钢管混凝土桁架Y型管节点热点应力研究

为研究主管支撑条件及支管与主管夹角对钢管混凝土桁架(CFST)Y型管节点热点应力分布的影响,利用ANSYS采用20节点实体单元,考虑相贯线焊缝建立Y型管节点空间有限元模型,计算分析在一端固定,一端铰接、两端固定、两端铰接3种边界条件下,支管不同角度变化时(20°, 40°, 60°, 80°, 90°),支管轴压作用下主管和支管焊趾处,热点应力集中系数沿相贯线焊缝分布情况。有限元分析结果与已有试验结果进行对比,验证模型的可靠性。研究结果表明:相同约束条件下,随支管角度增大,主管和支管沿焊缝的热点应力集中系数表现为增大,主管热点应力集中系数最大值始终发生在冠点,支管热点应力集中系数最大值由冠点向鞍点移动;同一角度时,随着主管两端约束的加强,主,支管热点应力集中系数分布有所减小,主管鞍点附近受约束条件影响很小。由于局部和整体的刚度同时影响SCF,可以考虑改变节点形式或者减少计算长度、加强固端约束达到降低SCF的目的。     

钢桁梁全焊桁片腹杆与节点焊接连接细节疲劳性能试验研究

为避免焊缝交叉,钢桁梁全焊桁片中,腹杆与节点连接采用带半圆过焊孔的焊接构造。为评估钢桁梁全焊桁片腹杆与整体节点焊接细节抗疲劳性能,对其进行有限元数值模拟及疲劳试验研究。根据实际焊接细节结构特点,基于应力场相似原则完成试验模型设计。利用ANSYS建立实桥结构及试验模型的有限元模型,对应力分布状态及应力集中系数进行比较分析。采用3组9个试件,完成不同应力幅下钢桁梁全焊桁片腹杆与节点连接构造典型焊接细节的疲劳试验,通过数据拟合得到该焊接细节的S-N曲线。结合其他既有疲劳试验数据及欧洲规范、日本规范对该焊接细节疲劳性能进行评估。结果表明:过焊孔与翼缘焊接部位存在较大的应力集中,对焊接节点的疲劳性能有较大削弱;反复荷载作用下,过焊孔与翼缘板交接焊趾处首先产生疲劳裂纹。     

钢结构焊缝疲劳强度分析技术的最新进展

在平板焊接钢结构焊缝疲劳强度分析中,近年来国外主要发展起了等效结构应力法和表面外推热点应力法2种新方法.等效结构应力法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结构应力,确保计算结果对有限单元类型、网格形状及尺寸的不敏感,从而有效区分不同焊接接头类型的焊趾结构应力集中情形;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基础上,基于断裂力学分析确定与焊缝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;基于上述应力计算和转化方法对焊缝疲劳试验结果数据进行处理,建立焊缝疲劳强度设计单一主S-N曲线,实现对钢结构焊缝的疲劳强度评定和寿命预测.通过比较分析可知,表面外推热点应力法适用于钢结构焊缝设计阶段的方案比较及方案优化;等效结构应力法较适合对钢结构焊缝最终设计方案进行更为精确的焊缝疲劳强度评定和寿命预测以及不能用表面外推热点应力法进行钢结构焊缝疲劳强度分析时.     

铁路货车制动管焊接残余应力测试与焊接组装工艺改进

应用钻孔法对脱轨阀制动管进行了焊接残余应力测试，测试结果表明原焊接工艺条件下，由于制动管管身端部在焊接热的作用下伸长变形受到限制，加剧了焊缝处的径向收缩变形，导致焊趾处产生较大的残余拉应力，在外载荷的二次应力作用下，制动管焊趾处承受了较大的拉应力，增加了制动管焊缝处的疲劳破坏几率。通过对焊接组装工艺改进，降低了制动管焊后焊趾处的残余拉应力，可有效提高制动管疲劳寿命。     

高速动车组角焊缝应力集中的识别方法

针对高速动车组焊接构架角焊缝处应力集中无法采用名义应力法识别的问题,基于结构应力法,将角焊缝焊趾处的非线性应力分解为满足外载荷平衡的结构应力和自平衡的缺口应力,然后根据力的平衡方程得到各节点力及其力矩与线力及其线力矩间的对应关系,进而推导出结构应力的计算公式,并给出角焊缝应力集中识别流程;基于所给出的算法和识别流程,采用C/C++以及ANSYS软件提供的APDL语言开发出焊接结构应力识别专用软件WSS,对某高速动车组焊接构架上诸多角焊缝应力集中进行识别,验证了基于结构应力的角焊缝应力集中识别方法不仅能给出应力集中的具体位置,还能给出具体的应力峰值及其对应的疲劳寿命,可用于优化高速动车组焊接构架的抗疲劳设计。     

天兴州桥正交异性板焊接部位疲劳性能研究

武汉天兴洲桥是特大型公铁两用斜拉桥，其公路桥面采用了正交异性板的构造形成。运用有限元分析软件ANSYS和焊接疲劳试验方法，对正交异性板关键焊接部位（槽型闭口肋嵌补段对接处及闭口肋与横梁焊接处）的疲劳性能进行研究。采用ANSYS建立模型，用公路荷载标准进行桥面板应力分析，确定最不利荷载位置，进而计算得到正交异性板槽型闭口肋嵌补段对接处及闭口肋与横梁焊接处的最大应力幅分别为28．6和39．66MPa。疲劳试验结果表明，焊缝的焊趾是薄弱环节。由疲劳试验得出的槽型闭口肋嵌补段对接焊缝及闭口肋与横梁或横隔板连接焊缝的疲劳容许应力幅分别为89．31和49．14MPa，大于有限元计算得到的最大应力幅，说明正交异性板关键部位的疲劳性能符合要求。     

芜湖长江大桥钢梁整体节点疲劳试验研究

芜湖长江大桥采用国内新研制的经微合金化处理的14MnNbq中强钢，最大板厚达50mm.采用先进的焊接整体节点，不同的构造细节形式，采用不同的焊接方法和工艺，具有各不相同的受力特性，残余应力分布和应力集中程度。文中以应力幅值σr为参数，对节点模型试验区内的6处等宽不等厚的对接焊缝，以及（棱）角焊缝，对接焊缝与（棱）角焊缝交叉，平联节点板，隔板角焊缝，节点板圆弧部位进行了试验分析，测量了节点应力分布，通过对节点旗加疲劳荷载，分析整体节点各构造细节的疲劳强度，对整体节点的抗疲劳性能给出了总的评价，认为，该桥梁的整体节点各构造细节布置合理，。焊接及制造工艺先进，各种构造细节均有足够的抗疲劳强度。     

转向架用SMA490BW钢焊接接头超高周疲劳性能的影响因素

对转向架用SMA490BW钢焊接试样,采用冲击电流为1.5A、冲击时间分别为5,10,15或20min的超声冲击、低温热处理、机械打磨(磨平焊缝余高、打磨焊趾)的处理方法,通过残余应力测试和超声疲劳试验,对比分析应力集中、晶粒细化、残余应力等因素单独作用时对焊接接头超高周疲劳性能的影响程度,并借助扫描电镜观察疲劳断口,分析焊接接头超声冲击前后的裂纹萌生位置变化及失效模式。结果表明:经超声冲击或机械打磨后,焊接试样的疲劳寿命均得到不同程度的提高;磨平焊缝余高对提高焊接接头疲劳寿命最为显著,较原始焊接试样其疲劳寿命可提高约86.4倍;改善应力集中、细化表层晶粒、引入残余压应力对延长焊接接头寿命的贡献比分别约为59%,28%和13%;焊态及冲击态试样的疲劳裂纹大多萌生于焊趾表面,部分冲击态试样的裂纹转而从表面的机械加工的缺陷处萌生,少数从材料内部缺陷处萌生并扩展至断裂失效。     

钢桥腐蚀斜焊缝十字接头疲劳性能研究

以45°倾角全熔透承载角焊缝十字接头为研究对象,在试件的边缘焊趾附近构造深度分别为1和2mm的2种人工半球形蚀坑,通过疲劳试验和有限元方法分析腐蚀对斜焊缝十字接头疲劳行为的影响。结果表明:当蚀坑深度分别为0,1,和2mm时,在200万次循环加载下斜焊缝十字接头疲劳强度分别为92.4,91.3和70.2 MPa,当蚀坑深度等于或小于1mm时,可以忽略蚀坑对斜焊缝十字接头疲劳强度的影响,但选取斜焊缝十字接头的S—N曲线时应该考虑不同腐蚀程度的影响;蚀坑深度是影响斜焊缝十字接头疲劳强度的主要因素,在蚀坑半径相同情况下蚀坑越深,等效应力越大,应力集中越明显;由于热点应力集中系数与蚀坑深度的相关性要好于深宽比,且非线性函数优于线性函数,因此推荐采用非线性函数拟合热点应力集中系数与蚀坑深度的关系。     

挑臂式钢箱梁面板-中纵梁构造细节疲劳性能研究及构造参数分析

为研究挑臂式面板-中纵梁构造细节的疲劳特性，运用大型通用有限元软件ANSYS建立精细化分析模型，结合热点应力法、Palmgren-Miner线性累积损伤理论及雨流计数法对该构造细节进行横纵向疲劳车加载应力结果计算分析，并开展构造参数影响研究。研究结果表明，轮载作用下该细节经历多次应力循环，应力影响线具有明显的轴重识别效果，采用横向应力/竖向应力研究其疲劳特性是合适的；该细节面板焊趾较腹板焊趾应力水平高，更易发生疲劳开裂，而腹板处焊趾具有无限寿命；面板厚度从12 mm增加到20 mm,面板焊趾和腹板焊趾热点应力分别降低55%和40%,中纵梁腹板与附近U肋的间距从250 mm增加到400 mm,面板焊趾和腹板焊趾热点应力增幅达61%和58%,而中纵梁腹板厚度从12 mm变化到20 mm,面板焊趾处和腹板焊趾处的热点应力基本不变，维持在53 MPa和22 MPa左右。建议在充分考虑安全性和经济性的情况下，合理选择面板厚度及中纵梁腹板与附近U肋的间距以提高面板-中纵梁构造细节的疲劳寿命。     

基于热点应力法的转向架构架疲劳寿命工程评定方法

建立某机车转向架构架有限元计算模型,应用热点应力法分析焊接结构的疲劳强度,采用最为可能发生疲劳破坏部位处的应力幅值作为疲劳评定依据。用热点应力分析方法评定焊接构架疲劳强度,不必考虑实际焊缝形状,裂纹及缺口等焊接引起的应力集中现象,弥补了有限元建模焊缝的简化处理对焊缝疲劳强度评定精度的影响。     

T型接头角焊缝几何特征对疲劳性能的影响

为研究焊缝几何特征对S355钢T型接头角焊缝疲劳性能的影响,运用Abaqus软件,建立了平面型、凸圆弧形、凹圆弧型3种焊缝几何特征的T型接头有限元模型。根据国际铁路联盟标准中的加载指标,计算得到主板上表面距离焊趾0.4倍和1.0倍板厚处沿外载荷方向的最大应力值,并基于热点应力法外推焊趾处的应力值。通过Miner准则进行疲劳积累损伤比的计算和比较,得出相同加载状态下的3种几何特征的T型焊缝抗疲劳能力强弱,并得到以下结论:凸圆弧形角焊缝累积损伤比最大,抗疲劳能力最差;凹圆弧形角焊缝累积损伤比最小,具有较好的抗疲劳能力。     

基于UIC和JIS标准的焊接构架疲劳强度对比分析研究

运用UIC标准Goodman-Smith图法和JIS标准的疲劳评价方法,以地铁转向架构架的侧梁焊接结构为研究对象,使用有限元法对其疲劳强度进行对比研究。以JIS标准中的裂纹扩展法和名义应力法分别评估单边角焊缝和背面焊接位置角焊缝的焊根疲劳强度,以UIC标准中的结构应力法评估角焊缝的焊趾疲劳强度。结果表明,使用UIC标准考核构架侧梁焊缝的焊趾满足疲劳强度要求,而使用JIS标准考核构架侧梁焊缝的焊根不满足疲劳强度要求,因此对于焊接构架角焊缝应结合2个标准对其焊趾和焊根综合进行疲劳强度评估。     

货车三轴转向架焊接构架抗疲劳设计

对比分析了国内外焊接构架设计标准,指出ASME标准中的主S-N曲线法是复杂焊接结构焊接接头应力集中分析与疲劳寿命预测的科学方法。采用该方法和TSI中的疲劳载荷对某货车三轴转向架焊接构架焊接接头应力集中进行了分析,结果表明,构架侧梁、心盘梁和横梁内的加强筋板与焊缝的相交处是焊接接头应力集中的主要发生部位。以降低焊缝应力集中为结构设计改进思路,对构架重新进行了设计,改进方案构架焊缝的应力集中得到相当大的缓解,应力幅值最大降低了75MPa,疲劳加载3个阶段焊缝的累积损伤均小于0.25。     

正交异性钢桥面板纵肋?面板疲劳开裂的CFRP加固研究

为了研究碳纤维增强复合材料(Carbon Fiber Reinforced Polymer,CFRP)加固正交异性钢桥面板纵肋?面板(Rib-to-Deck,RD)构造细节疲劳开裂的可行性,借助ABAQUS建立正交异性钢桥面板多尺度有限元模型,采用扩展有限元法(Extended Finite Element Method,XFEM)模拟RD构造细节焊趾处表面裂纹,与其他文献的对比验证模拟方法的可靠性;选取RD构造细节横桥向最不利的轮载位置加载,计算并对比CFRP加固RD构造细节前后应力强度因子幅值的变化.研究结果表明:XFEM取15道围道积分数并去除前2道围道积分计算平均值,得到的I型应力强度因子解较准确;CFRP加固能有效降低裂纹尖端应力强度因子幅值,从而降低其疲劳裂纹扩展速率,提高构造细节的疲劳寿命;CFRP作用体现在降低了焊趾处的应力集中和增强了裂开区的连接效应;其加固效果随CFRP层数、纵向长度、宽度的增加而提高,当CFRP纵向长度、宽度大于某一值时,其对加固效果的影响很小.     

正交异性钢桥面板纵肋?面板疲劳开裂的CFRP加固研究

为了研究碳纤维增强复合材料(Carbon Fiber Reinforced Polymer,CFRP)加固正交异性钢桥面板纵肋?面板(Rib-to-Deck,RD)构造细节疲劳开裂的可行性,借助ABAQUS建立正交异性钢桥面板多尺度有限元模型,采用扩展有限元法(Extended Finite Element Method,XFEM)模拟RD构造细节焊趾处表面裂纹,与其他文献的对比验证模拟方法的可靠性;选取RD构造细节横桥向最不利的轮载位置加载,计算并对比CFRP加固RD构造细节前后应力强度因子幅值的变化.研究结果表明:XFEM取15道围道积分数并去除前2道围道积分计算平均值,得到的I型应力强度因子解较准确;CFRP加固能有效降低裂纹尖端应力强度因子幅值,从而降低其疲劳裂纹扩展速率,提高构造细节的疲劳寿命;CFRP作用体现在降低了焊趾处的应力集中和增强了裂开区的连接效应;其加固效果随CFRP层数、纵向长度、宽度的增加而提高,当CFRP纵向长度、宽度大于某一值时,其对加固效果的影响很小.     

超声波冲击对转向架构架焊缝残余应力的处理效果研究

为了研究超声波冲击对轨道客车转向架构架焊接残余应力处理效果的影响,对对接试板及构架的对接焊缝分别进行了超声波冲击处理。采用X射线衍射法,对处理后的焊缝及热影响区表面进行了残余应力测试。测试结果显示：对接焊缝的纵向应力峰值出现在距焊趾2 mm处,拉应力值达到410 MPa,从焊缝中心线到焊趾外25 mm范围内的应力梯度达460 MPa;经超声波冲击处理后,纵向应力降至-400 MPa左右,应力梯度降至约150 MPa。横向应力峰值出现在距离焊趾5～10 mm处,应力值-50 MPa～50 MPa。超声波冲击处理再经打砂后,对接焊缝的表面残余应力水平相当,分布更加均匀,应力梯度降至100 MPa以内。研究结果表明：超声波冲击处理方法能够大幅削减焊缝区表面的高值拉应力,并将残余应力的分布明显均匀化。该方法对于削减转向架构架产品局部的高值拉应力具有实际应用价值。     

基于热点应力的国产化Y25型转向架焊接构架疲劳强度分析

以用于160km.h-1提速货车的国产化Y25型转向架焊接构架为研究对象,依据UIC 510-3标准设计运营载荷,采用通用有限元软件ANSYS分析得出在焊接构架的侧梁鱼腹形板与轴箱导框焊接处、心盘焊缝处以及侧梁单腹板与横梁焊接处的应力较大,为疲劳薄弱区域;对于应力幅值最大的侧梁单腹板与横梁焊接处的非闭合环向角焊缝,运用子模型技术以及热点应力法得出其安全系数为1.02,焊接构架的疲劳寿命为3.33×107次,而且其疲劳强度满足UIC 510-3标准的要求,这与运用Goodman疲劳极限图校核的结果一致。研究还表明,采用热点应力法进行寿命估算时有较好的精度。     

基于缺口应力法的转向架焊接接头疲劳性能分析

缺口应力法作为焊接结构疲劳设计的新方法以其较高的准确性而得到越来越广泛的应用。鉴于铁道车辆焊接结构尚未建立可靠的缺口疲劳寿命曲线,根据当前转向架焊接接头疲劳试验所提供的数据进行了缺口疲劳分析。疲劳试验名义应力数据源自构架常用材料S355J2所生产的2种焊接接头试样,包括低缺口效应的对接接头和高缺口效应的十字角接头。采用经验公式法和有限元方法对焊接接头的焊趾焊根缺口应力集中系数进行了分析,联合疲劳试验下的名义应力数据建立了转向架焊接接头的缺口疲劳寿命曲线。通过与IIW标准推荐的缺口疲劳曲线FAT225相比较,该曲线具有相当的疲劳等级和更小的曲线斜度;同时从差异系数的角度证明了缺口应力法比名义应力法具有更小的分散性。     

钢管混凝土桁架焊接T型管节点热点应力集中系数研究

运用有限元软件ANSYS建立钢管混凝土桁架焊接T型管节点模型,进行支管轴向拉力作用下管节点热点应力集中系数(Stress Concentration Factor,SCF)研究.结果表明:T型管节点的主管冠点处SCF与管径比、径厚比和壁厚比均成正相关,而主管鞍点处SCF虽与径厚比和壁厚比成正相关,但与管径比呈负相关;相...