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文檔簡介
1、桿系鋼結(jié)構(gòu)是一種應(yīng)用廣泛的工程結(jié)構(gòu)形式,大型桿系鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點處交匯的桿件眾多,節(jié)點局部構(gòu)造細節(jié)復(fù)雜,且處于復(fù)雜的空間受力狀態(tài)。大型桿系鋼結(jié)構(gòu)在服役期內(nèi)長期承受著循環(huán)動力載荷(風(fēng)力作用,移動荷載,地震作用)作用,大量研究和工程實例表明,循環(huán)應(yīng)力容易導(dǎo)致桿系鋼結(jié)構(gòu)焊接節(jié)點的焊接區(qū)域出現(xiàn)疲勞裂紋,并會不斷擴展,直至引起節(jié)點的脆性斷裂,這些都將會導(dǎo)致大型桿系鋼結(jié)構(gòu)的安全性能下降甚至引起結(jié)構(gòu)的倒塌破壞。為此,對桿系鋼結(jié)構(gòu)焊接節(jié)點進行疲勞損傷分析,研
2、究疲勞裂紋的萌生和擴展并預(yù)測疲勞壽命,對于保證桿系鋼結(jié)構(gòu)的安全是十分必要的。
大型桿系鋼結(jié)構(gòu)焊接節(jié)點的焊接過程復(fù)雜,焊接殘余應(yīng)力對結(jié)構(gòu)的疲勞性能有著重要影響。然而目前無法對實際工程中的焊件測定其焊接殘余應(yīng)力,因此采用有限元數(shù)值模擬分析焊接節(jié)點的焊接殘余應(yīng)力場分布情況是進行疲勞分析的基礎(chǔ)。本文采用ANSYS有限元分析軟件,基于熱彈塑性力學(xué)理論,開發(fā)了一套完整的焊接有限元程序,并對大型焊接鋼橋整體焊接節(jié)點和輸電線塔節(jié)點板兩種焊
3、接節(jié)點的焊接過程成功實現(xiàn)了三維動態(tài)模擬,分析了各個時刻的溫度場和最終的焊接殘余應(yīng)力場,焊接殘余應(yīng)力最大值接近甚至超過材料的屈服強度,計算結(jié)果與實驗結(jié)果相符合。
本文首次將焊接節(jié)點的焊接殘余應(yīng)力考慮在內(nèi),提出了一套完整的桿系鋼結(jié)構(gòu)焊接節(jié)點的動應(yīng)力場多尺度有限元分析方法。該方法首先采用數(shù)值模擬或者實測的方法獲取結(jié)構(gòu)整體尺度的動應(yīng)力響應(yīng),然后對需要進行疲勞分析的焊接節(jié)點進行邊界切割,獲取其在整體尺度上的力和位移邊界條件;接著建立
4、焊接節(jié)點的精細實體有限元模型,將焊接殘余應(yīng)力當(dāng)作初始應(yīng)力,施加上步得到的力學(xué)和位移邊界條件進行小尺度的動應(yīng)力分析,得到焊接節(jié)點局部細節(jié)處的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài),最后由Von-mise等效應(yīng)力準(zhǔn)則確定應(yīng)力最大的節(jié)點為疲勞危險點。文中對大型焊接鋼橋的整體焊接節(jié)點和輸電線塔節(jié)點板分別進行了動應(yīng)力多尺度分析,結(jié)果表明焊接節(jié)點的疲勞危險點出現(xiàn)在焊縫的焊趾處。
本文系統(tǒng)的建立了桿系鋼結(jié)構(gòu)焊接節(jié)點基于應(yīng)變的疲勞裂紋萌生壽命計算方法。由動應(yīng)力分析
5、的結(jié)果可知,在焊接殘余應(yīng)力和外荷載迭加的情況下,焊接節(jié)點的疲勞危險點的應(yīng)力將超過材料的屈服強度,應(yīng)此將會發(fā)生塑性變形,所以采用基于應(yīng)變的疲勞損傷理論更加符合實際情況。文中采用多軸疲勞的臨界面方法,計算了大型焊接鋼橋的整體焊接節(jié)點和輸電線塔節(jié)點板的裂紋萌生壽命。首先分析疲勞危險點的應(yīng)變時程確定臨界面的位置,然后采用循環(huán)計數(shù)方法提取臨界面上的正、剪應(yīng)變循環(huán),并將其合成統(tǒng)一的多軸疲勞損傷參量,最后根據(jù)疲勞壽命計算公式和Miner準(zhǔn)則估算裂紋萌
6、生壽命。
本文采用斷裂力學(xué)的方法研究含初始裂紋的桿系鋼結(jié)構(gòu)焊接節(jié)點的裂紋擴展問題。文中首先提出了一種可以創(chuàng)建含三維裂紋的有限元實體建模方法,該方法采用局部到整體的思想,采用特殊的網(wǎng)格劃分技術(shù),能夠建立各種含裂紋的復(fù)雜結(jié)構(gòu),方便的實現(xiàn)應(yīng)力強度因子的求解。針對裂紋擴展中應(yīng)力強度因子實時計算的困難,文中采用數(shù)值插值的方法近似代替全三維的有限元分析,從而簡化了應(yīng)力強度因子求解過程。文中針對桿系鋼結(jié)構(gòu)承受多軸非比例加載的情況,創(chuàng)新的
7、提出了對焊接節(jié)點的荷載邊界條件采用分組的方法計算應(yīng)力強度因子幅,形成應(yīng)力強度因子幅數(shù)據(jù)庫,從而便于程序化求解。在上述方法的基礎(chǔ)之上,文中采用Paris裂紋擴展速率公式預(yù)測了大型焊接鋼橋的整體焊接節(jié)點和輸電線塔節(jié)點板的裂紋擴展壽命,計算結(jié)果和裂紋擴展理論相符合。
最后,基于本文的一系列方法,完成了桿系鋼結(jié)構(gòu)焊接節(jié)點疲勞自感應(yīng)自診斷系統(tǒng)的集成,詳細闡述了該系統(tǒng)的工作原理和四個子模塊的功能,并在一個工程實例上成功的應(yīng)用了該系統(tǒng)。
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