钢桥焊接细节残余应力分析及疲劳性能评估

摘要

伴随着我国桥梁建设的发展，钢结构桥梁的比重在不断的增大，出现了大量的焊接细节。我国焊接疲劳设计起步相对较晚，没有完善的焊接细节的疲劳设计标准。若对结构焊接细节设计不当，会出现钢桥焊接细节的疲劳裂纹，甚至造成严重的事故。
　　焊接是一个涉及物理、化学、力学的复杂过程，焊接加热冷却之后结构内部会存在复杂的残余应力。焊接节点传力过程中的应力集中，焊接节点焊接过程引起的初始缺陷及使结构呈现受拉状态的焊接残余应力是导致焊接节点疲劳性能显著降低的直接原因。反复荷载作用下，为准确描述焊接节点实际应力场状态，需要首先对焊接残余应力进行数值模拟，再叠加不同荷载幅引起的结构工作应力幅。焊接残余应力的准确模拟对焊接节点疲劳性能研究具有重要意义。
　　本文利用ANSYS程序对对接、T字形、U肋与顶板三种典型焊接细节的焊接残余应力进行了数值模拟，并对焊接接头危险点位进行了疲劳性能的分析，论文工作有以下几方面:
　　1根据高温条件下Q345的物理和力学参数，确定焊接热源模型、焊接过程的参数，实现了焊缝热源的移动加载，得出了三种接头准确的焊接过程温度场。编写了不同焊接接头焊接过程数值模拟的APDL命令。
　　2通过温度场和应力场的间接耦合调用三种接头温度场的计算结果，计算出残余应力的分布。对于U肋与顶板接头，等效残余应力随顶板厚度的增加而增加，起弧和灭弧的局部，残余应力略高于屈服强度。
　　3根据欧洲规范中三种接头名义应力加载计算出三种接头的实际应力，并选取应力集中较为严重的部位作为危险点。通过该点计算所得的残余应力与实际应力的叠加，采用Goodman关系结合Q345的材料S-N曲线绘制危险点的新S-N曲线。将计算结果与欧洲规范的焊接接头S-N曲线对比，分析了曲线差异的原因并提出了两个应力修正系数。

目录

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摘要

第1章 绪论

1．1 课题研究背景及意义

1．2 焊接残余应力综述

1．2．1 焊接残余应力的概念

1．2．2 焊接残余应力的影响

1．3 国内外研究现状

1．3．1 焊接残余应力的研究现状

1．3．2 焊接结构疲劳的发展及研究现状

1．3．3 焊接数值模拟的难点

1．4 本文主要研究内容

第2章 焊接过程有限元分析及疲劳理论基础

2．1 有限元方法简介

2．1．1 有限元方法的发展

2．1．2 有限元方法的分析步骤

2．2 热分析基本理论

2．2．1 热力学第一定律

2．2．2 传热的基本方式

2．2．3 焊接温度场基本方程

2．2．4 非线性瞬态热传导

2．2．5 焊接应力应变分析理论

2．3 焊接结构的疲劳强度分析方法

2．3．1 疲劳分析方法

2．3．2 S-N曲线

2．3．3 P-S-N曲线

2．3．4 疲劳极限

2．3．5 焊接接头的疲劳强度

2．4 本章小结

第3章 基于ANSYS的不同接头焊接残余应力数值模拟

3．1 ANSYS热分析简介

3．2 焊接热耦合分析

3．3 有限元模型建立

3．3．1 模型选择

3．3．2 有限元模型简化

3．3．3 单元选择

3．3．4 材料温度参数

3．3．5 网格划分

3．3．6 焊接热源荷载的施加

3．4 焊接温度场分析与计算结果

3．4．1 对接接头温度场计算结果

3．4．2 T字形接头温度场计算结果

3．4．3 U肋与顶板接头温度场计算结果

3．5 焊接应力场分析与计算结果

3．5．1 材料热力学参数

3．5．2 应力场加载及边界条件

3．5．3 应力场计算结果

3．6 本章小结

第4章 考虑残余应力场的焊接节点疲劳性能分析

4．1 残余应力对疲劳性能的影响

4．2 焊接接头疲劳应力分析

4．2．1 焊接接头疲劳等级

4．2．2 焊接接头应力分布

4．3 不同焊接接头S-N曲线的确定

4．3．1 Q345材料S-N曲线

4．3．2 焊接接头S-N曲线

4．3．3 焊接接头S-N曲线修正

4．4 本章小结

结论与展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的论文及参加的科研项目