铸钢节点的抗疲劳优化设计

摘要

现代工程结构跨度大、造型复杂、形式多样，对连接节点要求更加严格。相比于传统的节点连接方式，铸钢节点凭借着良好的力学性能、造型灵活、施工方便等优点，逐渐广泛的应用于国内外的建筑工程中。近年来，工程设计人员以及相关学者认识到铸钢节点的最大优点在于对结构抗疲劳性能的改善，并越来越多的应用于疲劳问题突出的结构。已有研究表明:铸钢节点的疲劳性能分为铸钢材料的疲劳性能和环形对接焊缝的疲劳性能两部分，铸钢材料的疲劳性能优于焊缝的疲劳性能，环形对接焊缝的疲劳性能在节点整体疲劳性能中起控制作用。
　　相比于传统的节点连接方式，铸钢节点虽有众多优点，但铸钢材料不可避免的会产生缺陷，由于对其带缺陷疲劳性能研究不足，和相关环形对接焊缝的疲劳性能数据缺乏，工程设计中多采用放大安全系数的设计方法。因而，现有铸钢节点的设计方法比较保守，其疲劳性能，尤其是铸钢材料部分的疲劳性能存在着较大的冗余，造成节点自重大，浪费材料，增加建造成本。
　　针对以上问题，本文对铸钢节点环形对接焊缝的疲劳性能进行试验研究;通过有限元方法对带缺陷铸钢材料的疲劳性能进行分析;依据铸钢节点疲劳性能研究成果，结合工程优化技术，对铸钢节点进行抗疲劳优化设计，首先对节点铸钢部分几何尺寸进行优化，得到节点轻量化最优尺寸，而后验算焊缝强度，修正局部尺寸，完成优化目标。本文主要研究内容如下:
　　1.调研了国内铸钢节点环形对接焊缝使用现状，本文设计了两种常用焊接细节的铸钢节点弧形板小试件，进行了疲劳试验，对试验试件进行断面分析，对实验数据进行处理，采用数理统计方法，拟合了两种焊缝细节的均值S-N曲线与p-S-N曲线，并与相似的焊接细节疲劳数据进行了对比分析。将本项目四种焊缝细节视为一类焊缝的大样本，并采用数理统计方法拟合其p-S-N曲线，选取拟合下限S-N曲线作为铸钢节点环形对接焊缝统一S-N曲线，并推荐工程设计参考。
　　2.建立了铸造初始缺陷的疲劳损伤累积计算方法。介绍了参数化设计方法，详述了铸钢节点参数化模型的建立过程，本文使用三维建模软件Pro/Engineering对杭州湾跨海大桥海中平台观光塔下节点建立了参数化模型;然后，依据疲劳损伤理论，使用ANSYS软件，详述了带缺陷的铸钢节点疲劳损伤累积计算方法。
　　3.依据本文环形对接焊缝的疲劳试验研究成果，并结合东南大学陈达对铸钢节点环形对接焊缝的热点应力数值研究成果，给出了国内常用焊缝细节的热点应力寿命曲线（Shs-N曲线），为铸钢节点抗疲劳优化设计中焊缝寿命计算提供依据。
　　4.针对铸钢节点的疲劳性能特点，基于已有的关于铸钢节点疲劳性能研究成果，本文提出基于疲劳性能的铸钢节点优化设计方法:1）建立节点参数化模型;2）通过灵敏度分析优化筛选设计变量;3）以节点质量最小为优化目标，以节点铸钢材料缺陷位置处疲劳损伤限值为约束条件，采用最优拉丁超立方全局抽样与梯度算法局部寻优的组合优化策略，对节点铸钢部分几何尺寸进行优化;4）采用热点应力法验算节点环形对接焊缝的疲劳寿命，对不满足疲劳寿命要求的焊缝局部参数进行修正，最终完成优化目标。本文以杭州湾跨海大桥海洋平台观光塔下节点为算例，采用铸钢节点抗疲劳优化设计方法进行优化，在满足节点整体疲劳性能的要求下，节点质量相比原设计方案降低了23.3％。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景

1．1．1 铸钢节点工程应用

1．1．2 铸钢节点生产工艺

1．1．3 铸钢节点的形式与优点

1．2 研究现状

1．2．1 铸钢节点的疲劳性能研究

1．2．2 铸钢节点抗疲劳优化设计研究现状

1．3 本文研究内容与意义

1．3．1 研究意义

1．3．2 研究内容

第二章 铸钢节点环形对接焊缝疲劳试验研究

2．1 疲劳试验方案

2．1．1 试件设计

2．1．2 试验设备

2．1．3 加载方案

2．2 疲劳试验结果

2．3 断面分析

2．3．1 金属疲劳断面典型特征

2．3．2 焊缝疲劳试验断面分析

2．4 本章小结

第三章 铸钢节点环形对接焊缝疲劳试验数据处理与分析

3．1 疲劳性能指标

3．1．1 S-N曲线

3．2．1 疲劳极限

3．2 疲劳试验数据拟合

3．2．1 试验数据处理

3．2．2 均值S-N曲线拟合

3．2．3 S-N曲线拟合

3．3 S-N曲线比较与分析

3．3．1 A、B焊缝细节均值S-N曲线对比

3．3．2 套筒式钢管侧与铸钢侧开坡口焊缝均值S-N曲线对比

3．3．3 带垫板钢管侧与铸钢侧开坡口焊缝均值S-N曲线对比

3．3．4 四种焊缝细节均值S-N曲线对比

3．4 铸钢节点环形对接焊缝统一S-N曲线

3．5 本章小结

第四章 铸钢节点参数化建模与参数分析

4．1 参数化设计

4．1．1 参数化设计方法

4．1．2 Pro／Engineering软件介绍

4．1．3 铸钢节点参数化模型建立过程

4．2 节点铸钢材料部分的疲劳分析

4．2．1 疲劳累积损伤理论

4．2．2 节点铸钢材料部分的疲劳有限元分析

4．3 参数分析

4．3．1 灵敏度分析方法

4．3．2 PB试验设计

4．3．3 铸钢节点抗疲劳参数灵敏度分析

4．4 本章小结

第五章 基于疲劳性能的铸钢节点优化设计

5．1 铸钢节点的疲劳力学性能分析

5．2 优化方法

5．2．1 初始概念设计

5．2．2 参数灵敏度分析

5．2．3 组合优化

5．2．4 铸钢节点环形对接焊缝热点应力寿命曲线(Shs-N曲线)

5．2．5 集成优化软件Isight介绍

5．3 杭州湾跨海大桥海洋平台观光塔下节点抗疲劳优化设计

5．3．1 铸钢部分的抗疲劳优化

5．3．2 环形对接焊缝疲劳强度验算

5．4 本章小结

第六章 结论与展望

6．1 本文主要研究工作及研究成果

6．2 今后的研究工作展望

参考文献

致谢

攻读硕士期间撰写与发表的论文