形贴角焊缝接头应力分析与强度计算.docx

形贴角焊缝接头应力分析与强度计算 焊接连接具有可靠性、施工方便、经济等特点。已成为钢结构中最重要、最常见的连接形式，尤其是大多数工程机械中使用填补作为支撑的连接形式。近年来，随着国内采矿工业的蓬勃发展，其产量逐渐增长。主要任务的是，t形焊接连接是支撑结构中最常用的连接形式。t形焊接焊接应力计算方法直接关系到支撑结构的强度和强度。许多标准规定了投影螺钉的测量。然而，由于焊接本身的形状不规则，导致严重的应力集中，尤其是角落焊接，导致焊接连接计算非常复杂。这往往是结构的薄弱环节，是导致支架结构破坏的重要因素。在这项工作中，我们分析了t-t连接中重新焊接焊接强度的计算公式，并指出了等强度设计的原则，并介绍了基于有限算法的新概念。 1 焊缝应力的计算公式 对于T型等边贴角焊接接头,在焊缝应力计算时,对焊缝尺寸的定义如图1所示,其中K为焊角尺寸,δ为竖板厚度,a为焊缝有效厚度;图2所示为受力形式. 对于焊缝的静强度设计,一般是按照等强度的设计原则,即焊缝的应力等于母材的应力,但是,焊缝上各处的应力大小是不同的,于是就规定以焊缝的有效厚度上的平均应力作为焊缝应力. 对于拉伸和面内受力,文献、给出的焊缝应力计算公式见表1. 对于图1所示的贴角焊缝,文献给出的焊脚尺寸按下式确定: K=0.707δ (1) 而按有效厚度的规定,对图1所示的焊缝,有 a=0.707K=0.707×0.707=0.5 (2) 将式(1)和(2)代入表1中的焊缝应力计算公式,则文献和文献的焊缝应力计算公式是相同的,见表2. 另外,由图3可以清楚看到文献和文献规定的焊缝应力计算时采用的有效受力面积,由于规定的有效受力面积相同,则抗弯截面模量也相同,所以,文献和文献的焊缝应力计算公式也相同. 本文定义在竖板上不受焊缝影响处的应力或最大应力称为名义应力,则2种工况下的名义应力见表2. 由表2可见,按文献和文献的计算公式,焊缝应力等于名义应力,所以符合焊缝的等强度设计原则,而要实现这种等强度设计,式(1)是不可缺少的,但是,在文献中并未明确给出如式(1)所示的K与δ的关系. 2 焊缝应力分析 在有限元计算中建立的T形接头模型尺寸为:竖板厚度δ=30mm,竖板高度H=500mm,焊角边长K=0.707×δ=0.707×30=21.2mm,焊缝有效计算厚度a=0.707K=0.7072×30=15mm. 对于拉压受力情况,采用的有限元计算模型如图4a所示,其中,取焊缝长度h=1m,取拉力F=3×106N,按均布载荷施加在竖板顶端. 对于面内弯曲受力情况,采用的有限元计算模型如图4b所示,其中,取焊缝长度h=0.2m,弯矩为M1=20 000N·m. 这2种受力情况的有限元计算结果列于表3. 表中列出了焊缝4个部位的等效应力值及其对应的应力集中系数(这4个部位见图5),应力集中系数为应力值除以竖板上的名义应力. 在表3中还给出了竖板上的名义应力σn和焊缝平均应力σa. 焊缝平均应力σa是按公式(3)计算的. 公式(3)中,σe是沿焊缝有效厚度的等效应力,a是焊缝的有效厚度 (3-4连线的长度). 3种情况下有限元计算得到的等效应力云图及对应的沿焊缝有效厚度a应力分布分别如图6-图9所示,图中应力单位为Pa. σa=∫a0σedxa(3) 根据有限元计算结果可以看出,在受拉和面内弯曲情况下,焊缝上的应力分布是很不均匀的,最大和最小应力值差别很大,最大应力产生在焊趾和焊根处,这是由于应力集中造成的. 对于同样的接头尺寸和焊缝尺寸,受力形式不同时,应力集中系数也不相同. 3 焊缝应力计算公式的确定 文献和文献焊缝应力公式给出的是焊缝有效厚度上的平均应力,没有反映焊缝上有关部位的应力集中现象,但是,与有限元计算的沿有效厚度a的平均应力相比,二者基本相当,即有限元计算结果说明,在焊缝有效厚度上的平均应力概念下,文献和文献给出的应力公式符合等强度设计要求. 但是,如果焊脚尺寸K不满足式(1),则等强度强度设计要求将得不到保证. 文献和文献以及类似的有关焊接接头应力计算方法,在给出焊缝应力计算公式时都认可焊缝上的应力分布是不均匀的,并且有应力集中存在,也都是在作了某些假定前提下给出了沿焊缝有效厚度的应力计算公式. 虽然,沿焊缝有效厚度的应力是不均匀的,有限元计算结果也说明了这种不均匀性很强,这种不均匀性是符合实际的,这正如文献所述,绝大多数工程结构中的应力分布是不均匀的,在几何或载荷不连续处,按精确的弹性理论或有限元法进行分析所得到的应力集中系数往往可以高达3～10倍. 按照静强度观点,对塑性材料,局部出现高应力是允许的,因为当最大应力点进入塑性时,结构还有承载能力. 所以,综合考虑了焊缝的几何形状、试验和实际使用经验等方面因素得出的这些焊缝应力公式是目前设计中的通用计算方