基于有限元方法的焊接鋼橋應(yīng)力集中系數(shù)分析

近年來，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，隨著對橋梁等交通基礎(chǔ)設(shè)施的需求，以及鋼、焊接、計算機(jī)、制造、施工等技術(shù)水平的不斷提高，我國大跨徑鋼橋取得了迅速發(fā)展。由于采用了不同的焊接工藝，工作問題更加復(fù)雜，一些焊接細(xì)節(jié)的耐操性較低，焊接容易產(chǎn)生剩余的焊接力，例如焊接氣泡、焊接結(jié)構(gòu)和焊接缺陷，導(dǎo)致局部應(yīng)力集中，降低疲勞強(qiáng)度。為了提高結(jié)構(gòu)的抗疲勞動性，應(yīng)盡量避免或減少結(jié)構(gòu)的抗疲勞集中。隨著有限技術(shù)的進(jìn)步，在結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，有限方法可以模擬結(jié)構(gòu)的具體壓力狀態(tài)，結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)對壓力集中的影響可以得到充分證明。根據(jù)國內(nèi)外文獻(xiàn)資料,在對接接頭的應(yīng)力集中系數(shù)的有限元分析方面研究最多,T型接頭和十字型接頭應(yīng)力集中系數(shù)的有限元分析方面也有研究.在橋梁結(jié)構(gòu)中,工字形鋼板梁應(yīng)用十分廣泛,工字梁的橫隔板與主梁翼板連接的焊縫屬于受力焊縫,從接頭形式上來講橫隔板與主梁翼板的連接屬于T型接頭.本文是對焊接工字形鋼梁和橫隔板進(jìn)行整體建模,并在主梁頂板施加集中力來模擬車輛荷載的作用,這樣可以更加真實的模擬梁的實際工作狀態(tài),分析了結(jié)構(gòu)參數(shù)對橫隔板與主梁翼板連接處的焊縫應(yīng)力集中系數(shù)的影響.1應(yīng)力集中系數(shù)kt應(yīng)力集中處是結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度的薄弱環(huán)節(jié),任何結(jié)構(gòu)或機(jī)械零件幾乎都存在應(yīng)力集中.通常應(yīng)力集中的程度用應(yīng)力集中系數(shù)來表示.應(yīng)力集中系數(shù)是利用名義應(yīng)力法計算疲勞壽命的基礎(chǔ),隨著有限元計算方法的建立和完善,通過有限元方法計算應(yīng)力集中系數(shù)變得更加接近實際結(jié)構(gòu).應(yīng)力集中系數(shù)KT為其中,應(yīng)力σ0為:1)凈面積應(yīng)力,為缺口處凈截面上的名義應(yīng)力;2)毛面積應(yīng)力,為構(gòu)件無缺口時截面上的名義應(yīng)力.計算應(yīng)力集中系數(shù)KT通常有四種方法:實驗方法;工程圖表查取法;經(jīng)驗公式法以及有限元方法.其中各方法的特點為:1)實驗方法獲取KT要比其它方法都更加精確、可靠,但是由于耗時、耗資,以及試驗設(shè)備限制等因素,使得通過這種方法獲得應(yīng)力集中系數(shù)實現(xiàn)難度較大.2)根據(jù)結(jié)構(gòu)的具體參數(shù),在工程手冊中直接查取KT,這是目前最常用的方法.工程手冊中的圖表是前人根據(jù)大量的試驗直接得來的,其數(shù)據(jù)結(jié)果比較可信.但是,由于數(shù)據(jù)資源匱乏,只有簡單的結(jié)構(gòu)形式可供參考,對于不同材料、不同結(jié)構(gòu)和復(fù)雜受力形式的結(jié)構(gòu)沒有合適的參考圖表可用,而且手冊中的數(shù)據(jù)圖表不能全部地反映實際情況.3)經(jīng)驗公式是工程技術(shù)人員根據(jù)工程實際,對于簡單的結(jié)構(gòu)形式,通過插值、曲線擬和等數(shù)學(xué)手段進(jìn)行構(gòu)建的.該方法簡化了查圖表的步驟,應(yīng)用起來比較方便.但是工程實際可用的經(jīng)驗公式資源較少,存在人為誤差,具體應(yīng)用起來有一定的局限性.4)有限元方法則彌補(bǔ)了上述方法的缺點,不受結(jié)構(gòu)形狀、材料、受力狀態(tài)的限制,通用、準(zhǔn)確、可靠、省時、省力、節(jié)約經(jīng)費.2有限元模型建立文中采用有限元軟件Ansys進(jìn)行計算,使用8節(jié)點實體單元.使用Ansys軟件建模有兩種方式:1)直接法.直接根據(jù)結(jié)構(gòu)的幾何外形建立節(jié)點和單元;2)間接法(實體建模法).通過點、線、面、體積,先建立有限元模型,再進(jìn)行實體網(wǎng)格劃分.在實際應(yīng)用中,間接法使用較廣泛.由于文中研究的是焊趾處的應(yīng)力集中系數(shù),為確保精度勢必要對焊趾細(xì)部進(jìn)行有限元網(wǎng)格細(xì)劃,有限元網(wǎng)格細(xì)化容易產(chǎn)生網(wǎng)格奇異,反而使計算精度降低,如果對奇異網(wǎng)格進(jìn)行重新劃分也不容易.因此采用直接法,建立鋼板梁模型.有限元模型如圖1所示,焊趾處細(xì)部網(wǎng)格形式如圖2所示.模型采用的鋼板及焊縫的彈性模量E=2.1×105MPa,泊松比μ=0.3.載荷為在頂板施加的集中力,焊趾傾角均為45°.影響應(yīng)力集中系數(shù)的因素很多,如焊趾傾角、焊趾過渡圓弧半徑、板厚、焊縫加強(qiáng)高、焊縫寬度等.假定不存在殘余應(yīng)力和其它焊接缺陷,選取幾個主要幾何參數(shù)進(jìn)行研究.文中選擇的幾何參數(shù)(如圖3所示)以及參數(shù)取值范圍為:細(xì)部網(wǎng)格大小為:0.05,0.1,0.3,0.4,0.5,0.7,1mm;底板厚t1=12,14,18,22,26,30,35mm;橫隔板厚t2=8,12,16,20,24,30mm;焊腳長hf=5,8,12,15,18,22mm;過渡圓弧半徑r=1,2,3,4,5,6,7,8mm.3結(jié)論分析圖4為根據(jù)有限元計算結(jié)果繪制的應(yīng)力集中系數(shù)變化圖.3.1促進(jìn)應(yīng)力集中系數(shù)生長細(xì)部有限元網(wǎng)格大小改變時,為了不產(chǎn)生奇異單元,結(jié)構(gòu)其它部分的有限元網(wǎng)格也要進(jìn)行相應(yīng)的變化,導(dǎo)致了計算速度大幅度降低.因此研究有限元網(wǎng)格的大小對計算應(yīng)力集中系數(shù)的精度影響,找到不會對應(yīng)力集中系數(shù)產(chǎn)生較大誤差的網(wǎng)格大小區(qū)間,可為有限元計算時細(xì)部網(wǎng)格的劃分提供參考.隨著細(xì)部有限元網(wǎng)格變大應(yīng)力集中系數(shù)KT變小,特別是網(wǎng)格大小0.6mm時,應(yīng)力集中系數(shù)急劇變小,說明細(xì)部有限元網(wǎng)格劃分太大時,精度達(dá)不到要求不能準(zhǔn)確計算出實際的應(yīng)力集中水平.當(dāng)細(xì)部有限元網(wǎng)格<0.5mm時,應(yīng)力集中系數(shù)變化不大.建議焊趾細(xì)部網(wǎng)格大小取0.3～0.5mm,這樣既可以滿足計算精度又可以方便建模并使計算速度不會太慢.3.2板厚比對影響系數(shù)kt的影響隨著底板厚度和橫隔板厚度的增加,應(yīng)力集中系數(shù)KT有變小的趨勢,但變化幅度不大,認(rèn)為在計算中可以忽略底板厚度和橫隔板厚度對應(yīng)力集中系數(shù)的影響,可取工程中常用板厚.3.3焊腳長度越小,應(yīng)力集中系數(shù)隨時間的變化當(dāng)過渡圓弧半徑r=3～4mm,即過渡圓弧半徑較小時,應(yīng)力集中系數(shù)KT隨焊腳長度的增加而增加,過渡圓弧半徑越小,應(yīng)力集中系數(shù)隨焊腳長度變大而增加,變化幅度較明顯;當(dāng)過渡圓弧半徑r=6～8mm,即過渡圓弧半徑較大時,應(yīng)力集中系數(shù)KT隨焊腳長度的變化并不明顯.因此,可推斷過渡圓弧半徑的大小,對應(yīng)力集中系數(shù)KT的影響較大,當(dāng)焊腳長度較大時,可以通過選擇大一些的過渡圓弧半徑進(jìn)行平緩的過渡,就可以有效地降低應(yīng)力集中系數(shù).3.4過渡圓弧半徑的大小是根據(jù)焊縫應(yīng)力集中系數(shù)不隨過渡圓半徑的變化情況進(jìn)行過渡圓弧半徑r是對應(yīng)力集中系數(shù)KT影響最大的參數(shù),當(dāng)過渡圓弧半徑較小時,沒有起到較好的平順作用,導(dǎo)致應(yīng)力集中系數(shù)較大;當(dāng)過渡圓弧半徑加大時,起到了較好的平順作用,使得應(yīng)力集中系數(shù)變小.隨過渡圓弧半徑的變化,應(yīng)力集中系數(shù)的變化幅度是比較大的,過渡圓弧半徑增加應(yīng)力集中系數(shù)就相應(yīng)地減小.可以看到,當(dāng)過渡圓弧半徑>6mm時,不同焊腳長度的焊縫的應(yīng)力集中系數(shù)幾乎重合,這時焊腳長度對應(yīng)力集中系數(shù)的影響幾乎可以忽略,當(dāng)過渡圓弧半徑>6mm后,應(yīng)力集中系數(shù)的變化有變緩的趨勢.在實際的工程操作中,建議應(yīng)適當(dāng)加大過渡圓弧半徑的大小,過渡圓弧半徑最好>6mm,這樣焊趾處可以得到平緩的過渡,可以有效地減小應(yīng)力集中.4有限元計算結(jié)果根據(jù)有限元方法得到的數(shù)據(jù),對應(yīng)力集中系數(shù)KT的主要影響因素焊腳長度hf和焊趾過渡圓弧半徑r進(jìn)行多元回歸,回歸公式為KT=1+0.413h0.425fr?0.662.(2)ΚΤ=1+0.413hf0.425r-0.662.(2)將有限元計算結(jié)果與式(2)計算結(jié)果相比較,繪出相應(yīng)的擬合誤差散點圖(如圖5所示).從圖5中可以看到,式(2)的擬合效果非常好,絕大部分?jǐn)?shù)據(jù)的誤差都非常小,KT的誤差百分比均在-4.8%～9.5%之間.文獻(xiàn)通過有限元方法計算給出了連續(xù)工字梁焊接結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中系數(shù)為其中,t為板厚,r為焊趾過渡圓弧半徑.式(2)與式(3)有一個參數(shù)不同,因此取hf=5mm,t=12mm,r=1,2,3,4,5,6,7,8mm,將式(2)和式(3)得到的結(jié)果進(jìn)行對比,結(jié)果見表1.由表1可以看出,通過式(2)與式(3),在過渡圓弧半徑r取不同值時,計算得到的應(yīng)力集中系數(shù)吻合較好,變化趨勢一致.具體數(shù)值上的差別可能是由于有限元模型的差異,以及其它參數(shù)取值的不同造成的.5板厚對應(yīng)力集中系數(shù)的影響1)采用有限元方法計算應(yīng)力集中系數(shù)時,焊趾細(xì)部有限元網(wǎng)格大小可以取0.3～0.5mm,這樣既可以滿足計算精度又可以方便建模,節(jié)省計算時間.2)底板厚度和橫隔板厚度對應(yīng)力集中系數(shù)的影響不大,不起主導(dǎo)作用,由于板厚在實際工程中并不容易改變,通常是取工程中的常用板厚,故板厚對應(yīng)力集中系數(shù)的影響可以不考慮.3)應(yīng)力集中系數(shù)隨焊腳長度變大而增加,但當(dāng)相應(yīng)的過渡圓弧半徑>5mm時,應(yīng)力集中系數(shù)隨焊腳長度的變化并不明顯.過渡圓弧半徑是對應(yīng)力集中系數(shù)影響最大的參數(shù),隨著過渡