焊接圆钢管K型节点焊缝周围热点应力分布规律研究

论文摘要

圆截面管状节点作为一种支撑结构已被广泛应用于海洋平台、铁路、公路桥梁等结构工程。圆钢管K型节点是管状节点其中一种类型,被非常广泛应用于实际工程。在实际工程中,K型节点往往长期承受由风、海浪、冰和潮汐等引起的循环荷载作用。在这些循环荷载长期作用下,管节点焊缝处容易发生疲劳破坏。这就需要对管节点的疲劳性能进行研究以及对节点疲劳寿命进行预测。管节点的疲劳寿命可以用其所能承受的循环荷载的循环次数表示。本文采用了S—N曲线法来对K型节点疲劳性能进行研究。热点应力可以用一个参数应力集中系数来描述。本文应用有限元方法对K型节点焊缝周围的热点应力分布规律进行了分析。首先,采用有限元网格分区产生方法生成了K型节点的有限元模型,这种方法可以根据计算精度的需要把整个K型节点结构划分为几个不同的子区域,其中每个子区域可以由不同类型的单元和网格密度组成。然后,在提出有限元模型的基础上,应用有限元软件ABAQUS计算了一个在三种基本荷载作用下的K型节点有限元模型,并把计算结果与文献中的试验结果进行了对比,发现两种方法得到的结果吻合很好,从而证明了本文所建立的焊接圆钢管K型节点的有限元模型分析节点焊缝周围应力分布情况的可行性和准确性。应用试验验证后的有限元模型,产生1152个K型节点模型分析了几何参数α、β、γ、τ和θ对承受基本荷载的K型节点焊缝周围的热点应力分布规律影响。通过模型参数分析,发现在三种基本荷载作用下K型节点焊缝周围热点应力分布情况是受几何参数影响的。在几何参数不同的情况下,热点应力的位置将会在冠点和鞍点之间发生移动。在上述几何参数分析的基础上,分别提出了三种基本荷载作用下的K型节点沿焊缝的应力集中系数的参数公式,并进行了参数公式的误差分析,通过误差分析可知本文拟合出的K型节点焊缝周围应力集中系数分布的参数公式计算焊缝周围的应力集中系数是准确的、可行的。本文所提出的公式可以用于实际工程中的管节点设计和分析,而且也为我国钢结构规范在对管节点疲劳性能方面进行规定提供有力的依据。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 焊接圆管节点分类
• 1.3 国内外对焊接圆钢管K 型节点研究现状
• 1.3.1 国外对焊接圆钢管K型节点的研究现状
• 1.3.2 国内对焊接圆钢管K型节点的研究现状
• 1.4 本文研究问题的得出、研究内容和研究意义
• 1.4.1 本文研究问题的得出
• 1.4.2 本文研究内容
• 2 焊接圆管K 型节点几何模拟及其有限元模型产生
• 2.1 引言
• 2.2 管节点的几何模拟
• 2.2.1 无焊缝的相交曲线的定义
• 2.2.2 无焊接节点的相交曲线参数方程
• 2.2.3 夹角γ的定义和计算
• 2.2.3.1 夹角γ的定义
• 2.2.3.2 夹角γ的计算
• 2.2.4 夹角β的定义和计算
• 2.2.4.1 夹角β的定义
• 2.2.4.2 夹角β的计算
• 2.2.5 焊缝模拟
• 2.2.5.1 内部和外部相交线
• W'>2.2.5.2 最小焊接厚度T_W
• 1'>2.2.5.3 初始接触厚度T₁
• 2.2.5.4 焊趾和焊跟的模拟
• W'>2.2.5.5 焊缝厚度T_W
• OS_outer、F_OSinner 、m 和n等的确定'>2.2.5.6 参数F_OSouter、F_OSinner 、m 和n等的确定
• 2.2.6 圆管K 型节点模拟
• 2.2.6.1 圆管K 型节点几何外形
• 2.2.6.2 参数的有效范围
• 2.3 K 型节点有限元模型产生
• 2.3.1 单元类型选择
• 2.3.2 网格划分的标准
• 2.3.3 K 型节点网格划分
• 3 焊接圆管K 型节点焊缝周围热点应力分析
• 3.1 管节点疲劳分析概述
• 3.2 S－N 曲线
• 3.3 管节点应力分析
• 3.3.1 名义应力
• 3.3.2 热点应力
• 3.3.3 应力集中系数
• 3.3.4 外推插值法
• 3.3.5 管节点应力分析方法
• 3.5 K 型节点焊缝周围热点应力分析
• 3.6 数值结果与试验结果对比
• 4 几何参数对焊接圆管K 型节点焊缝周围热点应力分布影响
• 4.1 引言
• 4.2 几何参数定义
• 4.3 几何参数对K 型节点焊缝周围热点应力分布的影响
• 4.3.1 轴向荷载作用下几何参数对应力集中系数影响
• 4.3.1.1 几何参数α对SCF 影响
• 4.3.1.2 几何参数β对SCF 影响
• 4.3.1.3 几何参数γ对SCF 影响
• 4.3.1.4 几何参数τ对SCF 影响
• 4.3.1.5 几何参数θ对SCF 影响
• 4.3.1.6 小结
• 4.3.2 平面内弯曲荷载作用下几何参数对应力集中系数影响
• 4.3.2.1 几何参数α对SCF 影响
• 4.3.2.2 几何参数β对SCF 影响
• 4.3.2.3 几何参数γ对SCF 影响
• 4.3.2.4 几何参数τ对SCF 影响
• 4.3.2.5 几何参数θ对SCF 影响
• 4.3.2.6 小结
• 4.3.3 平面外弯曲荷载作用下几何参数对应力集中系数影响
• 4.3.3.1 几何参数α对SCF 影响
• 4.3.3.2 几何参数β对SCF 影响
• 4.3.3.3 几何参数γ对SCF 影响
• 4.3.3.4 几何参数τ对SCF 影响
• 4.3.3.5 几何参数θ对SCF 影响
• 4.3.3.6 小结
• 4.4 应力集中系数分布参数公式
• 4.4.1 参数公式形式选择
• 4.4.2 公式中系数拟合
• 4.4.3 误差分析
• 5 总结与展望
• 5.1 总结
• 5.2 有待进一步研究的问题
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间发表的学术论文目录