索振动断裂机理探究

索振动断裂机理探究

王宪东

重庆交通大学 土木工程学院，重庆  400000

摘要：对索振动断裂机理进行了探究，通过分析不同类型拉索的工作机理，断裂机理，对裂纹的疲劳扩展与腐蚀开裂，根据断裂与损伤力学中的相关理论进行分析，并考虑裂纹的疲劳扩展与腐蚀开裂的影响因素后得出结论，汽车驻车制动拉索是振动产生的疲劳破坏，导致其失效，从而产生断裂。悬索桥吊索是由于腐蚀与疲劳的耦合作用导致了断裂破坏，吊索产生疲劳破坏的原因之一是振动作用，即吊索振动的断裂机理是由于疲劳破坏。

关  键  词：拉索；吊索；振动；断裂；疲劳；力学

拉索作为一个重要的承重构件被广泛应用于日常生活以及各个领域，尤其在土木工程领域的桥梁工程，建筑工程，以及机械工程的某些构件中，起着举足轻重的作用。在不同领域与不同构件中，拉索所承担的作用也有不同。在现实生活中，汽车构件中则存在着大大小小的索结构，它们在不同部位发挥着不同的作用，那么其受力状况便理所当然的有所不同。土木工程中斜拉桥与悬索桥上都有拉索结构，它们由于其工作状态的不同，其受力状态也有差异，本文所探究的悬索桥中的吊索则以承受轴力为主，在外界环境影响下吊索产生振动[1]。在本文探究中以汽车的驻车制动拉索，悬索桥吊索结构为研究对象，根据断裂与损伤力学所学知识探究其振动断裂机理。同时结合断裂与损伤力学理论知识对于裂纹的疲劳扩展与腐蚀开裂进行深入探究。

1  索振动断裂机理

1.1 探究此课题的原因

根据培养计划安排，以及研究生期间所选大方向，本人前期的主要工作是探究考虑刚度影响下的集中粘性阻尼弦的本征问题，这个问题本身可以简化为弦振动的问题，因此通过与断裂与损伤力学的结合，我思考到对于索结构在工作过程中的断裂机理，是否振动作用起着主导作用。综上原因，以及通过查阅相关论文与文献，在本次讨论中，以索振动的断裂机理探究为主题。

1.2  不同类型索的工作机理

以汽车驻车制动拉索以及悬索桥的吊索为分析对象。

汽车驻车制动拉索：汽车的驻车制动拉索一端与驻车制动拉杆相连接，驻车制动拉杆固定在汽车上，驻车制动拉索另一端和汽车的行车制动器连接在一起，同时通过后桥的稳定支撑，才使得其能与汽车的行车制动器相连接。在行驶过程中，当汽车要刹车制动时，制动拉索被制动拉杆带动，进而带动行车制动器，实现对汽车的制动。

在制动过程中，后桥由于路面情况等因素影响产生振动，从而与制动拉索产生相对振动。

悬索桥吊索：在桥梁工程中，加劲梁的恒载与活载通过吊索传递到主缆上，因此吊索是承重构件，其吊索内部由于受力产生轴力。在工作过程中产生振动的原因主要是风荷载的作用。

1.3  断裂机理分析

汽车驻车制动拉索：根据参考文献[2]中对于本问题的分析，结合其工作方式以及受力情况，当制动拉索工作时由于振动作用，振动产生疲劳效应，当疲劳不断积累到一定的程度时，在某次工作过程中由于拉力作用产生断裂，因此导致汽车驻车制动拉索断裂的原因是振动产生的疲劳破坏，导致其失效，从而产生断裂。

悬索桥吊索：在桥梁正常运营的过程中，吊索是暴露在空气中的，同时由于吊索的受力特点，根据参考文献[3]中对于本问题的分析，导致吊索断裂的主要原因是腐蚀与疲劳的耦合作用。风荷载由于水平作用于吊索，因此会导致吊索振动，产生抖振危害，这种外界荷载使得吊索长期受到交变应力的作用，从而产生疲劳损伤，并且不断积累，最终导致吊索断裂。

综上，悬索桥吊索断裂的主要原因是腐蚀与疲劳的耦合作用，振动也是导致吊索产生疲劳破坏的原因之一，即吊索振动的断裂机理是由于疲劳破坏。

1.4  裂纹的疲劳扩展与腐蚀开裂

根据1.3内容所述可知，引起这两种情况下拉索结构断裂的原因主要是由于疲劳破坏和腐蚀作用，因此根据断裂与损伤力学课程中的理论知识以及教材《工程断裂力学基础》[4]中的相关内容，对此问题进行说明。

裂纹的疲劳扩展：线弹性断裂理具有明确的已经成体系的分析过程，而疲劳破坏不具有明确的已经成体系的分析过程，假设将拉索的材料定义为金属材料，那么其疲劳断裂过程十分复杂，迄今为止学术界还没有彻底的搞清楚，但是通常来讲，疲劳断裂发展过程可以划分为四个阶段，滑移生核阶段，微观裂纹扩展阶段，宏观裂纹扩展阶段，失稳扩展阶段，断裂在经过这四个阶段后产生。因此拉索的疲劳破坏也是在经过了这四个阶段的发展之后，产生了断裂。

影响疲劳裂纹扩展的因素有很多，包括温度，环境影响，应力的状态，平均应力，尖峰载荷等，但影响疲劳裂纹扩展的主要因素有以下几种，即平均应力，过载峰，加载的频率，温度。根据汽车驻车制动拉索，悬索桥吊索的工作方式可知，以上因素均会出现在这两种情况分析中，但是根据其工作特点，各有偏重。影响汽车驻车制动拉索疲劳裂纹扩展的主要因素是加载频率，而对于长时间处在外界环境中工作的悬索桥吊索而言，加载的频率，温度均会成为其主要影响因素。

1.5  断裂机理

汽车驻车制动拉索：振动产生的疲劳破坏，导致其失效，从而产生断裂。

悬索桥吊索：腐蚀与疲劳的耦合作用，吊索产生疲劳破坏的原因之一是振动作用，即吊索振动的断裂机理是由于疲劳破坏。

2 结  论

本论文结合断裂与损伤力学，探究索振动断裂机理，通过查阅相关文献与论文资料，结合断裂与损伤力学理论，得出结论：汽车驻车制动拉索是振动产生的疲劳破坏，导致其失效，从而产生断裂。悬索桥吊索是由于腐蚀与疲劳的耦合作用导致了断裂破坏，吊索产生疲劳破坏的原因之一是振动作用，即吊索振动的断裂机理是由于疲劳破坏。

参考文献(References)：

[1]伍雪南, 孙宗光, 毕波. 基于吊索振动测量与神经网络技术的悬索桥损伤识别方法[J]. 大连海事大学学报:自然科学版, 2008(04)：132-134+139.

[2]刘成华, 武文超. 乘用车驻车制动拉索振动断裂验证方法研究[J]. 上海汽车, 2012(12):53-54.

[3]李恬. 自锚式悬索桥吊索断裂研究[D]. 大连：大连理工大学, 2016.

[4]洪启超．工程断裂力学基础[M]．上海：上海交通大学出版社，1987：1-231．