对接接头焊趾应力集中有限元分析

研究焊缝几何参数对应力集中的影响,对于提高焊接结构疲劳强度有重要的意义.本文采用有限元方法,计算了双侧对称加强高和单侧加强高的对接接头焊趾处的应力集中系数,分析了几个主要参数,包括焊趾倾角、焊趾过渡圆弧半径和板厚对于应力集中系数的影响,研究了焊趾处应力集中沿板厚方向的变化情况,在分析大量计算结果的基础上给出了估算两种形式的对接接头应力集中系数的经验公式.结果表明,减小焊趾倾角,增大过渡圆弧半径,可以减缓焊趾处截面形状的变化,改善焊趾处的应力集中;板厚的增加使得应力集中系数增大.并且单侧加强高的对接接头应力集中系数小于双侧对称加强高对接接头的,其减小幅度只与θ有关.     

典型船舶焊接接头应力集中系数有限元分析

利用MSC/Patran and MSC/Nastran对焊接中常见的对接接头焊趾处的应力集中系数进行有限元建模和计算,在分析有限元计算结果的基础上,提出比较完整的估算焊接接头应力集中系数公式。     

船用钢T型接头焊趾选择优化研究

针对船体焊接构件焊趾处应力集中影响船艇结构寿命的问题,利用有限元软件建立船艇重要区域中内龙骨的有限元模型,在约束和载荷相同的情况下,对比分析不同焊趾形式及尺寸T型接头的应力分布和疲劳寿命。研究表明,对于陆军船艇而言,平面形焊趾形式应力集中程度较小,焊后加工方便,适合船艇修理实际要求;焊脚尺寸为4~6 mm的平面形焊趾形式的T型接头疲劳寿命最大,在船艇T型构件焊接时焊脚尺寸应选用此范围内。     

轴向载荷下多平面DT型管节点 应力集中系数研究

应力集中系数对于海洋平台结构中管节点的疲劳寿命评估至关重要。文章以多平面DT型管节点为研究对象,采用有限元方法分析了轴向载荷作用下沿其弦管—撑管相贯线焊缝的应力集中系数分布。在保证计算精度的前提下尽量减少网格数量,采用分区网格划分方法进行管节点建模。基于有限元分析结果,研究了不同几何形状参数对应力集中系数分布变化规律的影响,拟合得到一组应力集中系数参数公式,并通过两种相对误差验证了该参数公式的有效性。     

厚板多层多道对接焊残余应力轮廓法测量及热-弹-塑性有限元分析

船体外板结构多采用多层多道焊工艺建造,焊接产生的残余应力复杂,易导致焊接结构断裂和疲劳失效.本文采用轮廓法与基于并行计算技术的热-弹-塑性有限元研究Q235厚板多层多道对接接头内部残余应力分布及其变化过程,预测结果与测量结果吻合较好.预测结果表明,纵向残余应力在焊缝区为拉应力,沿接头宽度方向逐渐减小最终转变为压应力,正面焊缝中部区域拉应力值明显降低;横向残余应力在焊缝区上表面及背面填充处为拉应力,沿接头宽度方向逐渐降低,在正面焊缝中部区域为压应力;Z向残余应力主要存在于焊缝区,正面焊缝以压应力为主,背面焊缝以拉应力为主.厚板多层多道焊接过程中,残余应力变化是由于后一道焊缝对已焊的焊缝起到热处理作用导致的,焊缝接头残余应力分布由最后一道焊缝决定.     

轴向荷载作用下K型管节点焊缝周围应力分布的参数公式

应用分区产生网格的方法产生了K型节点的有限元模型,计算了在轴向荷载作用下K型节点焊缝周围的热点应力分布情况,并与相关试验结果进行对比分析,验证了所提出的有限元模型的可行性和准确性。通过对1152个K节点模型分析,研究了几何参数对K型节点焊缝周围热点应力分布的影响,发现在几何参数取不同值时热点应力的分布随几何参数的变化发生改变,而且热点应力的位置也随着几何参数的变化在冠点和鞍点之间移动。并在此几何参数分析的基础上,提出了K型节点焊缝周围应力集中系数分布的参数公式,并对参数公式进行了误差分析。对于绝大多数K节点模型,拟合得到的参数公式所计算的焊缝周围应力分布结果是精确可靠的,所以提出的参数公式为工程中K节点疲劳设计和分析提供了参考方法。     

焊趾处椭圆表面裂纹的权函数与残余应力强度因子的权函数法

利用三维有限元计算了焊趾处半椭圆表面裂纹的应力强度因子。利用统一的权函数形式,结合得到裂纹半长比a/c=0.2;0.4;0.6;0.8,a/t=0.1~0.8的有限元数据,得到了适用于T型接头焊趾处半椭圆表面裂纹最深点和表面点的权函数。权函数的准确性,用有限元在裂纹面施加高阶载荷进行了验证,对于表面点和最深点,半长比a/c=0.2~0.8,a/t=0.1~0.8,权函数与有限元结果误差在8%以下。基于得到的权函数,计算了T型接头焊趾处半椭圆表面裂纹的残余应力强度因子Kres,并与有限元计算结果进行对比,对比误差在10%以下,表明新的权函数能很好地预测T型接头焊趾处的残余应力强度因子。     

钢管桩环形焊缝应力集中系数的数值研究

钢管桩广泛应用于海港码头结构中,很多情况下钢管桩需要由多根通过环形对接焊缝连接的管节组装而成。焊接热循环过程在焊缝处残留角变形,该变形将加重焊缝处应力集中程度,大大降低钢管桩的疲劳寿命。本文首先介绍现有板-板对接焊缝角变形应力集中系数计算公式。然后,建立包含角变形钢管桩环形对接焊缝的有限元模型。基于有限元模型,揭示管径参数对应力集中系数的影响规律,探讨板-板公式在钢管桩环形对接焊缝角变形应力集中系数计算上的适用性。本文的研究结果可为工程设计提供参考。     

5083铝合金T型接头焊接残余应力分布及超声冲击处理工艺研究

为了获得5083铝合金T型接头焊接残余应力分布和减少焊接残余拉应力,文中采用X射线衍射法对8 mm和4 mm两种T型接头进行残余应力测试,分析了不同的冲击强度对8 mm T型接头残余应力的影响,并采用优化后的冲击强度处理4 mm T型接头,结果表明:两种接头底板和腹板上的纵向残余应力在近缝区均为较大的拉应力,随着远离焊趾残余应力逐渐减小,最后趋于无应力状态;4 mm T型接头近缝区的残余应力小于8 mm T型接头.采用4.0 s/cm~2冲击强度处理8 mm T型接头焊缝,冲击效果较好,在焊趾产成的压缩应力相对均匀;4 mm T型接头焊缝冲击处理前,底板背面的纵向残余应力整体上呈"几"型分布,超声冲击处理焊缝和焊趾后,没有被冲击处理的底板背面的残余应力整体上变成"M"型分布,纵向残余应力的平均应力值由163MPa降低到58MPa.     

焊趾表面裂纹应力强度因子简化计算的比较研究

对接、T型接头与十字接头是船舶与海洋结构的典型结构形式,其大部分疲劳失效是由于焊趾引起的.各种表面裂纹的应力强度因子计算是船舶与海洋结构基于断裂力学安全评定和疲劳寿命预测的基础.Bowness等人提出了T型接头焊趾表面裂纹应力强度因子计算式,作者对其复杂的计算式进行了简化.BS7910针对对接、T型接头与十字接头提出了两套焊趾应力强度因子表达式,一是针对二维表面裂纹提出的,一是针对三维表面裂纹提出的.本文对作者给出的简化表达式以及BS7910的两套表达式进行了比较.结果表明作者给出的简化表达式不仅可以用来计算T型接头的焊趾表面裂纹应力强度因子,而且可以用来计算对接与十字接头焊趾表面裂纹的应力强度因子.同时发现在a/T＜0.05处三者的差别比较大,因此用有限元法进行了验证,结果证明作者给出的简化表达式比其他表达式更加合理.     

超声冲击处理对5083铝合金焊接接头残余应力的影响

为了分析5083铝合金焊接接头残余应力分布和减少铝合金焊接接头残余拉应力,采用超声冲击处理技术对焊接接头进行处理,使用X射线衍射仪测试焊接接头冲击前后表面的残余应力.结果表明:纵向残余应力在焊缝起点和终点附近趋于零应力状态,中间稳定区为较大的拉应力;在近焊缝中心两侧为较大的拉应力,远离焊缝的两端为较小的压应力.经过超声冲击处理后的焊接接头,冲击区域的残余应力由较大的拉应力转变为压应力,随着冲击强度的增加,冲击区域表面的压应力也逐渐增大,当冲击强度大于2.0 s/cm~2后,冲击产生的压应力值最终在220 MPa处波动;只冲击焊趾也可以降低焊趾和焊缝的残余应力,但与全覆盖冲击相比,焊缝的残余应力下降程度较小;随着抛光深度的增加,超声冲击引入的压应力逐渐减小,在抛光深度达到2 mm后,冲击后的焊缝残余应力和未冲击处理的残余应力保持一致.     

超大型集装箱船用超高强度钢EH47焊接残余应力模拟与实验研究

超高强度钢EH47广泛应用于超大型集装箱船舱口围板等区域结构中,建造过程中常常伴随着较大的焊接残余应力,直接影响到船体结构的安全及使用寿命。论文基于有限元分析软件ANSYS,对平板对接焊进行模拟,得到焊接残余应力的大小和分布,并采用盲孔法对焊缝区域进行残余应力测量。结果表明:残余应力在靠近焊缝中心及区域附近处表现为拉应力,随着逐渐往焊缝中心靠拢,拉应力迅速增大,当达到焊缝中心附近时拉应力达到最大值。随着逐渐远离焊缝中心,拉应力迅速减小,达到一定距离时转变为压应力,并在距离焊趾2.5 cm处达到压应力最大值,数值模拟结果与试验测量值基本吻合,同时焊后热处理能有效降低有损结构强度的焊接残余应力。     

FPSO节点焊趾处的裂纹修理形状研究

对焊缝处出现的裂纹进行修理以阻止其进一步扩展,能够有效地延长FPSO焊接结构的疲劳寿命.考虑到应力集中而造成的疲劳寿命的降低,要谨慎选取修理时所采用的形状和尺寸,避免在修理后产生的表面缺陷处出现过高的应力集中.文中旨在进行三维T型焊接节点焊趾处的裂纹修理分析,为了选取合理的修理切口,首先对不同几何形状和尺寸的二维焊接修理切口,如抛物线型和椭圆型等,进行了应力集中系数的计算,并与相类似尺寸的U型切口的计算结果进行了比较.结果表明,当切口的表面半宽长于其深度时,椭圆型的裂纹修理切口具有更低的应力集中系数.随后,选择应力集中较小的椭圆型和U型切口焊接修理形状,并采用更加精确的三维有限元分析方法进行分析,给出了通过打磨等修理方式消除裂纹后得到的三维表面缺陷的应力集中系数,为工程上焊趾处裂纹的修理提供决策依据.     

超声冲击法改善高强钢焊接接头的疲劳性能

焊接接头的疲劳强度远低于母材 ,大量试验表明疲劳裂纹主要起源于接头焊趾处。使用超声冲击法处理接头 ,以改变焊趾区几何形状、消除焊趾缺陷、调整焊趾区残余应力场 ,是改善焊接接头及结构疲劳强度的一种有效方法。利用自行研制的超声冲击装置 ,采用两种接头形式 (纵向角接接头和对接接头 )进行了 SS80 0高强钢原始焊态与超声冲击处理态的疲劳对比试验 ,结果表明 :( 1 )双面焊对接接头焊态试件的疲劳强度Δσ ( 2× 1 0 6 )为 1 5 0 MPa;单面焊对接焊态试件的疲劳强度Δσ ( 2× 1 0 6 )为 1 3 2 MPa;纵向角接焊态试件的疲劳强度Δσ ( 2× 1 0 6 )为 98MPa。 ( 2 )超声冲击处理态单面焊双面成型试件与原始焊态试件相比 ,疲劳强度提高 1 3 2 %左右 ,疲劳寿命延长了 48～ 1 3 2倍 ;双面焊接对接超声冲击处理态试件与原始焊态试件相比 ,疲劳强度提高95 %左右 ,疲劳寿命延长了 2 2～ 62倍 ;纵向角接接头超声冲击处理试件与原始焊态试件相比 ,疲劳强度提高1 73 %左右 ,疲劳寿命延长了 3 2～ 70倍。 ( 3 )超声冲击处理技术能够大幅度改善高强钢焊接接头的疲劳性能     

测深管贯穿甲板热点应力集中系数计算

测深管使用套管形式穿越甲板是一种常见的节点形式,套管式测深管贯穿甲板节点承受单向拉压力,使用有限元方法计算出甲板上焊趾和套管上焊趾的热点应力集中系数,同时根据挪威船级社推荐的计算公式,得到焊根处的热点应力集中系数.通过计算分析小口径测深管3处热点应力集中系数,得到整个测深管连接节点中疲劳破坏风险最大的焊缝位置,对评估使用单套管穿越甲板的小孔径管件的疲劳强度有一定的借鉴意义.     

船舶舷顶角填角焊焊接接头的力学性能研究

本文建立了船体舷顶角全焊透及未焊透两种焊接接头的有限元应力分析的力学模型；对船体舷顶角进行了平面应变有限元应力的弹塑性分析和三维弹塑性应分分析：研究了未焊透裂纹长度，宽度及裂纹形状对末焊透前沿应力集中程度的影响。     

基于形函数插值理论预测轴力作用下T型管节点热点应力的分布规律

海洋平台中管节点的疲劳寿命由焊缝周围热点应力的分布情况决定.该文采用有限元方法分析了承受轴向力作用下T节点焊缝周围的应力分布规律.通过对140个具有不同几何形状的T节点模型的有限元分析结果.提出了一种基于形函数插值理论的方法预测T节点焊缝周围的应力分布,并且通过比较插值法得到的结果和有限元结果进行比较,验证了这种方法的准确性.     

T型接头横向埋藏裂纹扩展特性

基于断裂力学理论和有限元分析,研究T型接头横向埋藏裂纹扩展特性,实现了双向拉伸载荷作用下T型接头横向埋藏裂纹扩展形状变化的数值模拟。结果表明:T型接头横向埋藏裂纹扩展至结构表面时的形状为近圆形,与裂纹埋藏位置和初始形状无关;埋藏于焊趾端部板材中的裂纹扩展快于埋藏于焊缝中的裂纹扩展。     

船舶典型结构焊接残余应力的有限元分析

在船舶建造中,会有大量的纵骨对接焊缝,存在复杂的焊接残余应力,对结构的极限强度及疲劳寿命有一定影响。该文运用有限元软件ANSYS的APDL语言编写出相应的计算程序,对平板对接焊进行数值模拟,并与试验值进行对比分析。在此基础上,对船舶典型纵骨对接焊进行数值模拟分析,得到相应的残余应力的分布规律。     

AH32钢T型焊接接头疲劳强度的试验与数值模拟

对AH32钢T型试件进行疲劳试验,并利用有限元软件对T型焊接接头的应力分布及疲劳寿命进行数值模拟,最终将疲劳试验结果与数值模拟结果对比分析。研究发现,T型焊接接头在焊趾附近处应力值最大,寿命最短。本文研究结果为今后船海结构物的疲劳寿命预测提供了有益参考。