形貼角焊縫接頭應(yīng)力分析與強(qiáng)度計(jì)算

焊接連接具有可靠性、施工方便、經(jīng)濟(jì)等特點(diǎn)。已成為鋼結(jié)構(gòu)中最重要、最常見的連接形式，尤其是大多數(shù)工程機(jī)械中使用填補(bǔ)作為支撐的連接形式。近年來，隨著國內(nèi)采礦工業(yè)的蓬勃發(fā)展，其產(chǎn)量逐漸增長(zhǎng)。主要任務(wù)的是，t形焊接連接是支撐結(jié)構(gòu)中最常用的連接形式。t形焊接焊接應(yīng)力計(jì)算方法直接關(guān)系到支撐結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和強(qiáng)度。許多標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了投影螺釘?shù)臏y(cè)量。然而，由于焊接本身的形狀不規(guī)則，導(dǎo)致嚴(yán)重的應(yīng)力集中，尤其是角落焊接，導(dǎo)致焊接連接計(jì)算非常復(fù)雜。這往往是結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)，是導(dǎo)致支架結(jié)構(gòu)破壞的重要因素。在這項(xiàng)工作中，我們分析了t-t連接中重新焊接焊接強(qiáng)度的計(jì)算公式，并指出了等強(qiáng)度設(shè)計(jì)的原則，并介紹了基于有限算法的新概念。1焊縫應(yīng)力的計(jì)算公式對(duì)于T型等邊貼角焊接接頭,在焊縫應(yīng)力計(jì)算時(shí),對(duì)焊縫尺寸的定義如圖1所示,其中K為焊角尺寸,δ為豎板厚度,a為焊縫有效厚度;圖2所示為受力形式.對(duì)于焊縫的靜強(qiáng)度設(shè)計(jì),一般是按照等強(qiáng)度的設(shè)計(jì)原則,即焊縫的應(yīng)力等于母材的應(yīng)力,但是,焊縫上各處的應(yīng)力大小是不同的,于是就規(guī)定以焊縫的有效厚度上的平均應(yīng)力作為焊縫應(yīng)力.對(duì)于拉伸和面內(nèi)受力,文獻(xiàn)、給出的焊縫應(yīng)力計(jì)算公式見表1.對(duì)于圖1所示的貼角焊縫,文獻(xiàn)給出的焊腳尺寸按下式確定:K=0.707δ(1)而按有效厚度的規(guī)定,對(duì)圖1所示的焊縫,有a=0.707K=0.707×0.707=0.5(2)將式(1)和(2)代入表1中的焊縫應(yīng)力計(jì)算公式,則文獻(xiàn)和文獻(xiàn)的焊縫應(yīng)力計(jì)算公式是相同的,見表2.另外,由圖3可以清楚看到文獻(xiàn)和文獻(xiàn)規(guī)定的焊縫應(yīng)力計(jì)算時(shí)采用的有效受力面積,由于規(guī)定的有效受力面積相同,則抗彎截面模量也相同,所以,文獻(xiàn)和文獻(xiàn)的焊縫應(yīng)力計(jì)算公式也相同.本文定義在豎板上不受焊縫影響處的應(yīng)力或最大應(yīng)力稱為名義應(yīng)力,則2種工況下的名義應(yīng)力見表2.由表2可見,按文獻(xiàn)和文獻(xiàn)的計(jì)算公式,焊縫應(yīng)力等于名義應(yīng)力,所以符合焊縫的等強(qiáng)度設(shè)計(jì)原則,而要實(shí)現(xiàn)這種等強(qiáng)度設(shè)計(jì),式(1)是不可缺少的,但是,在文獻(xiàn)中并未明確給出如式(1)所示的K與δ的關(guān)系.2焊縫應(yīng)力分析在有限元計(jì)算中建立的T形接頭模型尺寸為:豎板厚度δ=30mm,豎板高度H=500mm,焊角邊長(zhǎng)K=0.707×δ=0.707×30=21.2mm,焊縫有效計(jì)算厚度a=0.707K=0.7072×30=15mm.對(duì)于拉壓受力情況,采用的有限元計(jì)算模型如圖4a所示,其中,取焊縫長(zhǎng)度h=1m,取拉力F=3×106N,按均布載荷施加在豎板頂端.對(duì)于面內(nèi)彎曲受力情況,采用的有限元計(jì)算模型如圖4b所示,其中,取焊縫長(zhǎng)度h=0.2m,彎矩為M1=20000N·m.這2種受力情況的有限元計(jì)算結(jié)果列于表3.表中列出了焊縫4個(gè)部位的等效應(yīng)力值及其對(duì)應(yīng)的應(yīng)力集中系數(shù)(這4個(gè)部位見圖5),應(yīng)力集中系數(shù)為應(yīng)力值除以豎板上的名義應(yīng)力.在表3中還給出了豎板上的名義應(yīng)力σn和焊縫平均應(yīng)力σa.焊縫平均應(yīng)力σa是按公式(3)計(jì)算的.公式(3)中,σe是沿焊縫有效厚度的等效應(yīng)力,a是焊縫的有效厚度(3-4連線的長(zhǎng)度).3種情況下有限元計(jì)算得到的等效應(yīng)力云圖及對(duì)應(yīng)的沿焊縫有效厚度a應(yīng)力分布分別如圖6-圖9所示,圖中應(yīng)力單位為Pa.σa=∫a0σedxa(3)根據(jù)有限元計(jì)算結(jié)果可以看出,在受拉和面內(nèi)彎曲情況下,焊縫上的應(yīng)力分布是很不均勻的,最大和最小應(yīng)力值差別很大,最大應(yīng)力產(chǎn)生在焊趾和焊根處,這是由于應(yīng)力集中造成的.對(duì)于同樣的接頭尺寸和焊縫尺寸,受力形式不同時(shí),應(yīng)力集中系數(shù)也不相同.3焊縫應(yīng)力計(jì)算公式的確定文獻(xiàn)和文獻(xiàn)焊縫應(yīng)力公式給出的是焊縫有效厚度上的平均應(yīng)力,沒有反映焊縫上有關(guān)部位的應(yīng)力集中現(xiàn)象,但是,與有限元計(jì)算的沿有效厚度a的平均應(yīng)力相比,二者基本相當(dāng),即有限元計(jì)算結(jié)果說明,在焊縫有效厚度上的平均應(yīng)力概念下,文獻(xiàn)和文獻(xiàn)給出的應(yīng)力公式符合等強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求.但是,如果焊腳尺寸K不滿足式(1),則等強(qiáng)度強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求將得不到保證.文獻(xiàn)和文獻(xiàn)以及類似的有關(guān)焊接接頭應(yīng)力計(jì)算方法,在給出焊縫應(yīng)力計(jì)算公式時(shí)都認(rèn)可焊縫上的應(yīng)力分布是不均勻的,并且有應(yīng)力集中存在,也都是在作了某些假定前提下給出了沿焊縫有效厚度的應(yīng)力計(jì)算公式.雖然,沿焊縫有效厚度的應(yīng)力是不均勻的,有限元計(jì)算結(jié)果也說明了這種不均勻性很強(qiáng),這種不均勻性是符合實(shí)際的,這正如文獻(xiàn)所述,絕大多數(shù)工程結(jié)構(gòu)中的應(yīng)力分布是不均勻的,在幾何或載荷不連續(xù)處,按精確的彈性理論或有限元法進(jìn)行分析所得到的應(yīng)力集中系數(shù)往往可以高達(dá)3～10倍.按照靜強(qiáng)度觀點(diǎn),對(duì)塑性材料,局部出現(xiàn)高應(yīng)力是允許的,因?yàn)楫?dāng)最大應(yīng)力點(diǎn)進(jìn)入塑性時(shí),結(jié)構(gòu)還有承載能力.所以,綜合考慮了焊縫的幾何形狀、試驗(yàn)和實(shí)際使用經(jīng)驗(yàn)等方面因素得出的這些焊縫應(yīng)力公式是目前設(shè)計(jì)中的通用計(jì)算方法.但是,對(duì)于動(dòng)力設(shè)計(jì),焊縫的局部應(yīng)力是必須考慮的,因?yàn)榫植扛邞?yīng)力容易產(chǎn)生疲勞裂紋,從而再導(dǎo)致破壞.4等強(qiáng)度設(shè)計(jì)分析分析了目前通用的T形貼角焊縫接頭應(yīng)力公式的計(jì)算原理,指出了保證焊縫等強(qiáng)度設(shè)計(jì)時(shí)焊縫尺寸應(yīng)該滿足的條件.根據(jù)有限元計(jì)算結(jié)果,按應(yīng)力沿焊縫有效厚度的積分運(yùn)算求出了焊縫的平均應(yīng)力,并將其與目前通用的焊縫應(yīng)力公式