm nhẹ khác làm giảm bớt ứng suất dư thường phát sinh suốt trình hàn CÁC LOẠI HỆ SỐ MỎI Loại chi tiết mỏi A B B' C D E E' Hệ số TRB Ax108 250 119 61.1 44.5 21.8 10.7 3.91 Hệ số AWS Hệ số khác Cfx108 Q 250 29.2 120 22.9 61 18.3 44 16.4 22 13 11 10.3 3.9 7.3 Hệ số cho loại mỏi khác trợ giúp việc tính toán độ nhạy mối hàn tới ứng suất áp dụng Điều quan trọng để ghi nhớ mà tuổi thọ mỏi kết cấu hàn độc lập với độ bền vật liệu Trên thực tế, vài trường hợp, thép có độ bền cao A514 lại tỏ có sức chịu mỏi thép có độ bền thấp A36 Điều liên quan đến tính hàn vật liệu A514 khó hàn A36 Những thí nghiệm vết nứt mỏi vài điểm gián đoạn mối hàn quan tâm đến gia tăng theo phương vuông góc với ứng suất Một vài ví dụ điển hình mối hàn không liên tục khuyết điểm đường hàn bị xốp, bao gồm nóng chảy không đủ, kẹt xỉ hàn, khí hidro gradient độ cứng cao ( thường thép bị nóng chảy lại) Định lượng liệu mệt mỏi Nhờ nghiên cứu sâu rộng nhiều tổ chức số nước 40 năm qua, mối quan hệ tuổi thọ mỏi biên độ ứng suất thiết lập vững Ví dụ, Báo cáo NCHRP 286: "Đánh giá xét nghiệm mỏi Thiết kế Tiêu chuẩn chi tiết hàn," Tuổi thọ mỏi (N) tính sau: N = A/SrB = ASr- B log N = log A - B • log Sr N = tuổi thọ mỏi, Sr = biên độ ứng suất (không phải độ lớn ứng suất) ksi, A = hệ số liên quan đến loại chi tiết mỏi, B = "độ dốc" đường cong mỏi Dưới nhìn sâu thông số: Độ dốc đường cong mỏi (B) Dựa phân tích hồi quy liệu thử nghiệm nghiên cứu nói trên, số mũ B tìm thấy khoảng 3,0 (Thông tin chi tiết tìm thấy Báo cáo NCHRP 286.) Trên thực tế, phát cho thấy tuổi thọ mỏi tỉ lệ nghịch với lập phương biên độ ứng suất Vì vậy, thay đổi nhỏ biên độ ứng suất ảnh hưởng lớn tới tuổi thọ mỏi Ví dụ, tăng biên độ ứng suất có 10% làm giảm tuổi thọ dự đoán 25% Tăng gấp đôi biên độ ứng suất làm giảm tuổi thọ mỏi thêm lần! Biên độ ứng suất (Sr) theo định nghĩa, đơn giản khác biệt ứng suất lớn ứng suất nhỏ Sr = Smax - Sphút Trong việc phân tích mỏi,, biên độ ứng suất luôn lặp lặp lại Ví dụ minh họa cho khái niệm mô tả đồ thị “các kiểu biên độ ứng suất” nơi mà điều kiện biên độ ứng suất miêu tả ba đường cong hình sin Trong trường hợp, biên độ ứng suất 40ksi, độ lớn ứng suất thay đổi (từ 20 đến 60 ksi) Những hình minh họa cho hai kiểu khác biên độ ứng suất: -Dao động: Smax Smin ứng suất kéo (hoặc nén) - Đổi dấu: Smax ứng suất kéo Smin nén Ví dụ điển hình cho kiểu biên độ ứng suất dao động tìm thấy trêm dầm thiết bị thoát khỏi đường cao tốc Việc vận hành máy móc tải trọng qua chướng ngại vật khác bề mặt nhám bắt đầu gia tăng theo phương thẳng đứng phương dọc tạo nên biên độ ứng suất dao động khắp phận dầm Điều minh họa đường cong thứ Dầm cầu trục ví dụ khác cho đối tượng có tải trọng thay đổi làm nên kiểu biên độ ứng suất dao động Tải trọng treo vào móc, ứng suất dầm thay đổi từ không tới biên độ lớn tương ứng với tải trọng Khi tải trọng bị dỡ ra, ứng suất lại không Điều làm nên tải trọng lặp, Nó biểu diễn đường cong thứ Ví dụ điển hình cho kiểu biên độ ứng suất đổi dấu ( đường cong thứ 3) trục quay tải trọng uốn, trục bánh xe máy kéo nông nghiệp Mặc dù số lượng kiểu biên độ ứng suất dao động có tầm quan trọng kiểu biên độ ứng suất đổi dấu, số lượng kiểu biên độ ứng suất đổi dấu kết cấu hàn (đặc biệt đổi dấu toàn phân Smax = Smin) cần quan tâm Chúng dường làm cho vết nứt mỏi trở nên phổ biến Một lần nữa, khác biệt lớn phá hoại tĩnh mệt mỏi Phá hủy tĩnh xảy với ứng suất cao độ bền vật liệu Phá hủy mỏi, mặt khác, xảy với ứng suất nhỏ Trên thực tế, cường độ ứng suất trung bình với trường hợp đổi dấu hoàn toàn không Cuối tính toán biên độ ứng suất, quan trọng để sử dụng giá trị ứng suất toàn phần (kiểu M/I hay P/A), không kể giá trị ứng suất tập trung cục bộ, vị trí gián đoạn mối hàn Nó nguyên nhân quan trọng tìm mối tương quan với biên độ ứng suất tuổi thọ mỏi tập trung vào hình dạng thực tế vết nứt Mục đích tính ứng suất ứng suất danh nghĩa xác định phương pháp phân tích thích hợp, không kể điểm ứng suất tập trung phương pháp phần tử hữu hạn Hệ số cho loại chi tiết mỏi (A) Để lập thành mối quan hệ tuổi thọ mỏi chi tiết mối hàn, bẩy loại mỏi thiết lập: A, B, B’, C, D, E E’ Mỗi loại thiết lập dựa thực nghiệm đến phá hủy mỏi loại mối nối hình dạng chúng Như vậy, hệ số A phương trình NCHRP hoàn toàn dựa loại chi tiết hàn hình dạng Giá trị cho A cho loại liệt kê bảng "hệ số cho loại chi tiết mỏi" bảng Tuổi thọ mỏi Hai biểu thức chung liên quan tuổi thọ mỏi biên độ ứng Đầu tiên từ Báo cáo NCHRP 286: N = A/(Sr)3 lần thứ hai từ American Welding Society AWS D1.1-2006: N = Cf /(Fsr)3 N = số chu kỳ; Sr Fsr = biên độ ứng suất cho phép (ksi); A Cf hệ số với loại chi tiết mỏi Mặc dù thuật ngữ khác nhau, rõ ràng hai phương trình giống hệt Một cách khác, có lẽ quen dùng công thức sau hơn: N = (Q/Sr)3 Trong đó: Q = (A/106)1/3 = (Cf/106)1/3 = cho phép biên độ ứng suất cho triệu chu kỳ Trong trường hợp hệ số Q có nguồn gốc trực tiếp từ AWS Cf hệ số hiệu đại diện cho biên độ ứng suất mà mối hàn cụ thể có tuổi thọ dự đoán triệu chu kỳ Xem bảng “Hệ số cho loại chi tiết mỏi” “ thiết kế đường cong biên độ ứng suất” Một thách thức cho kỹ sư áp dụng phương trình nằm quy định cụ thể loại chi tiết mỏi xác hệ số Một nguồn lực tốt để ghép nối chi tiết chung với loại mỏi AWS D1.1, Bảng 2.4: "Ứng suất mỏi Thiết kế thông số", có bảy chương với khoảng 80 ví dụ minh họa Hình 2: Các kiểu đường cong biên độ ứng suất Các đường cong biên độ ứng suất sử dụng hệ số Q cho thấy phạm vi ứng suất so với tuổi thọ (triệu chu kỳ) loại khác chi tiết hàn Bằng trực giác, rõ ràng số mối hàn chịu mỏi tốt loại khác Một mối hàn song song với ứng suất tác dụng thường mỏi mối hàn ngang với ứng suất tác dụng Ngoài ra, với mặt cắt thay đổi đột ngột tượng mỏi xảy mạnh Tất nhiên, thay đổi mặt cắt nàu nằm vùng ứng suất nhỏ loại chi tiết mỏi quan trọng chấp nhận Hãy xem xét ví dụ Một dầm với cánh cánh liên kết đường hàn liên tục, mối hàn lấp đầy theo chiều dọc loại B Nếu dầm ngang liên kết với cánh với rãnh hàn xuyên thấu ngang hoàn toàn Trường hợp mặt cắt thay đổi dần tốt nên dùng loại chi tiết B đến E Tuy nhiên đỡ nhỏ hàn vào mép cánh dầm Loại đường cong mỏi bị rớt xuống từ loại B xuống loại E chí E’ không quan trọng đỡ chịu lực hay không "Không có thành viên thứ cấp thiết kế hàn." Để hỗ trợ cho việc thiết kế cầu , AASHTO đưa hệ thống phân loại tải trọng mỏi Mỗi loại thể mối quan hệ độ bền mỏi với kiểu kết cấu hàn Tuy nhiên thiết kế khác loại chi tiết tương tự có cấc ứng suất tập trung tương tự hệ thống sử dụng hệ thống so sánh cho tuổi thọ mỏi Sau số ví dụ Loại A: bao gồm kim loại gia công thành cuộn bề mặt làm liên kết hàn, tán đinh hay bắt bu lông Loại có sức chịu mỏi tốt Loại B B’: Chi tiết kết cấu hàn hoàn thiện mối hàn liên tục dài để tạo thành hay khối định hình Rãnh hàn thấm hoàn toàn với rãnh hàn làm nhẵn nhiệt Loại B: R > 24in Loại C: 24in > R> 6in Loại D: 6in >R >2in Loại E: R < 2in Loại A: bao gồm kim loại gia công thành cuộn bề mặt làm liên kết hàn, tán đinh hay bắt bu lông Loại có sức chịu mỏi tốt Loại B B’: Chi tiết kết cấu hàn hoàn thiện mối hàn liên tục dài để tạo thành hay khối định hình Loại B’ có kết cấu tương tự loại B’ dễ bị mỏi Loại C: Bao gồm xà ngang, phận ngắn, rãnh hàn ngang nơi mà tăng cường không ý đến việc liên kết với bán kính chuyển tiếp dần (6 tới 24inc) Loại D: Bao gồm chi tiết hàn ngắn (2 tới 4inc) liên kết với bán kính chuyển tiếp đột ngột (2 tới inc) Loại E E’: Các mối hàn có độ bền mỏi Một vài ví dụ bao gồm mối hàn lấp đầy liên tục, mối hàn hai đầu phần chiều dài phủ cuối phận dài dầm, chi tiết dài (hơn 4inc) liên kết với Loại E mối hàn E 'có sức chịu mỏi thấp Một vài ví dụ bao gồm mối hàn liên tục lấp đầy, mối hàn hai đầu phần chiều dài phủ, (hơn in.), Và kết nối với bán kính chuyển đổi mạnh (ít in.) Trong tất công trình hàn khác nhau, nhóm E E 'là cấu kiện dễ bị phát triển vết nứt mỏi Tài liệu tham khảo 1- Fatigue of Welded Structures, T R Gurney 2- National Cooperative Highway Research Program (NCHRP) – Report 102 3- Tiêu chuẩn thiết kế cầu 22TCN-272-05