论文总字数：25271字

摘 要

目前，在一些大型工程结构中都有铸钢节点的应用，如海洋结构、空间结构和桥梁结构等。在这些工程中，铸钢节点主要承受着疲劳载荷。在铸钢节点环形对接焊缝的焊趾及焊根部位都存在应力集中，且焊根处的应力集中最为严重。为了分析其疲劳性能，本文采用名义应力法、热点应力法、以及有限元局部直接计算法分别对具有焊缝细节的铸钢节点有限元模型进行了研究，并第一次将等效结构应力法应用于此。本文首先对几种计算方法进行了具体介绍，然后针对具体的有限元模型进行计算，再分别用这些计算方法对有限元计算结果进行后处理，得到最终计算结果。

针对于几种方法得到的结果，在网格尺寸不敏感性、适用性、以及计算方便性上进行了比较和总结。结论表明等效结构应力法对有限元网格尺寸具有不敏感性，而热点应力法以及有限元局部直接计算法依赖于有限元网格尺寸。几种计算方法中名义应力法计算最为方便，但是适用性略窄，结构应力法计算略微繁琐，但适用性广，热点应力法位于两者之间。

关键词：铸钢节点，热点应力法，结构应力法，名义应力法，焊缝疲劳

ANALYSIS ON LOCAL FATIGUE STRESS OF GIRTH BUTT WELD

IN CAST STEEL JOINT

Abstract

At present, there are some application of cast steel joints in some large engineering structures, such as ocean structure, space structure, bridge structure and so on. In these projects, the cast steel joints are mainly subjected to fatigue loads. Stress concentration is present on the weld toe and heel parts of the cast steel joints, and the stress concentration at the heel parts is the most serious. In order to analyze the fatigue performance, the nominal stress method, the hot spot stress method, and finite element calculation method are used in the cast steel joints FEM including weld details and for the first time the equivalent structure stress method is used in this. In this paper, these calculation methods are introduced in detail, and then the FEM is calculated, and then the results of the finite element calculation are processed, and the final results are obtained.

The results obtained from these methods are compared and summarized about the mesh size insensitivity, applicability, and computational convenience. The results show that the equivalent structural stress method is not sensitive to the finite element mesh size, and the hot spot stress method and the finite element calculation are dependent on the finite element mesh size. The nominal stress method is the most convenient, but the applicability is slightly narrow, and the structural stress method is slightly cumbersome, but the applicability is wide, hot spot stress method is in between.

KEY WORDS: cast steel joint, hot spot stress method, equivalent structure stress method, nominal stress method, weld fatigue

目 录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪 论 1

1.1 选题背景 1

1.2 焊接疲劳的特性及影响因素 1

1.2.1焊接疲劳的介绍 1

1.2.2焊接疲劳的影响因素 2

1.3 焊缝疲劳评价简介 3

1.3.1名义应力评定方法 4

1.3.2结构应力评定方法 4

1.4本文主要研究内容 4

第二章 基于外推热点应力法的铸钢节点环形对接焊缝疲劳分析 6

2.1 外推热点应力法 6

2.1.1结构应力与热点应力 6

2.1.2热点类型 8

2.1.3热点应力的有限元计算 9

2.2铸钢节点环形对接焊缝的热点应力分析 10

2.2.1铸钢节点环形对接焊缝的有限元建模 10

2.3本章小结 15

第三章 基于等效结构应力法的铸钢节点环形对接焊缝疲劳分析 16

3.1等效结构应力（Battelle热点应力）法的定义 16

3.1.1基于壳单元的结构应力结算方法 16

3.1.2基于实体单元的结构应力结算方法 18

3.2等效结构应力的计算 21

3.3铸钢节点环形解焊缝的等效结构应力法分析 23

3.3.1轴对称计算方法 23

3.3.2MATLAB后处理 23

3.4本章小结 24

第四章 基于名义应力法和有限元局部直接计算法的铸钢节点环形对接焊缝疲劳分析 25

4.1基于名义应力评定方法的疲劳评定 25

4.1.1名义应力法评定的基本原理 25

4.1.2铸钢节点环形对接焊缝的名义应力法评定 26

4.2基于有限元局部直接计算法的疲劳分析 26

4.2.1有限元局部直接计算法的基本原理 26

4.2.2铸钢节点环形对接焊缝的有限元直接计算法评定 27

4.3本章小结 28

第五章 结论与展望 29

5.1结论 29

5.2展望 29

致 谢 31

参考文献（References） 32

第一章 绪 论

1.1 选题背景

随着我国经济的发展，越来越多的工程项目修建起来，而且结构越来越庞大，形式也越来越多样，使得结构中杆件与杆件、管与管之间的连接形式也越来越复杂。在传统钢结构设计上，钢管连接处通常采用焊接球节点以及钢管相贯节点连接，由于这些连接方式受力性能不足，疲劳性能差，越来越不能满足工程需求。而铸钢节点由于其良好的受力性能和加工性能受到了广泛的关注。

铸钢节点顾名思义，是整体铸造而成的，由于其特殊的制造方式，铸钢节点内部有较少的制造缺陷和残余应力。与焊接节点相比，铸钢节点的优势主要有以下几个方面：1、铸钢节点是整体直接铸造出来的，缺陷少，在钢结构使用中，可以使整体结构受力更加稳定，并减少了焊接节点的集中焊接带来的残余应力集中分布。2、由于铸钢节点是使用模具铸造出来的，所以可以根据工程需要来制作任意形状的铸钢节点。3、铸钢节点采用环形对接焊缝进行连接，减小了施工人员的工作难度，而且铸钢节点在工厂中进行制作，减少了在外工作人员的工作量。

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