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钢结构焊缝疲劳强度的有限元分析

发布于:2021-06-15 21:10
有限元分析

       对于平板焊接钢结构的疲劳设计,按照传统的焊接细节分类法需要严格确定特定接头几何形状和载荷模式下的名义应力及相应疲劳抗力数据,故很大程度上影响了焊接细节分类法在工程中的应用。为了完善或替代焊接细节分类法,针对广泛存在的结构焊趾疲劳,新发展的2种适合于有限元分析技术的表面外推热点应力法和等效结构应力法,通过将焊趾结构应力集中考虑在应力分析之中,一方面可适应有限元强大的应力分析技术,另一方面避免了对疲劳设计S-N曲线的选择。表面外推热点应力法在国内相关行业的应用研究已得到普遍关注。而等效结构应力法虽然在2007版ASME锅炉及压力容器标准、以及API/ASME合于使用性评定标准中均推荐将其应用于焊缝疲劳分析,但至今国内尚未有技术文献详细先容。有鉴于此,本文在阐述、分析等效结构应力法的基础上将它与表面外推热点应力法进行对比,研究分析2种方法各自存在的优势和局限性,以及在实际工程的结构疲劳设计中的合理应用方式。
  等效结构应力法是1种新型焊接结构疲劳寿命预测技术,可广泛应用于不同工业领域的各类形式焊接承载部件的焊趾疲劳分析,如压力容器、管道、海上平台、船舶、地面车辆等结构的管件及平板焊接接头。该方法主要基于以下2项关键技术:①考虑焊趾部位的结构应力集中效应,应用改进线性化法或节点力法分析其结构应力(即热点应力),确保计算结果对有限单元类型、网格形状及尺寸均不敏感,从而有效区分不同接头类型的焊趾结构应力集中情形;②以结构应力为控制参数计算应力强度因子,在主要考虑焊趾缺口、结构板厚、载荷模式等因素影响的基础上,基于断裂力学分析确定与疲劳寿命直接相关的应力参数,导出等效结构应力转化方程。进而将其应用于处理疲劳试验结果数据,构建出单一通用的疲劳设计主S-N曲线,从而基于等效结构应力并结合该主S-N曲线进行焊接结构的疲劳强度评定及寿命预测。在焊趾缺口附近沿板厚方向的应力分布通常是非线性的,焊趾部位垂直于竖向假设裂纹面的实际正应力分布如图所示。按平衡等效条件,该实际缺口的正应力可分解为沿板厚t分布的膜正应力σm、弯曲正应力σb和非线性正应力峰值σp,结构应力即定义为焊趾表面膜正应力和弯曲正应力之。若已知板厚t方向的正应力分布函数σ(x),则结构应力σs可通过常规的线性化法确定。
       在实际中通常不能应用式计算结构应力。因为焊趾前沿为几何不连续区域,局部应力集中主要受控于自平衡的非线性应力分布,在理想有限元模型中该部位为应力奇异点,故应力分析结果对单元类型、网格形状及网格尺寸等因素极为敏感;对于焊接结构工程分析中应用最多的板壳有限元模型,几何不连续处单元的应力分析结果是符合板壳理论的收敛解,实际焊趾处的局部应力被强制服从板壳理论,应力在板厚方向呈线性化分布,但有别于按式计算出的结构应力。
       为消除或降低结构应力分析结果对网格的敏感性,等效结构应力法建议可采用改进线性化进行计算(主要针对三维实体模型),如图所示。结构应力的平衡等效条件不但要在假设裂纹面A-A处满足,还需在其临近参考面B-B处满足。对于结构应力沿板厚方向呈单调分布的情形,当截面A-A和B-B间表面无外力作用且可忽略惯性力时,组成结构应力的膜正应力和弯曲正应力计算。
       针对改进线性化法结构应力计算,文献—文献进行的大量对比研究表明,在三维应力集中情况下结构应力对网格的敏感性并不能得到完全解决。文献对这一问题的说明是:等效结构应力法的结构应力对网格不敏感性根本上应采用节点力法实现,改进线性化法仅在网格尺寸可足够准确描述分析部位几何特征的情形下作为1种可选方法。


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