海工钢管构件对接焊缝应力集中系数分析

发布时间：2020-07-04 04:45

【摘要】：焊接钢结构以其承载能力强、自重较轻等优势在海洋工程结构物中得到了广泛的应用。然而，在制作和加工工程中往往会焊接缺陷的产生，并且有些焊接钢结构是在其几何形状不连续处进行焊接的，这些都将导致焊缝部位产生应力集中。在交变荷载作用下，应力集中部位很容易产生疲劳裂纹，导致结构发生疲劳破坏。因此，研究焊接钢结构焊缝应力集中问题，对于计算热点应力，以及预测结构疲劳寿命具有重要的意义。 国内外学者已经对焊接钢管环向对接焊缝应力集中系数进行了大量的研究，但是这些研究大多是针对轴向力作用引起的焊缝应力集中系数。海洋结构物受力复杂，只考虑轴向力作用的情况，远远不能满足实际工程需要。因此，针对应力集中系数问题研究的不足，本文在前人研究的基础上，以平板假设为理论基础，分别推导了轴向力与平面内弯矩共同作用下等壁厚钢管环向对接焊缝应力集中系数近似计算方法，以及平面内弯矩作用下、轴向拉力与平面内弯矩共同作用下变壁厚钢管环向对接焊缝应力集中系数近似计算方法。并采用有限元分析软件ANSYS对不同的焊缝情况进行模拟，建立不同外径不同壁厚的一系列钢管模型。通过施加轴向力、平面内弯矩以及两者相结合，得到不同荷载作用下的应力集中系数的数值模拟结果，与近似计算结果相比较，验证近似计算方法的有效性。结果显示:近似计算结果与模拟值具有相同的变化规律，并发现管壁厚、壁厚过渡是影响焊缝应力集中系数的主要因素，而管外径的变化对应力集中系数的影响较小。本文近似计算方法可用来估算复杂荷载工况下钢管构件环向对接焊缝处的应力集中系数，为结构疲劳寿命预测提供参考。 最后以某高桩码头为例，使用本文推导的近似估算方法，得到各工况下典型排架下桩基焊缝应力集中系数估算值，对各桩焊缝应力集中效果进行评价，为实际工程应用提供参考。
【学位授予单位】：重庆交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TG404;P755.1
【图文】：

以简单方便地提供合理的管节点热点应力值，但在设计中采用有限元中三维实体单元模拟所有的钢管模型成本较高，不够经济合理。而通过对一系列模拟结果进行分析处理得到半经验公式是较为实用的方法。因此在实验和理论研究中，目标是要分析各种相关参数对节点热点应力不同影响及影响的规律，最终得到通用的参数公式。目前对存在偏心错位和壁厚过渡的管对接焊缝应力集中系数研究较多，以下列出几种管对接焊缝应力集中系数计算方法。在设计、制造和施工过程中产生的偏心错位使结构在外部荷载的作用下焊缝处将产生额外的弯曲应力，引起局部应力增大，从而导致焊缝处产生应力集中。如图 3.2 所示为钢管桩环向对接焊缝处的偏心错位：

图 3.3 等壁厚环向对接焊缝cricumferential butt weld of the steel pipe in identica图 3.4 平板假设中焊接错位处的拉力作用g. 3.4 Welded flat-plate with misaligment under the a下焊缝应力集中系数公式[23]根据平板假设理论，提出了适用于无加劲板中系数计算公式：tSCF3 1

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