基于體-殼混合單元結(jié)構(gòu)的焊縫疲勞強(qiáng)度研究.pdf

1、大量疲勞試驗(yàn)和運(yùn)營(yíng)實(shí)踐表明，疲勞破壞是工程焊接結(jié)構(gòu)主要的破壞形式之一。疲勞失效通常發(fā)生在焊縫的焊趾位置，在交變載荷作用下焊趾處萌生裂紋，并沿著焊趾在板件厚度方向上擴(kuò)展直至斷裂。工程上對(duì)焊接結(jié)構(gòu)進(jìn)行疲勞強(qiáng)度評(píng)估時(shí)，采用殼單元建模能夠顯著降低計(jì)算規(guī)模并縮短分析周期，但由于實(shí)際結(jié)構(gòu)幾何形狀的復(fù)雜性，目前其FE仿真模型通常離散為實(shí)體單元，且國(guó)內(nèi)外常用的幾種疲勞強(qiáng)度理論也都存在著一定的差異性。因此，研究基于體-殼混合單元結(jié)構(gòu)的焊縫疲勞強(qiáng)度分析方法

2、具有重要的工程實(shí)踐意義。
　　論文基于Hypermesh平臺(tái)建立了某C0機(jī)車轉(zhuǎn)向架焊接構(gòu)架的三維模型，將模型離散為體-殼混合單元結(jié)構(gòu)。實(shí)體單元與殼單元的節(jié)點(diǎn)自由度不同，接口處節(jié)點(diǎn)直接耦合時(shí)剛度不匹配，體-殼單元之間力與位移的傳遞存在較大的偏差。接口位置采用節(jié)點(diǎn)耦合法、MPC接觸綁定、RBE3柔性連接法以及RBE2剛性連接法四種方案，驗(yàn)證了體-殼混合單元模型的計(jì)算精度。研究表明，采用RBE2剛性單元連接時(shí)，接口處應(yīng)力擾動(dòng)顯著減小，計(jì)

3、算精度較高。
　　工程上應(yīng)用最為廣泛的名義應(yīng)力法不考慮焊接接頭自身應(yīng)力集中效應(yīng)，導(dǎo)致焊趾位置的應(yīng)力計(jì)算結(jié)果與實(shí)際出現(xiàn)偏差。論文采用美國(guó)焊接結(jié)構(gòu)研究中心的董平沙等人提出的基于主S-N曲線的等效結(jié)構(gòu)應(yīng)力法，考慮了焊接接頭的應(yīng)力集中效應(yīng)，具有對(duì)網(wǎng)格尺寸和形狀不敏感性的特點(diǎn)?；跀嗔蚜W(xué)理論，結(jié)合了大量的疲勞試驗(yàn)、實(shí)際運(yùn)營(yíng)數(shù)據(jù)，得出了較為嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膯我煌ㄓ玫闹鱏-N曲線，提高了焊接接頭疲勞壽命預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性。
　　獲得局部坐標(biāo)系下焊縫的節(jié)

4、點(diǎn)力和節(jié)點(diǎn)力矩是等效結(jié)構(gòu)應(yīng)力法的難點(diǎn)，使得該方法在工程上難以得到廣泛應(yīng)用。論文基于FORTRAN編程語言，實(shí)現(xiàn)了空間焊縫焊趾節(jié)點(diǎn)局部坐標(biāo)系的自動(dòng)識(shí)別方法。通過Hypermesh建立焊接構(gòu)架的體-殼混合單元模型，導(dǎo)入ANSYS軟件中進(jìn)行疲勞強(qiáng)度仿真分析，并利用APDL語言提取殼單元、實(shí)體單元焊縫在整體坐標(biāo)系下的節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)信息、焊縫單元信息以及不同載荷工況下的節(jié)點(diǎn)力和節(jié)點(diǎn)力矩信息;基于FORTRAN語言，編程處理有限元分析結(jié)果的信息文件，識(shí)別

5、直線、空間曲線焊縫焊趾節(jié)點(diǎn)局部坐標(biāo)系，經(jīng)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換得到局部坐標(biāo)系下的節(jié)點(diǎn)力和節(jié)點(diǎn)力矩;根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)ASME規(guī)范和董平沙提出的基于主S-N曲線等效結(jié)構(gòu)應(yīng)力法，推導(dǎo)了4節(jié)點(diǎn)殼單元和8節(jié)點(diǎn)實(shí)體單元的以結(jié)構(gòu)應(yīng)力σs為控制參數(shù)的等效結(jié)構(gòu)應(yīng)力Ss，并結(jié)合主S-N曲線完成焊接結(jié)構(gòu)焊縫的疲勞強(qiáng)度評(píng)估。
　　通過與傳統(tǒng)名義應(yīng)力法的疲勞強(qiáng)度評(píng)估結(jié)果對(duì)比，研究結(jié)果表明:基于體-殼混合單元結(jié)構(gòu)的等效結(jié)構(gòu)應(yīng)力法與名義應(yīng)力法所得到的結(jié)構(gòu)危險(xiǎn)區(qū)域略有差異，但整體分布