基于有限元方法的焊接钢桥应力集中系数分析

基于有限元方法的焊接钢桥应力集中系数分析

近年来，随着经济的发展，随着对桥梁等交通基础设施的需求，以及钢、焊接、计算机、制造、施工等技术水平的不断提高，我国大跨径钢桥取得了迅速发展。由于采用了不同的焊接工艺，工作问题更加复杂，一些焊接细节的耐操性较低，焊接容易产生剩余的焊接力，例如焊接气泡、焊接结构和焊接缺陷，导致局部应力集中，降低疲劳强度。为了提高结构的抗疲劳动性，应尽量避免或减少结构的抗疲劳集中。随着有限技术的进步，在结构设计过程中，有限方法可以模拟结构的具体压力状态，结构几何参数对压力集中的影响可以得到充分证明。根据国内外文献资料,在对接接头的应力集中系数的有限元分析方面研究最多,T型接头和十字型接头应力集中系数的有限元分析方面也有研究.在桥梁结构中,工字形钢板梁应用十分广泛,工字梁的横隔板与主梁翼板连接的焊缝属于受力焊缝,从接头形式上来讲横隔板与主梁翼板的连接属于T型接头.本文是对焊接工字形钢梁和横隔板进行整体建模,并在主梁顶板施加集中力来模拟车辆荷载的作用,这样可以更加真实的模拟梁的实际工作状态,分析了结构参数对横隔板与主梁翼板连接处的焊缝应力集中系数的影响.1应力集中系数kt应力集中处是结构疲劳强度的薄弱环节,任何结构或机械零件几乎都存在应力集中.通常应力集中的程度用应力集中系数来表示.应力集中系数是利用名义应力法计算疲劳寿命的基础,随着有限元计算方法的建立和完善,通过有限元方法计算应力集中系数变得更加接近实际结构.应力集中系数KT为其中,应力σ0为:1)净面积应力,为缺口处净截面上的名义应力;2)毛面积应力,为构件无缺口时截面上的名义应力.计算应力集中系数KT通常有四种方法:实验方法;工程图表查取法;经验公式法以及有限元方法.其中各方法的特点为:1)实验方法获取KT要比其它方法都更加精确、可靠,但是由于耗时、耗资,以及试验设备限制等因素,使得通过这种方法获得应力集中系数实现难度较大.2)根据结构的具体参数,在工程手册中直接查取KT,这是目前最常用的方法.工程手册中的图表是前人根据大量的试验直接得来的,其数据结果比较可信.但是,由于数据资源匮乏,只有简单的结构形式可供参考,对于不同材料、不同结构和复杂受力形式的结构没有合适的参考图表可用,而且手册中的数据图表不能全部地反映实际情况.3)经验公式是工程技术人员根据工程实际,对于简单的结构形式,通过插值、曲线拟和等数学手段进行构建的.该方法简化了查图表的步骤,应用起来比较方便.但是工程实际可用的经验公式资源较少,存在人为误差,具体应用起来有一定的局限性.4)有限元方法则弥补了上述方法的缺点,不受结构形状、材料、受力状态的限制,通用、准确、可靠、省时、省力、节约经费.2有限元模型建立文中采用有限元软件Ansys进行计算,使用8节点实体单元.使用Ansys软件建模有两种方式:1)直接法.直接根据结构的几何外形建立节点和单元;2)间接法(实体建模法).通过点、线、面、体积,先建立有限元模型,再进行实体网格划分.在实际应用中,间接法使用较广泛.由于文中研究的是焊趾处的应力集中系数,为确保精度势必要对焊趾细部进行有限元网格细划,有限元网格细化容易产生网格奇异,反而使计算精度降低,如果对奇异网格进行重新划分也不容易.因此采用直接法,建立钢板梁模型.有限元模型如图1所示,焊趾处细部网格形式如图2所示.模型采用的钢板及焊缝的弹性模量E=2.1×105MPa,泊松比μ=0.3.载荷为在顶板施加的集中力,焊趾倾角均为45°.影响应力集中系数的因素很多,如焊趾倾角、焊趾过渡圆弧半径、板厚、焊缝加强高、焊缝宽度等.假定不存在残余应力和其它焊接缺陷,选取几个主要几何参数进行研究.文中选择的几何参数(如图3所示)以及参数取值范围为:细部网格大小为:0.05,0.1,0.3,0.4,0.5,0.7,1mm;底板厚t1=12,14,18,22,26,30,35mm;横隔板厚t2=8,12,16,20,24,30mm;焊脚长hf=5,8,12,15,18,22mm;过渡圆弧半径r=1,2,3,4,5,6,7,8mm.3结论分析图4为根据有限元计算结果绘制的应力集中系数变化图.3.1促进应力集中系数生长细部有限元网格大小改变时,为了不产生奇异单元,结构其它部分的有限元网格也要进行相应的变化,导致了计算速度大幅度降低.因此研究有限元网格的大小对计算应力集中系数的精度影响,找到不会对应力集中系数产生较大误差的网格大小区间,可为有限元计算时细部网格的划分提供参考.随着细部有限元网格变大应力集中系数KT变小,特别是网格大小0.6mm时,应力集中系数急剧变小,说明细部有限元网格划分太大时,精度达不到要求不能准确计算出实际的应力集中水平.当细部有限元网格<0.5mm时,应力集中系数变化不大.建议焊趾细部网格大小取0.3～0.5mm,这样既可以满足计算精度又可以方便建模并使计算速度不会太慢.3.2板厚比对影响系数kt的影响随着底板厚度和横隔板厚度的增加,应力集中系数KT有变小的趋势,但变化幅度不大,认为在计算中可以忽略底板厚度和横隔板厚度对应力集中系数的影响,可取工程中常用板厚.3.3焊脚长度越小,应力集中系数随时间的变化当过渡圆弧半径r=3～4mm,即过渡圆弧半径较小时,应力集中系数KT随焊脚长度的增加而增加,过渡圆弧半径越小,应力集中系数随焊脚长度变大而增加,变化幅度较明显;当过渡圆弧半径r=6～8mm,即过渡圆弧半径较大时,应力集中系数KT随焊脚长度的变化并不明显.因此,可推断过渡圆弧半径的大小,对应力集中系数KT的影响较大,当焊脚长度较大时,可以通过选择大一些的过渡圆弧半径进行平缓的过渡,就可以有效地降低应力集中系数.3.4过渡圆弧半径的大小是根据焊缝应力集中系数不随过渡圆半径的变化情况进行过渡圆弧半径r是对应力集中系数KT影响最大的参数,当过渡圆弧半径较小时,没有起到较好的平顺作用,导致应力集中系数较大;当过渡圆弧半径加大时,起到了较好的平顺作用,使得应力集中系数变小.随过渡圆弧半径的变化,应力集中系数的变化幅度是比较大的,过渡圆弧半径增加应力集中系数就相应地减小.可以看到,当过渡圆弧半径>6mm时,不同焊脚长度的焊缝的应力集中系数几乎重合,这时焊脚长度对应力集中系数的影响几乎可以忽略,当过渡圆弧半径>6mm后,应力集中系数的变化有变缓的趋势.在实际的工程操作中,建议应适当加大过渡圆弧半径的大小,过渡圆弧半径最好>6mm,这样焊趾处可以得到平缓的过渡,可以有效地减小应力集中.4有限元计算结果根据有限元方法得到的数据,对应力集中系数KT的主要影响因素焊脚长度hf和焊趾过渡圆弧半径r进行多元回归,回归公式为KT=1+0.413h0.425fr−0.662.(2)ΚΤ=1+0.413hf0.425r-0.662.(2)将有限元计算结果与式(2)计算结果相比较,绘出相应的拟合误差散点图(如图5所示).从图5中可以看到,式(2)的拟合效果非常好,绝大部分数据的误差都非常小,KT的误差百分比均在-4.8%～9.5%之间.文献通过有限元方法计算给出了连续工字梁焊接结构应力集中系数为其中,t为板厚,r为焊趾过渡圆弧半径.式(2)与式(3)有一个参数不同,因此取hf=5mm,t=12mm,r=1,2,3,4,5,6,7,8mm,将式(2)和式(3)得到的结果进行对比,结果见表1.由表1可以看出,通过式(2)与式(3),在过渡圆弧半径r取不同值时,计算得到的应力集中系数吻合较好,变化趋势一致.具体数值上的差别可能是由于有限元模型的差异,以及其它参数取值的不同造成的.5板厚对应力集中系数的影响1)采用有限元方法计算应力集中系数时,焊趾细部有限元网格大小可以取0.3～0.5mm,这样既可以满足计算精度又可以方便建模,节省计算时间.2)底板厚度和横隔板厚度对应力集中系数的影响不大,不起主导作用,由于板厚在实际工程中并不容易改变,通常是取工程中的常用板厚,故板厚对应力集中系数的影响可以不考虑.3)应力集中系数随焊脚长度变大而增加,但当相应的过渡圆弧半径>5mm时,应力集中系数随焊脚长度的变化并不明显.过渡圆弧半径是对应力集中系数影响最大的参数,随着过渡