论文总字数：23864字

摘 要

随着社会的发展，大跨度结构工程受到越来越多的需求和关注，铸钢节点凭借其形状的多样化，合理的应力分布在结构工程中获得了越来越广泛的应用。

疲劳破坏是铸钢节点的主要破坏形式，但关于铸钢节点的疲劳研究还不深入。本文对国内两种常见焊缝细节的铸钢节点进行有限元分析，确认铸钢节点的疲劳裂纹萌生点在焊根处，分析焊缝弹性模量的不同取值，对铸钢节点应力分布的影响，并引入疲劳分析中常用的S-N曲线法中的热点应力法，利用有限元分析的应力结果，研究焊缝弹性模量随机性对焊根热点应力外推法中外推起始点、插值点和热点应力值的影响，从而找到焊缝弹性模量随机性对铸钢节点疲劳性能的影响。结果显示，焊缝弹性模量随机性对焊根热点应力外推法中的外推起始点、插值点选择没有影响，焊根热点应力值则会随着焊缝弹性模量的增加而减小，提高铸钢节点的疲劳性能。

关键词：铸钢节点；热点应力；焊根；表面外推法；弹性模量随机性

the hot-spot stress extrapolation approach of weld roots considering the randomness of elastic modulus of weld

Abstract

With the development of society, large-span structural engineering has received more and more concerns.Cast steel nodes have some prominent characteristics,including high design freedom and reasonable stress distribution ,and are widely applied in all kinds of structures.Facing the frequent fatigue loads,cast steel nodes are in danger of fatigue failure,which has not received enough attention.This project models two widely used weld details and sets different elastic modulus to weld to study the stress distribution and the result reveals that the peak stress points located on the weld roots.This project also introduces the hot-spot stress extrapolation approach and studies the difference of hot-spot stress caused by different weld elastic modulus.The result indicates that hot-spot stress decreases with the increase of weld elastic modulus.

KEYWORDS: Cast steel joint ,Hot-spot stress ,Weld root，Extrapolation approach，Randomness of weld elastic modulus

目录

第1章 绪论 １

1.1 研究背景 １

1.1.1 铸钢节点的特点 １

1.1.2 铸钢节点的分类和工程应用 １

1.2 研究现状及存在问题 ３

1.2.1 研究现状 ３

1.2.2 存在的问题 ４

1.3 本文主要研究内容 ４

第2章 焊接结构疲劳分析理论与计算 ６

2.1 金属疲劳断裂机理 ６

2.2 焊接接头的疲劳强度 ７

2.3 名义应力评定方法 ９

2.3.1 名义应力法基本原理 ９

2.3.2 名义应力谱 ９

2.3.3 名义应力S-N曲线 １０

2.3.4 疲劳准则 １１

2.4 基于表面外推热点应力法的焊接结构疲劳 １２

2.4.1 基本原理 １２

2.5 本章小结 １３

第3章 铸钢节点环形对接焊缝的有限元模型 １４

3.1 国内常见的铸钢节点焊缝细节 １４

3.2 考虑随机性的焊缝弹性模量取值 １６

3.3 常见焊缝细节有限元模型建立 １７

3.3.1 包含A型细节焊缝的铸钢节点有限元模型 １７

3.3.2 包含B型细节焊缝的铸钢节点有限元模型 １８

3.4 常见焊缝细节有限元分析结果 １９

3.4.1 A型焊缝有限元分析 １９

3.4.2 B型焊缝有限元分析 ２０

3.5 本章小结 ２１

第4章 焊根热点应力外推法 ２３

4.1 焊根热点应力外推计算法 ２３

4.1.1 插值方法 ２３

4.1.2 焊根外推起始点、插值点的选择 ２３

4.1.3 焊根表面外推公式及热点应力计算 ３２

4.2 不同焊缝弹性模量对热点应力外推法结果的影响 ３４

4.3 本章小结 ３５

第5章 结论与展望 ３７

5.1 本文主要研究成果 ３７

5.2 今后工作展望 ３７

绪论

研究背景

随着科技的进步和经济的发展，人们对空间结构提出了越来越高的要求，跨度越来越大，工业水平越来越高，外形多变形式复杂。网架结构在体育场馆、工业厂房、机场机库的广泛应用，都体现出了人们对大跨度结构工程的关注与需求。但为了使结构在具有大跨度、外形新颖复杂、形式多变的同时具备必需的安全性，结构中较薄弱的连接部位“节点”面临着艰巨的考验，而铸钢节点凭借其优秀传力性能、便捷的制作和安装过程以及良好的技术经济效益，在大跨度结构工程中，成为了现代结构设计的普遍选择。

铸钢节点的特点

相比于焊接节点、钢管相贯节点、螺栓节点等节点形式，铸钢节点具有独特的性能，即使多个钢管从不同方向交汇，铸钢节点也能形成复杂的形状，圆弧倒角过渡，力学性能不被受力方向制约，特别适用于钢结构中多向受力状态下的节点。铸钢节点相比于钢管结构中的另一种节点形式-焊接节点，具有如下特点：

1. 铸钢节点在工厂整体浇筑，选择应力较小处与钢管采用环形对接焊缝相连，避免了焊接节点连接时切割加工形成相贯线焊缝的复杂工序[^[1]]。
2. 浇筑节点时，在应力集中区域采用圆弧倒角过渡的方法，获得更合理的应力分布。
3. 为加强节点的强度和刚度，节点的壁厚较钢管厚。
4. 限制铸钢中碳、硫、磷的含量，来获得更好的可焊性和延性。
5. 焊接节点具有良好的适应性，节点设计自由度大，可根据建筑需要生产出具有复杂外形和内腔的节点。可按受力状况采用最合理的截面形状，从而改善节点的应力分布[^[2]]。
6. 铸钢节点还可以用作支座处节点，应用范围广，不受形状、位置制约。
7. 铸钢节点采用环形对接焊缝，焊缝位置外移，有利于施工操作。

正是由于铸钢节点焊缝整体浇筑，圆弧过渡，应力集中程度小，应力分布合理，焊接次应力小等特点，它相对于焊接节点拥有更好的抗疲劳性能，正是由于这个原因铸钢节点更多地运用在承受海浪疲劳荷载、风疲劳荷载的海洋工程、桥梁工程中。

铸钢节点的分类和工程应用

在建筑结构中应用的铸钢节点形式繁多，除了根据构造划分的实心节点、空心节点、半空心半实心节点，还有根据节点形式划分的空心球管节点、相贯节点、支座节点[^[3]]。

目前，这些铸钢节点在建筑工程中也得到了广泛的应用，例如半空心半实心节点在深圳文化中心展览厅的使用，铸钢空心球型节点在重庆奥林匹克体育中心工程的大量使用，广州国际会展中心对铸钢支座节点的使用，我们看到，铸钢节点规格的千差万别，这更体现了它的适应性强，自由度大，可以根据不同需求浇筑，来达到良好的技术经济效益。

图 1-1深圳文化中心展览厅工程铸钢节点[^[4]]

图 1-2重庆奥林匹克体育中心工程铸钢节点[⁴]

图 1-3广州国际会展中心铸钢节点[⁴]

研究现状及存在问题

研究现状

随着铸钢节点在工程结构中越来越广泛的应用，与它有关的研究也越来越全面，但是，截止目前关于铸钢节点的研究大都停留在静力分析上，对它的疲劳性能研究很少，但疲劳失效却是铸钢节点失效的重要形式。

欧洲进行的有关铸钢节点疲劳性能的试验分析和数值模拟中，已经提出环形对接焊缝是铸钢节点疲劳破坏的主要位置，而节点铸钢部分却因为铸造时的加强而相对焊缝拥有更好的疲劳性能，所以目前亟需关于铸钢节点环形对接焊缝疲劳性能的研究。

关于铸钢节点疲劳性能的研究主要集中在两方面，试验研究和数值模拟。试验研究是比较直接可信的方法，在大跨结构设计时，常采用试验的方法分析铸钢节点的受力性能，较早的试验中，常利用尺寸较大的模型来保证试验的可靠性，近年来电测技术和光测技术的突飞猛进，为试验提供了更有利的手段。在试验研究方面，瑞士ICOM实验室、德国Karlsruhe大学等都进行了相关工作，通过对钢管桁架模型的疲劳试验，对小尺寸焊接管的疲劳拉伸试验，对大尺寸铸钢节点的弯曲试验，研究了铸钢节点在大比例桁架模型中的疲劳性能，铸造缺陷对疲劳寿命的影响，不同焊接细节下的铸钢节点环形对接焊缝的疲劳强度，为不同细节的焊缝推荐不同的S-N曲线进行疲劳寿命评估[^[5]][^[6]]。数值模拟既是对试验研究的验证与补充，在成本、时间、试验条件有限的情况下，数值模拟也受到越来越多的重视与信任。东南大学在《杭州湾跨海大桥工程海中平台改造项目观光塔铸钢节点试验研究与疲劳数值分析-疲劳数值分析》中，对观光塔上的铸钢节点利用数值分析研究其疲劳寿命，并提出了铸钢节点和焊缝疲劳寿命估算方法。[^[7]][^[8]]在东南大学靳慧负责的《基于热点应力法的铸钢节点环形对接焊缝的疲劳性能研究》项目中，从国内的铸钢节点生产企业处获得常用铸钢节点的具体细节，利用这些细节建立有限元模型，通过对模型的分析，验证了五种焊缝细节下的热点都在焊根处，根据靠近焊根处结构应力的稳定性，确定不同铸钢节点模型的合理长度以及网格沿厚度、长度、圆周方向的合理尺寸，得到铸钢节点建模划分网格的规律。项目还对已有的焊趾处热点应力法进行分析，推导出焊根处热点应力的直接计算法和表面外推法，并对比了两种方法的优劣，最终通过计算不同焊缝细节的焊根处热点应力集中系数，结合试验得到的不同焊缝细节下的名义应力S-N曲线，得到不同模型的热点应力S-N曲线，完成对铸钢节点的疲劳性能分析[^[9]]。

存在的问题

尽管目前已经有了国内常见焊缝细节的铸钢节点焊根热点应力的外推法公式，但是在模型建立时，对于焊缝材料弹性模量的选取并没有研究，之前的研究都是选取焊缝弹性模量与钢管一致计算得到的，应力分析与疲劳寿命估算的结论也都是在此基础上得到的，弹性模量的选取作为建立模型时必需的参数，它的差异是否会影响我们之前数值模拟、公式推导、疲劳寿命估计的结果，它的随机变化会对热点应力、疲劳寿命带来什么样的影响一直是有待解决的问题，如果弹性模量随机性会对关于疲劳寿命估算、铸钢节点疲劳性能的研究结果产生较大的影响，那么接下来的研究工作就可以放在不同焊缝弹性模量范围下铸钢节点疲劳性能研究，不同焊缝下铸钢节点疲劳寿命估算，如果本次毕设结果表明，环形对接焊缝的弹性模量变化对外推法得到的热点应力影响不大，从而对铸钢节点疲劳寿命影响也较小，甚至得到更好的结果，影响是线性的话，那么它将是对前面利用热点应力法的环形对接焊缝疲劳寿命研究，以及已经建立的模型的肯定与补充，将已有理论强化，更具说服力，所以焊缝材料弹性模量的变化对应力最大值点的位置变化和外推区应力分布有什么影响，是目前研究铸钢节点环形对接焊缝疲劳性能的一个亟需解决的问题。

本文主要研究内容

针对上述问题，本次毕设将进行一系列的数值分析和结果统计，本次毕设的主要工作及研究内容如下

1. 建立具有常用焊缝细节的铸钢节点有限元模型，并赋予焊缝段不同的材料弹性模量，统计、分析有限元计算结果，研究焊缝弹性模量的不同取值对应力最大值点位置、外推区应力分布的影响。
2. 分析现有的焊根热点应力外推计算方法，将不同焊缝弹性模量取值下的有限元分析结果带入到热点应力外推计算法中，从外推计算法对外推点的要求的角度，结合对有限元分析应力结果的处理，研究它对外推起始点、插值点以及热点应力插值结果的影响，从而确定焊缝弹性模量随机性对铸钢节点疲劳分析和寿命估算的影响。

焊接结构疲劳分析理论与计算

本章将介绍焊接接头疲劳分析基本理论，焊接结构的疲劳强度分析方法，主要是名义应力S-N曲线和表面外推法热点应力S-N曲线，尽管断裂力学理论同样可以对焊接结构疲劳裂纹扩展进行分析，但它主要是研究裂纹在局部条件如结构应力、缺口效应等控制下的形成，在断裂力学参量、焊接残余应力、材料微观的不均匀性下的裂纹扩展，着重研究整个疲劳的过程，并不适合为设计提供参考，所以本章对断裂力学的焊接结构疲劳分析研究不加以阐述。

金属疲劳断裂机理

图 2-1试件疲劳断口上的粗糙区和光滑区

金属在足够多的循环应力或应变作用下发生性能变化，经过损伤的不断累积在局部发生疲劳断裂，金属结构的疲劳性能取决于材料属性、构件形状和尺寸、工作条件等。金属结构的疲劳断裂过程分为裂纹萌生阶段、裂纹稳定扩展阶段和裂纹不稳定扩展阶段（即瞬时断裂）三个阶段，疲劳断口上可以分为裂纹源、裂纹扩展区（光滑区）和瞬时断裂区（粗糙区）。

金属材料在冶炼和热处理时产生缺陷、由于设计不合理产生应力集中、加工不合理造成表面粗糙或损伤，均会导致金属局部塑性应变集中使裂纹萌生，裂纹大都在金属表面萌生，晶粒的滑移面与最大切应力面相一致时首先开始屈服滑移。

疲劳裂纹扩展时分为两个阶段，第I裂纹扩展阶段时，疲劳裂纹在滑移带萌生后，首先沿与拉应力45°夹角的滑移面扩展，在裂纹扩展到几个晶粒到几十个晶粒深度后，扩展方向逐渐变化为与拉应力成90°方向，裂纹扩展方向的变化阶段为第II阶段裂纹扩展，裂纹从与主应力45°夹角扩展到与主应力方向垂直，就是宏观上的裂纹扩展直至失稳断裂。

断裂是金属的疲劳损伤逐渐累积，裂纹扩展，金属构件的受力面积不断减少，当裂纹扩展至剩余截面上的应力大于材料极限强度，或应力强度因子超过材料的断裂韧性时，裂纹扩展进入失稳阶段，导致瞬间的断裂。

焊接接头的疲劳强度

尽管焊接结构与铆接、螺栓连接等相比有着密闭性好，整体性好，节约材料等优点，但是起源于焊接应力集中区的焊接结构疲劳破坏对焊接接头的应用有很大的制约，焊接接头中存在的夹渣、未焊透、咬边等缺陷是天生的裂纹源，裂纹萌生阶段直接越过，疲劳断裂的过程更短，而且焊缝处的应力集中和焊接残余应力促使了疲劳裂纹的萌生，导致疲劳断裂。

图 2-2宏观几何应力集中[¹⁰]

（a）结构宏观几何效应（b）集中载荷作用效应（c）接头错位应力集中效应

焊接结构疲劳强度受应力集中程度影响很大，应急集中程度较大的区域包括焊缝焊趾、焊根、焊接缺陷处、结构断面突变造成的结构应力集中，在疲劳载荷的作用下，应力集中处在缺口效应下发生微曲循环塑性变形，但受到周围区域的约束，局部塑性循环区疲劳裂纹萌生扩展对于焊接结构的疲劳寿命有很大的影响。若焊缝恰好处于截面突变处，应力集中最为严重，最易产生疲劳裂纹[^[10]]。

焊缝区在冷却收缩时产生三维的残余应力，对于厚度不大的焊接结构，沿厚度方向的残余应力很小，残余应力基本是两轴的，通常把沿焊缝方向的残余应力称为纵向残余应力，垂直焊缝方向的应力称为横向应力。

焊接缺陷较少了截面承载面积，并在周围形成应力集中，很容易产生疲劳微裂纹，缺陷的种类很多，主要有夹渣、气孔、未焊透、形状不良等，根据缺陷位置的不同，可以分为内部缺陷和外部缺陷，根据缺陷的影响程度，可分为平面缺陷、体积缺陷、成型不良。裂纹是焊接结构中最危险的缺陷，焊缝中局部金属原子结合遭到破坏形成缝隙，在循环加载中扩展甚至突然断裂。焊缝未焊透则会在焊缝的缺口和端部形成应力集中，焊接结构承受荷载时易开裂。咬边即减少了焊缝有效截面，也会产生双重应力集中，放大缺口效应。

图 2-3各类焊接缺陷及裂纹[¹⁰]

焊缝处疲劳裂纹萌生主要发生在焊趾或焊根等应力集中区域，裂纹的扩展由裂纹局部应力强度因子控制，焊根、焊趾处同时存在缺口效应和应力集中，在工程领域的焊接结构疲劳分析主要有名义应力评定法、热点应力评定法、缺口应力评定法和断裂力学评定法[^[11]],本章着重介绍前两种应力幅寿命曲线法。

名义应力评定方法

名义应力法基本原理

名义应力法根据结构细节的S-N曲线进行的疲劳分析方法，得到了充分试验研究和理论推导，是在工程领域运用已经成熟的疲劳设计与寿命估算方法，此法基于材料力学的应力分析，考虑接头处构件几何宏观上突变带来的应力集中，计算危险截面应力值，忽略结构细节处的应力集中，因为接头细节在计算中予以考虑，所以需要对典型焊缝细节的接头进行常幅、变幅加载的疲劳试验，得到名义应力S-N曲线，进行疲劳分析。名义应力法的主要步骤为：使用材料力学应力分析方法计算，或建立适当的模型数值分析，得到焊接构件危险截面的名义应力，利用名义应力与加载的关系，得到构件的名义应力谱，将构件的连接形式等细节与设计标准中的标准接头对比，确定合适的疲劳级别，并根据构件的细节特点，修正得到名义应力S-N曲线，最后结合名义应力S-N曲线与转换加载谱得到的名义应力谱即可采用疲劳分析方法估测构件的疲劳寿命。

名义应力谱

在计算名义应力时考虑宏观几何不连续导致的应力集中，计算出危险截面的弹性应力，计算时同时需要考虑截面变形、结构扭转、集中力作用等引起的应力变化。计算名义应力主要有解析法、有限元法和测量法。

解析法即利用材料力学应力分析公式，计算几何简单构件的危险截面上的名义应力，对于疲劳试验中用于确定疲劳级别的典型试件，其名义应力可利用下式计算，计算后还应该考虑焊接结构具体细节带来的影响，乘以应力集中系数得到实际使用的局部名义应力。

剩余内容已隐藏，请支付后下载全文，论文总字数：23864字

相关图片展示：