基于不同焊缝建模的管结构K型及T型节点静力性能研究

摘要

本文对钢结构连接焊缝的焊材进行了单向拉伸试验，得到了连接焊缝的应力一应变曲线。在此基础上，构建了带有连接焊缝的管结构连接节点的有限元模型，探讨了不同焊缝建模对K型及T型圆钢管节点极限承载力的影响情况。主要研究内容和结论如下:
　　(1)管结构连接焊缝焊材拉伸试验:采用常见的Q235及Q345钢材，焊接为全熔透对接焊缝与T型角焊缝，截取全比例棒状试件做单向拉伸试验，确定材料的屈服强度、弹性模量、极限强度及极限应变等基本参数，测出典型的荷载一位移曲线，同时还研究了材料型号、焊接形式、钢材轧制方向等对材料静力性能的影响，基于以上试验研究建立了各个试件的本构模型并拟合出相应数学表达式，之后对焊缝模型进行了有限元程序验证，最后简要说明了母材试件和焊材试件断口的形式。研究表明:焊接过程对T型角焊缝左右两边焊缝金属强度的影响较大，但是对材料特性的影响较小;对同种钢板，平行和垂直方向的极限应变值是不同的，但强度差异不明显;通过合理的试件尺寸设计，得到几种典型的应力一应变曲线。采用ANSYS有限元的PLANE42单元对焊材试件进行了数值模拟，验证了焊材模型的可行性。
　　(2)连接焊缝不同节点的有限元分析:以K型及T型圆钢管节点为研究对象，引进相关拉伸试验数据，采用ANSYS软件对连接焊缝按不同单元类型进行模拟，研究了K型及T型圆钢管节点的承载能力及无量纲参数β、γ、τ对节点破坏模式和承载力的影响。研究表明:实体模型和壳体模型在承载力分析上都是可行的，但是由于壳体模型比实体模型简单、节省时间，因此可利用壳体单元进行大规模的计算并且有较好的精确度;在弦杆与腹杆的交界处，建立一圈壳体单元，并取弦杆壁厚一半的方法能较好的模拟焊缝，具有较好的通用性;不考虑焊缝有限元模型计算承载力比试验值约低20％;建模中如果考虑焊缝模拟，有限元模型计算承载力比试验值约低13.03％;用实体单元和壳体单元模拟焊缝，均会提高节点承载力，且实体单元模型的有限元值更接近试验值;将焊材材料性能和母材材料性能分开考虑与采用单一材性的传统模拟方法相比，前者得到的圆钢管相贯节点承载力更加符合实际。K型节点的承载力随β和τ的增加而增大，随γ的增加而减小;T型节点的承载力随着β的增加而增大，随γ的增加而减小，随τ的变化不大。
　　本研究的主要创新点是:首次系统对钢结构连接焊缝的焊材进行其本构研究，为连接节点的焊缝模拟奠定了基础，也为后续损伤本构建立提供了试验数据;对钢管结构连接节点有限元模型的建立，提出焊材与母材分别考虑应力应变曲线，且用实体单元模拟焊缝更加符合实际。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 概述

1．1．1 钢管桁架结构特点

1．1．2 钢管桁架结构应用

1．1．3 本文选题背景

1．2 钢管节点分类及破坏模式

1．2．1 钢管节点分类

1．2．2 钢管节点破坏模式

1．3 国内外研究现状及研究方法

1．3．1 管节点承载力研究现状

1．3．2 相贯节点静力承载性能的研究方法

1．4 本文研究内容

第二章 钢管节点承载力有限元理论基础

2．1 钢材的本构关系

2．2 有限元法的基本思想及分析过程

2．2．1 有限元方法的基本思想

2．2．2 有限元方法的分析过程

2．3 非线性有限元的分析方法

2．3．1 材料非线性

2．3．2 几何非线性

2．4 求解器的选择

2．4．1 增量法和迭代法

2．4．2 收敛准则

2．5 极限承载力确定原则

2．6 本章小结

第三章 管结构连接焊缝焊材拉伸试验

3．1 焊缝试件制作

3．2 单向拉伸试验

3．3 试验结果与讨论

3．3．1 试件断裂形态

3．3．2 典型材料的应力-应变曲线

3．3．3 各试件本构模型

3．4 焊材模型的有限元计算

3．4．1 有限元模型的建立

3．4．2 结果分析

3．5 本章小结

第四章 连接焊缝不同节点的有限元分析

4．1 节点建模

4．1．1 前人研究的试验数据概况

4．1．2 单元类型

4．1．3 焊缝模拟

4．1．4 网格划分

4．1．5 边界条件与加载方式

4．2 不同焊缝建模的K型圆管节点静力分析

4．2．1 K型节点破坏模式

4．2．2 不考虑焊缝建模的K型节点计算结果

4．2．3 考虑焊缝建模的K型节点计算结果

4．3 不同焊缝建模的T型节点静力分析

4．3．1 T型节点破坏模式

4．3．2 不考虑焊缝建模的T型节点计算结果

4．3．3 考虑焊缝建模的T型节点计算结果

4．4 结论

4．5 本章小结

第五章 K型及T型管节点的极限承载力参数分析

5．1 有限元模型参数选取

5．2 K型圆钢管节点

5．2．1 K型节点破坏模式分布规律

5．2．2 K型节点的几何参数对极限承载力的影响

5．3 T型圆钢管节点

5．3．1 T型节点破坏模式分布规律

5．3．2 T型节点的几何参数对极限承载力的影响

5．4 本章小结

第六章 结论及展望

6．1 完成的主要工作及结论

6．2 研究展望

参考文献

附录

致谢

攻读硕士学位期间的主要研究成果

个人简历