弯矩作用下钢管变壁厚环向对接焊缝热点应力分析

发布时间：2021-01-04 17:27

　　焊接钢结构以承载能力强、自重偏轻等优势在深水码头、海上风机、钻井平台、跨海大桥等结构中运用十分广泛,尤其是变壁厚对接焊接钢管。弯矩荷载作用下,变壁厚钢管焊缝位置易破坏且受力机制相对复杂,目前大多数研究是基于平板假设理论求解了变壁厚钢管焊缝热点位置的应力集中系数,但其研究未考虑到钢管过渡段长度这一因素。本文采用“微元体”方法,考虑过渡段长度,在变壁厚对接焊接钢管过渡段斜面置于钢管内壁侧或钢管外壁侧时,对其两端截面上的径向切应力和环向切应力计算公式做了尝试性探索,并通过建立了不同直径、径厚比的变壁厚对接焊钢管模型,将公式计算结果与数值模拟结果进行对比分析,分析结果显示公式计算精度较高。径向切应力和环向切应力的确定为分析钢管过渡段两端截面的应力分布规律奠定了基础,也为钢管焊接设计提供了理论支撑。具体研究内容如下:（1）采用“微元体”方法,利用静力平衡思想,对钢管过渡段两端截面的径向切应力和环向切应力理论计算公式进行了推导,公式中反映了切应力与钢管过渡段长度、钢管直径、钢管厚度等因素之间的关系。（2）钢管过渡段斜面置于钢管内侧,径向切应力（?）在环形截面径向方向上从外壁侧到内壁侧逐渐增大;钢管... 

【文章来源】：重庆交通大学重庆市

【文章页数】：96 页

【学位级别】：硕士

【部分图文】：

平板假设理论简化模型

43行状态，而对其塑性状态暂不考虑。基于DNV[3]规范和齐赵敏[15]，钢管弹性模量E=2.1×1011Pa,泊松比=0.3，钢管密度7800kg/m3，钢管外直径D的取值范围1~2m，以0.2m的增量依次递增，从而得到7个不同外直径的钢管，两钢管厚度取为25/20(mm),30/20(mm),30/25(mm)。为了提高计算速度且不失计算精度，将钢管焊缝设置在距离钢管构件顶端1m位置处，即薄壁端长度为1m，而厚壁端长度取为4D，如图4.1所示。图4.1变壁厚焊接钢管过渡段内偏Abaqus经典模型整个钢管焊缝模型建立共分为三部分，包括厚管段、薄管段、焊缝，其中钢管焊缝位置作为整个模型的关键部位，其细节尺寸如图4.2所示。其中模型具体尺寸如下：钢管两端厚度分别为30mm，20mm,钢管外直径为1m。过渡段斜边与钢管内壁直接相连接，该位置会形成尖角，从而导致该位置应力集中，为避免此情况的出现，通常会在尖角位置处设置一段半径为1mm的圆弧进行平缓过渡；同时，模型中不考虑焊缝位置凸起部分，即钢管外壁侧为平顺光滑面，此为模型与齐赵敏所建模型的差异。由图中可见，由于钢管两端厚度的不相等，从而在钢管焊缝位置处会产生明显的轴心偏位δ，其大小为0.5(t1-t2)。为避免钢管直接对接产生的几何尺寸突变，通常情况下会在钢管焊缝位置处设置一段过渡段，其中过渡段的内壁斜坡面的比例为1:4，其长度L=4(t1-t2)。4.2.2钢管焊缝模型单元的类型对钢管焊缝模型建立而言，其中影响其计算精度的一个重要的因素就是模型单元的选取，目前对于钢管模型的建立通常采用壳单元和三维实体单元进行构建，对于整段的钢管，通过二者所得到的计算精度大致相同，但本模型重点考虑过渡段薄壁端长度为1m厚壁端长度为4D钢管焊缝位置

45图4.3过渡段网格划分图4.4钢管整体网格划分示意图4.2.4边界约束条件和荷载施加在实际工程中，钢管桩通常是通过打桩的方式将其嵌入岩体中，因此可将其视为一段视为固结的形式，而另一端则为自由端，为了和工程的实际情况更加接近，本文在钢管焊接应力分析模型中，将钢管厚壁端部位置设定为固结约束段，而钢管薄壁端部位置被设定为自由端，便于施加荷载过后，钢管能够自由变形(拉伸、压缩)。首先将其自由平面选取，将弯矩加载自由端平面上其大小为1000[15],如图4.5所示。图4.5钢管模型边界约束及弯矩荷载施加

【参考文献】：
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硕士论文
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本文编号：2957139