焊接管节点应力分布规律评估新方法研究

摘要

圆管焊接节点在海洋工程领域有着极其广泛的应用。由于管节点在焊缝交线处结构形式非常复杂，会产生严重的局部应力集中，加上焊接过程引入的宏观和微观缺陷，使得管节点在风、浪、流等各种随机环境载荷的联合作用下处于非常复杂的交变应力状态，容易出现疲劳破坏;并且，疲劳评估的最危险点可能出现在沿焊缝交线的任意位置。
　　工程上常用的基于表面插值算法的热点应力法无法对焊趾位置复杂的应力状态进行准确的描述:首先，目前的绝大部分工作均集中于热点应力峰值的计算而忽略了其沿管壁厚度方向及焊缝交线的分布规律;其次，研究中多采用壳单元对管节点进行模拟，无法充分考虑焊趾尺寸对焊缝位置应力分布产生的影响。因而，对于受到多轴疲劳载荷作用的复杂焊接管节点，传统的疲劳评估应力计算方法仍存在一些问题。为保证海洋平台整个服役过程中的安全，研究焊接管节点在复杂载荷作用下的应力分布规律，建立能够应用于实际工程结构的多轴疲劳强度评估方法，在海洋工程领域具有非常重要的意义。
　　本文以T型管节点为例，将一种新的零点结构应力法用于其疲劳评估应力的计算。计算过程中，为更加准确的考虑焊缝尺寸对管节点应力分布产生的影响，文中采用三维的20节点块体单元对管节点的支管、主管以及焊缝进行了详细建模;新方法充分考虑裂纹的扩展方向，以管壁厚度方向上非线性峰值应力为零的一点作为疲劳评估点，以该点处的结构应力作为疲劳评估应力。该结构应力可直接通过有限元计算结果后处理得到，方便用于管节点的多轴疲劳寿命预测;另外，由于评估位置取在管壁外表面下方一点，可在一定程度上考虑应力梯度对疲劳寿命的影响。在此基础上，通过与公开发表的疲劳试验数据进行比较，验证了本文方法应用于管节点疲劳强度评估的适用性和正确性。最后，本文基于大量的有限元数值计算，提出了T型管节点在各基本载荷作用下的应力集中系数参数方程，并对参数方程的精度进行了验证。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 管节点热点应力法研究现状

1．3 本文主要研究内容

2 管节点热点应力研究

2．1 管节点疲劳特性基本理论

2．1．1 管节点疲劳损伤机理

2．1．2 管节点疲劳破坏定义

2．1．3 管节点疲劳设计方法

2．2 管节点中的应力

2．2．1 名义应力

2．2．2 热点应力和应力集中系数

2．2．3 应力外推插值算法

2．3 热点应力集中系数参数公式

3 零点结构应力法

3．1 管节点零点结构应力的定义

3．2 焊缝交线处正应力及剪应力计算

3．2．1 任意截面正应力及剪应力的计算

3．2．2 支管上任意极性角处正应力及剪应力的计算

3．2．3 主管上任意极性角处正应力及剪应力的计算

3．3 零点位置及零点结构应力计算流程

3．4 小结

4 T型管节点数值计算模型的建立

4．1 无焊缝管节点的相交线方程

4．2 管节点焊缝模拟

4．2．1 二面角γ

4．2．2 焊缝厚度因子β

4．2．3 管节点焊缝模拟

4．3 考虑焊缝的T型管节点几何模型

4．4 考虑焊缝的T型管节点有限元模型

4．5 小结

5 T型管节点零点结构应力法数值分析

5．1 T型管节点ZP及SCFZP有限元计算

5．2 T型管节点零点结构应力法精度验证

5．3 T型管节点SCFZP参数方程的提出

5．3．1 参数方程基本形式的确定

5．3．2 参数方程中系数的确定

5．4 SCFZP参数方程精度验证

5．5 小结

结论与展望

参考文献

基金项目信息

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢