Tính toán tuổi thọ mỏi trong kết cấu thép hàn

Một ví dụ khác là dùng nhiệt, trong đó mối quan hệ với những bộ phận nhỏ hay kết cấu được làm nóng lên trong lò đã được đặt trước nhiệt độ và sau đó làm lạnh dần.. CÁC LOẠI HỆ SỐ MỎI Loạ

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

1 Phân loại thép

Khi xem xét phân tích mỏi của thép, điều quan trọng là cần lưu ý một sự khác biệt quan trọng giữa hai loại thép lớn:

Lớp1 lớp chất lượng cao, thép "sạch" với độ chính xác gia công và bề mặt được đánh bóng Những loại thép này

có độ bền cao và thường không hàn Trong thực tế, hầu hết các thép loại này không có tính chất hóa học hoặc cơ học phù hợp cho hàn Phân loại tiêu biểu bao gồm một số thép có độ bền cao hơn SAE như 4140, 4340, và 52100 Các bộ phận truyền động như bánh răng, trục, và vòng bi là những ví dụ tốt của sản phẩm được làm từ loại thép này

Lớp 2 Mill cuộn, hình thành, và ngọn lửa cắt hình dạng Chế tạo tấm thép, thanh, ống, dầm rộng mặt bích, và hình

dạng khác thường được làm từ thép cường độ thấp hơn Những loại thép này đã được thiết kế với tính chất hóa học và

cơ học phù hợp với việc hàn Ví dụ điển hình là các lớp thép ASTM, chẳng hạn như A36, A572, A514

Trong khi các bộ phận được làm từ hai loại thép có thể (và làm) bị phá hoại mỏi, các phương pháp lý thuyết dùng để

dự đoán tuổi thọ mỏi của chúng là rất khác nhau Đối với loại 1, độ bền kéo ảnh hưởng đến tuổi thọ mỏi Đến một giới hạn khoảng 200.000 psi, dộ bền kéo càng cao thì tuổi thọ mỏi càng lớn Đối với loại 2, tuổi thọ mỏi là hoàn toàn độc lập với độ bền của vật liệu, như sẽ được thảo luận sau

Đặc tính về mỏi tạo ra tính duy nhất của thép về giới hạn chịu đựng so với hầu hết các kim loại khác Một trong những

tổ chức uy tín hàng đầu về thép hợp kim là tổ chức quốc tế ASM, Material Park, Ohio Trong chuỗi sổ tay của họ, tập 1: Thuộc tính và sự lựa chọn: sắt, thép và hợp kim chất lượng cao, bài báo “ khả năng chịu mỏi của thép”chỉ rõ đặc điểm này như:

Hình 1: Các kiểu biên độ ứng suất

Điều kiện về biên độ ứng suất thông thường được biểu diễn trên ba đường cong hình sin Giới hạn mỏi (hoặc giới hạn chịu đựng) là giá trị của ứng suất cho phép cái mà vật liệu có thể khả năng chịu đựng một số lượng vô hạn của chu kì ứng suất, đó là ứng suất trên biểu đồ S-N xuất hiện thành đường nằm ngang

Tuy nhiên, có khuyến cáo cho việc khi kết hợp khả năng chịu mỏi với thép hàn Mặc dù một vài dữ liệu như chỉ ra một tuổi thọ vô cùng bằng phép ngoại suy, đặc biệt cho thép loại 1, điều này cũng một phần nào đó mở rộng để giải thích cho thép loại 2 bởi vì để ý đến những vết nứt rất nhỏ (nơi mà khởi nguồn của vết nứt mỏi) xung quanh điểm hàn Cũng không có một số liệu quan trọng nào của thí nghiệm đã được làm quá 10.106

chu trình cho kết cấu hàn quy mô lớn

2 Vấn đề chung về mỏi

Do tính chất nghiêm trọng của hư hỏng mỏi, nhiều nghiên cứu đã được tiến hành trong vài thập kỷ qua trong một nỗ lực để cả dự đoán tuổi thọ và giảm số lượng các hư hỏng Để biết thêm chi tiết về các nỗ lực nghiên cứu, xem tài liệu "

Sự phát triển của thép hàn Hướng dẫn thiết kế mỏi”

The TRB’s National Cooperative Highway Research Program (NCHRP) - Báo cáo 102, "Ảnh hưởng của việc hàn đến

độ bền mỏi của dâm thép" định nghĩa mỏi là "sự khởi đầu và lan truyền của các vết nứt nhỏ vào các vết nứt vĩ mô bởi các tải trọng kéo lặp đi lặp lại Những ứng suất kéo riêng lẻ này không đủ lớn để gây hư hỏng tĩnh, nhưng khi những vết nứt này đủ lớn thì việc phá hủy các bộ phận kết cấu sẽ bất đầu từ vị trí mà mặt cắt ngang bị giảm yếu

Bất kì một người nào đã từng trải qua việc một kết cấu bị phá hủy mỏi chắc chắn hiểu rằng hiện tượng này có thể xảy

ra một cách đột ngột Trên thực tế, điều này là sự khác biệt lớn giữa phá hủy tĩnh và phá hủy mỏi Phá hủy tĩnh thường

dễ dàng để tìm ra vì chúng thường đi cùng với sự biến dạng dẻo Do đó họ thường không coi nó là hư hỏng nghiêm trọng

Hư hỏng mỏi, mặt khác , thường xẩy ra đột ngột và thường thảm khốc Điều này giải thích tại sao các nhà sản xuất thiết

bị chịu mỏi thường có chỉ dẫn sử dụng và nhân viên định kỳ kiể tra và thực hiện kiểm tra không

phá hủy để kiểm tra các vết nứt mỏi Những thí nghiệm này có thể từ trực quan cơ bản đơn giản tới những thí nghiệm phức tạp hơn như siêu âm hình ảnh vết nứt

Mặc dù điều đó nằm ngoài phạm vi nghiên cứu của bài báo, kĩ thuật “cải tiến hàn” nói riêng đã làm tăng được tuổi thọ mỏi Những tác động cơ khí bao gồm gò bằng búa và kỹ thuật làm lạnh điều đó có nghĩa là dùng ứng suất nén tác động vào bề mặt mối hàn

Một ví dụ khác là dùng nhiệt, trong đó mối quan hệ với những bộ phận nhỏ hay kết cấu được làm nóng lên trong lò đã được đặt trước nhiệt độ và sau đó làm lạnh dần Những kỹ thuật này và kỹ thuật làm giảm nhẹ khác hoặc làm giảm bớt ứng suất dư thường được phát sinh trong suốt quá trình hàn

CÁC LOẠI HỆ SỐ MỎI Loại chi tiết mỏi Hệ số TRB Hệ số AWS Hệ số khác

Hệ số cho các loại mỏi khác nhau là một sự trợ giúp trong việc tính toán độ nhạy một mối hàn tới ứng suất áp dụng

Điều đó cũng quan trọng để ghi nhớ cái mà tuổi thọ mỏi của kết cấu hàn là độc lập với độ bền của vật liệu Trên thực

tế, một vài trường hợp, thép có độ bền cao hơn như A514 lại tỏ ra có sức chịu mỏi kém hơn thép có độ bền thấp hơn như A36 Điều này có vẻ liên quan đến tính hàn được của vật liệu A514 thì khó hàn hơn A36 Những thí nghiệm như vết nứt mỏi bắt đầu từ một vài điểm gián đoạn trong mối hàn và quan tâm đến sự gia tăng theo phương vuông góc với ứng suất Một vài ví dụ điển hình của mối hàn không liên tục và khuyết điểm của đường hàn như bị xốp, bao gồm cả nóng chảy không đủ, kẹt xỉ hàn, khí hidro và gradient độ cứng cao ( thường do thép bị nóng chảy lại)

3 Định lượng dữ liệu mệt mỏi

Nhờ nghiên cứu sâu rộng của nhiều tổ chức ở một số nước trong 40 năm qua, mối quan hệ giữa tuổi thọ mỏi và biên độ

ứng suất đã được thiết lập vững chắc Ví dụ, Báo cáo NCHRP 286: "Đánh giá các xét nghiệm mỏi và Thiết kế Tiêu

chuẩn về chi tiết hàn," Tuổi thọ mỏi (N) được tính như sau:

N = A/Sr B = ASr - B

hoặc

log N = log A - B • log S r

trong đó N = tuổi thọ mỏi, S r = biên độ ứng suất (không phải độ lớn của ứng suất) ksi, A = hệ số liên quan đến loại chi tiết mỏi, và B = "độ dốc" của đường cong mỏi

Dưới đây là một cái nhìn sâu hơn về các thông số:

Độ dốc đường cong mỏi (B) Dựa trên phân tích hồi quy của các dữ liệu thử nghiệm nghiên cứu nói trên, số mũ B

được tìm thấy là khoảng 3,0 (Thông tin chi tiết có thể được tìm thấy trong Báo cáo NCHRP 286.)

Trên thực tế, những phát hiện này cho thấy tuổi thọ mỏi là tỉ lệ nghịch với lập phương của biên độ ứng suất Vì vậy, ngay cả một thay đổi nhỏ của biên độ ứng suất cũng ảnh hưởng lớn tới tuổi thọ mỏi Ví dụ, tăng biên độ ứng suất chỉ có 10% sẽ làm giảm tuổi thọ dự đoán 25% Tăng gấp đôi biên độ ứng suất sẽ làm giảm tuổi thọ mỏi đi thêm 8 lần!

Biên độ ứng suất (Sr) theo định nghĩa, chỉ đơn giản là sự khác biệt giữa ứng suất lớn nhất và ứng suất nhỏ nhất

Sr = Smax - Sphút.

Trong việc phân tích mỏi,, biên độ ứng suất luôn luôn lặp đi lặp lại Ví dụ minh họa cho khái niệm này được mô tả trong đồ thị “các kiểu biên độ ứng suất” nơi mà điều kiện biên độ ứng suất được miêu tả như là ba đường cong hình sin Trong mỗi trường hợp, biên độ ứng suất bằng 40ksi, nhưng độ lớn của ứng suất về cơ bản thì thay đổi (từ 20 đến

60 ksi) Những hình minh họa cho hai kiểu khác nhau của biên độ ứng suất:

-Dao động: Smax và Smin đều là ứng suất kéo (hoặc đều nén)

- Đổi dấu: Smax là ứng suất kéo và Smin thì nén

Ví dụ điển hình cho kiểu biên độ ứng suất dao động có thể được tìm thấy trêm dầm của thiết bị thoát khỏi đường cao tốc Việc vận hành máy móc và tải trọng của nó qua các chướng ngại vật khác nhau hoặc bề mặt nhám bắt đầu gia tăng theo phương thẳng đứng và phương dọc tạo nên biên độ ứng suất dao động trên khắp các bộ phận của dầm Điều này được minh họa bởi đường cong thứ nhất

Dầm cầu trục là một ví dụ khác cho đối tượng có tải trọng thay đổi làm nên kiểu biên độ ứng suất dao động Tải trọng được treo vào móc, ứng suất trong dầm thay đổi từ không tới biên độ lớn nhất tương ứng với tải trọng đó Khi tải trọng

bị dỡ ra, ứng suất lại bằng không Điều này làm nên tải trọng lặp, Nó được biểu diễn bởi đường cong thứ 2

Ví dụ điển hình cho kiểu biên độ ứng suất đổi dấu ( đường cong thứ 3) là trục quay dưới tải trọng uốn, như trục bánh

xe của máy kéo nông nghiệp Mặc dù số lượng kiểu biên độ ứng suất dao động có thể có tầm quan trọng như kiểu biên

độ ứng suất đổi dấu, số lượng kiểu biên độ ứng suất đổi dấu trong kết cấu hàn (đặc biệt đổi dấu toàn phân khi Smax =

Smin) cần được quan tâm hơn Chúng dường như làm cho các vết nứt mỏi trở nên phổ biến

Một lần nữa, đây là một sự khác biệt lớn giữa phá hoại tĩnh và mệt mỏi Phá hủy tĩnh chỉ xảy ra với các ứng suất bằng hoặc cao hơn độ bền của vật liệu Phá hủy mỏi, mặt khác, có thể xảy ra với ứng suất nhỏ hơn Trên thực tế, cường độ ứng suất trung bình với trường hợp đổi dấu hoàn toàn là bằng không

Cuối cùng khi tính toán biên độ ứng suất, quan trọng để sử dụng giá trị ứng suất toàn phần (kiểu như M/I hay P/A), không kể giá trị ứng suất tập trung cục bộ, như tại vị trí gián đoạn của mối hàn Nó là nguyên nhân quan trọng tìm ra mối tương quan với nhau giữa biên độ ứng suất và tuổi thọ mỏi được tập trung vào hình dạng thực tế của vết nứt Mục đích là tính được ứng suất là ứng suất danh nghĩa được xác định bởi phương pháp phân tích thích hợp, không kể điểm ứng suất tập trung như phương pháp phần tử hữu hạn

Hệ số cho loại chi tiết mỏi (A) Để lập thành mối quan hệ giữa tuổi thọ mỏi và chi tiết mối hàn, bẩy loại mỏi cơ bản

được thiết lập: A, B, B’, C, D, E và E’ Mỗi loại được thiết lập dựa trên thực nghiệm đến khi phá hủy về mỏi của các

loại mối nối và hình dạng của chúng

Như vậy, hệ số A trong các phương trình NCHRP được hoàn toàn dựa trên loại chi tiết hàn và hình dạng Giá trị cho A

cho mỗi loại được liệt kê trong bảng "hệ số cho các loại chi tiết mỏi" bảng

4 Tuổi thọ mỏi

Hai biểu thức chung liên quan tuổi thọ mỏi và biên độ ứng

Đầu tiên là từ Báo cáo NCHRP 286:

N = A/(Sr)3

và lần thứ hai từ American Welding Society AWS D1.1-2006:

N = Cf /(Fsr)3.

N = số chu kỳ; Sr và F sr = biên độ ứng suất cho phép (ksi); và A và C f là hệ số với từng loại chi tiết mỏi Mặc dù thuật ngữ khác nhau, rõ ràng hai phương trình giống hệt nhau Một cách khác, có lẽ quen dùng công thức sau hơn:

N = (Q/Sr)3

Trong đó: Q = (A/106

)1/3 = (C f/106)1/3 = cho phép biên độ ứng suất cho 1 triệu chu kỳ

Trong trường hợp này hệ số Q có nguồn gốc trực tiếp từ AWS C f hệ số hiệu quả và đại diện cho biên độ ứng suất mà một mối hàn cụ thể sẽ có một tuổi thọ dự đoán 1 triệu chu kỳ Xem bảng “Hệ số cho các loại chi tiết mỏi” và “ thiết kế các đường cong biên độ ứng suất”

Một thách thức cho các kỹ sư áp dụng phương trình này nằm trong quy định cụ thể các loại chi tiết mỏi chính xác và hệ

số Một trong những nguồn lực tốt nhất để ghép nối các chi tiết chung với các loại mỏi đúng là AWS D1.1, Bảng 2.4:

"Ứng suất mỏi Thiết kế thông số", trong đó 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) đối với các loại khác nhau của các chi tiết hàn

Bằng trực giác, rõ ràng là một số mối hàn chịu mỏi tốt hơn loại khác Một mối hàn song song với ứng suất tác dụng thường là ít mỏi hơn một mối hàn ngang với ứng suất tác dụng Ngoài ra, với mặt cắt thay đổi đột ngột hiện tượng mỏi xảy ra mạnh hơn Tất nhiên, nếu sự thay đổi mặt cắt nàu nằm trong vùng ứng suất nhỏ hoặc loại chi tiết mỏi ít quan trọng thì có thể chấp nhận được

Hãy xem xét những ví dụ Một dầm với bản cánh trên và cánh dưới được liên kết bằng đường hàn liên tục, mối hàn lấp đầy theo chiều dọc là loại B Nếu dầm ngang được liên kết với bản cánh trên với rãnh hàn xuyên thấu ngang hoàn toàn Trường hợp mặt cắt thay đổi dần tốt hơn nên dùng loại chi tiết B đến E Tuy nhiên nếu một tấm đỡ nhỏ được hàn vào mép bản cánh của dầm Loại đường cong mỏi này có thể bị rớt xuống từ loại B xuống loại E thậm chí E’ và nó không quan trọng mặc dù bản đỡ này chịu lực hay không "Không có thành viên thứ cấp trong thiết kế hàn."

Để hỗ trợ cho việc thiết kế cầu , AASHTO đưa ra một hệ thống phân loại tải trọng mỏi Mỗi loại thể hiện mối quan hệ giữa độ bền mỏi với kiểu kết cấu hàn Tuy nhiên các thiết kế khác nhau đối với các loại chi tiết tương tự có cấc ứng suất tập trung tương tự như trong hệ thống thì cũng sử dụng hệ thống so sánh này cho các tuổi thọ mỏi Sau đây là một

số ví dụ

Loại A: bao gồm các kim loại nền được gia công thành

cuộn hoặc bề mặt được làm sạch không có liên kết hàn,

tán đinh hay bắt bu lông Loại này thì có sức chịu mỏi tốt

nhất

Loại B và B’: Chi tiết kết cấu hàn hoàn thiện như mối

hàn liên tục dài để tạo thành tấm hay các khối định hình

Rãnh hàn thấm hoàn toàn với rãnh hàn được làm nhẵn

bằng nhiệt

Loại B: R > 24in

Loại C: 24in > R> 6in

Loại D: 6in >R >2in

Loại E: R < 2in

Loại A: bao gồm các kim loại nền được gia công thành cuộn hoặc bề mặt được làm sạch không có liên kết hàn, tán

đinh hay bắt bu lông Loại này thì có sức chịu mỏi tốt nhất

Loại B và B’: Chi tiết kết cấu hàn hoàn thiện như mối hàn liên tục dài để tạo thành tấm hay các khối định hình Loại

B’ có kết cấu tương tự loại B’ thì dễ bị mỏi hơn

Loại C: Bao gồm xà ngang, bộ phận ngắn, rãnh hàn ngang nơi mà sự tăng cường không được chú ý đến và việc liên

kết với bán kính chuyển tiếp dần (6 tới 24inc)

Loại D: Bao gồm những chi tiết hàn ngắn (2 tới 4inc) và các liên kết với bán kính chuyển tiếp đột ngột hơn (2 tới 6

inc)

Loại E và E’: Các mối hàn có độ bền mỏi kém nhất Một vài ví dụ bao gồm cả mối hàn lấp đầy liên tục, những mối

hàn ở hai đầu của một phần chiều dài của bản phủ cuối của bộ phận dài của dầm, những chi tiết dài hơn (hơn 4inc) và

liên kết với Loại E và mối hàn E 'có sức chịu mỏi thấp nhất Một vài ví dụ bao gồm các mối hàn liên tục lấp đầy, mối

hàn ở hai đầu của một phần chiều dài tấm phủ, (hơn 4 in.), Và kết nối với bán kính chuyển đổi mạnh (ít hơn 2 in.)

Trong tất cả các công trình hàn khác nhau, nhóm E và E 'là những cấu kiện dễ bị phát triển vết nứt mỏi nhất

5 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.