文獻(xiàn)翻譯——CHS-板角焊縫T型接頭的有限元應(yīng)力集中系數(shù)

1、武漢科技大學(xué)本科畢業(yè)論文外文翻譯CHS-板角焊縫T型接頭的有限元應(yīng)力集中系數(shù)S. Kréanski* G. Turkalj （里耶卡大學(xué)工程學(xué)院工程力學(xué)系，里耶卡，Vukovarska 58）摘要:各種機(jī)械部件的疲勞壽命分析，受多種因素影響。但是，在焊接組件的情況下，影響這些結(jié)構(gòu)類型的疲勞壽命的額外的變量，JElitigue分析可以甚至更具挑戰(zhàn)性的。許多這些產(chǎn)生影響水平的應(yīng)力集中的因素在組件中發(fā)生的。因此，確定這些應(yīng)力集中是正確計(jì)算疲勞壽命最重要的。本文中對角焊縫的T形接頭進(jìn)行建模，有限元法和有限元網(wǎng)格分析。網(wǎng)格模型根據(jù)IIW建議及來自其他作者的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和一個簡單的解析解的成果進(jìn)行了

2、比較。由有限元模型分析計(jì)算的應(yīng)力集中系數(shù)被認(rèn)為是高于那些從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)插值，但與不同管壁厚度和不同的負(fù)載更一致的值。1簡介各種機(jī)械部件的疲勞壽命分析是一項(xiàng)復(fù)雜而艱巨的任務(wù)。這是受全局和局部的幾何形狀，材料，加載類型等諸多因素的影響。在焊接元件的情況下，疲勞分析可以甚至遠(yuǎn)遠(yuǎn)更具挑戰(zhàn)性的，因?yàn)樵谶@些結(jié)構(gòu)類型下有許多影響疲勞的變量。當(dāng)確定給定組件以及前面提到因素的應(yīng)力集中，必須考慮到殘余應(yīng)力，局部變化的幾何形狀，材料的局部變化等等。在這些挑戰(zhàn)下，研究人員對準(zhǔn)確測定焊接構(gòu)件的應(yīng)力集中和疲勞壽命開發(fā)新的以及更好的方法和程序已經(jīng)做了很多的努力。在發(fā)展中所包含的國家或國際標(biāo)準(zhǔn)，他們的努力促成了如確定疲勞的方法的

3、多樣性，例如，“歐洲規(guī)范”標(biāo)準(zhǔn)2，“IIW焊接接頭和組件的疲勞設(shè)計(jì)建議”3 等等。這些方法通常通過確定的幾何形狀和負(fù)載的類型，然后將其在一個與相應(yīng)的SN曲線的預(yù)定類中來評估疲勞壽命。隨后，疲勞壽命是由SN分析手算的名義應(yīng)力的聯(lián)合。這種方法的問題是，有時(shí)，不管有多少不同類別的關(guān)節(jié)之類的共同標(biāo)準(zhǔn)，不能很容易地確定。在這種情況下，焊接接頭類的一個錯誤的選擇可能導(dǎo)致所在計(jì)算的疲勞壽命的一個顯著錯誤。為了盡量減少這個問題的發(fā)生，新的合資類型和新的類通常被添加到標(biāo)準(zhǔn)，使各種焊接接頭的分類可以更容易4,5。盡管有許多這些簡單的計(jì)算的情況，但不能確定以所需精確度的一個組件的壽命，所以要使用先進(jìn)的方法。這些方法

4、包括使用有限元模型（FEM）分析（FEA）和測定的線性或非線性彈性塑料應(yīng)力場。當(dāng)執(zhí)行FEA的焊接構(gòu)件，分析師關(guān)心的主要問題之一是，在焊縫附近的應(yīng)力集中，盡可能準(zhǔn)確計(jì)算，因?yàn)樗鼈兪窃谶@樣的組件疲勞的主要原因。在焊縫附近的網(wǎng)格單元的尺寸和類型，最重要的是精確計(jì)算的應(yīng)力集中。從線狀彈性有限元分析模型的應(yīng)力集中出現(xiàn)的主要問題之一是在幾何的急劇變化的點(diǎn)應(yīng)力奇異性的發(fā)生。此問題無法通過簡單的精煉有問題區(qū)域附近的網(wǎng)格，因?yàn)橹旅艿木W(wǎng)狀需要更精密的計(jì)算出的應(yīng)力集中。因此，如果我們細(xì)化網(wǎng)格，將總是得到計(jì)算壓力的上升。但是，這肯定是不準(zhǔn)確地表述現(xiàn)實(shí)。因?yàn)檫@個問題，在過去數(shù)十年，大量的研究人員研究了應(yīng)力奇異性出現(xiàn)的焊

5、接構(gòu)件的有限元分析，建議其結(jié)果用來更新這樣的組件的標(biāo)準(zhǔn)嚙合。因此，本文關(guān)注對這些T-聯(lián)合組成的圓形空心截面（CHS）和板的建議的正確性，從線彈性分析的有限元分析結(jié)果進(jìn)行比較分析的解決方案，以及實(shí)驗(yàn)結(jié)果從F.R.mashiri及X.L.zhao 6 和根據(jù)IIW 3 得到熱點(diǎn)應(yīng)力集中的有限元分析結(jié)果。2 CHS板T型接頭本文CHS板T形接頭的幾何和載荷與FRMashiri和Xi.Zhao5，6進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)中的是相同的。實(shí)驗(yàn)結(jié)果來自于這些被用來比較的論文。2.1建模的T形接頭的幾何形狀和材料CHS-板的T形接頭的幾何6模型可以在本文圖1中看出。使用焊腳長度為a =6毫米。T形接頭的主要尺寸見表1。建

6、模材料的主要性能見Mashiri，Zhao5，6的論文，（表2）。圖1 CHS板T型接頭的幾何形狀與應(yīng)變計(jì)的位置獲取的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)6表1 CHS-板T型接頭的主要尺寸。T型接頭板CHS(d, x t,)CHSP-l200mmx200mmx 10mm048.3mm x 3.2mmCHSP-2042.4mm x 2.6mmCHSP-3042.4mm x 2.0mm表2 材料特性材料屬性鋼種C350L0規(guī)格AS1 163-1991屈服強(qiáng)度350 MPa抗拉強(qiáng)度430 MPa2.2分析模型，負(fù)荷和額定壓力基于上一個實(shí)驗(yàn)設(shè)定6，分析模型和負(fù)載值進(jìn)行外推（圖2和表3）。使用基于上述分析模型（圖2）上，而忽略剪

7、切應(yīng)力梁理論，標(biāo)稱應(yīng)力CHS部件的任何橫截面的表達(dá)式： （1）從表達(dá)式（1）中，最大的標(biāo)稱應(yīng)力計(jì)算方法如下： （2）圖2 分析模型與圖表的應(yīng)力，彎矩和橫向力2.3結(jié)構(gòu)應(yīng)力由于這種分析模型被簡化了，它既不考慮全局或局部在幾何上的變化，也沒有考慮在應(yīng)力分布和應(yīng)力集中發(fā)生的變化。另一方面，通過有限元分析，我們可以得到一個對應(yīng)力分布及應(yīng)力集中的發(fā)生非常詳細(xì)深刻的理解。正如前面提到的，使用FEA的主要問題之一是在幾何上的突然變化的點(diǎn)處的應(yīng)力奇異性的發(fā)生。這種變化通常會發(fā)生在焊縫邊緣的圓角焊接構(gòu)件?？朔淮_定性的方法之一是通過使用構(gòu)造應(yīng)力作用，而不是通過有限元分析計(jì)算的壓力。結(jié)構(gòu)，熱點(diǎn)或幾何應(yīng)力是一種壓力

8、，包括所有提高效果的結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)的壓力除了由于焊縫局部輪廓本身造成的所有的應(yīng)力集中（圖3）。它取決于組件的總體尺寸和加載參數(shù)，以及確定評估的熱點(diǎn)處組件的表面 3，7。表3 負(fù)荷值和計(jì)算的名義應(yīng)力T型接頭載荷F,KN最大名義應(yīng)力,MpaCHSP-10.212.60.427.00.640.50.854.0CHSP-20.221.20.442.50.663.70.885.0CHSP-30.226.40.452.90.679.30.8105.8 圖3 結(jié)構(gòu)應(yīng)力的定義3，72.4應(yīng)力集中系數(shù)應(yīng)力集中計(jì)算或測量的峰值應(yīng)力和名義應(yīng)力之間的比率。應(yīng)力集中系數(shù)，計(jì)算公式為： (3)其中是一個實(shí)驗(yàn)值，該值的推算從有限

9、元分析結(jié)果得到有限元分析或熱點(diǎn)的應(yīng)力集中。與有限元分析結(jié)果相比較，應(yīng)力集中系數(shù)（SCF）的實(shí)驗(yàn)值取自Mashiri和Zhao6。3 FE模型NASTRAN軟件的使用，以便構(gòu)建T型接頭的有限元模型，然后進(jìn)行線性彈性分析。3.1 有限元網(wǎng)格的建議結(jié)構(gòu)熱點(diǎn)應(yīng)力推算根據(jù)IIW推薦規(guī)范 3采用參考點(diǎn)。參考Hobbacher3，根據(jù)板和它們的方向上焊趾（圖4和圖5）的位置，可以區(qū)分兩種類型的熱點(diǎn)：a） 結(jié)構(gòu)熱點(diǎn)應(yīng)力橫向焊接的板表面上的腳趾，b） 結(jié)構(gòu)的熱點(diǎn)應(yīng)力橫焊趾板邊。 圖5 典型的網(wǎng)格和應(yīng)力評圖4 熱點(diǎn)的類型3 定路徑的焊接細(xì)節(jié)3根據(jù)熱點(diǎn)和幾何尺寸的類型，有不同的有限元網(wǎng)格建模，或是更準(zhǔn)確的用于限定應(yīng)

10、力推算3（圖6）的參考節(jié)點(diǎn)位置。圖6 不同類型的網(wǎng)格劃分3的參考點(diǎn)3.2 T形接頭的幾何模型和有限元網(wǎng)格建模為了減少計(jì)算的要求時(shí)，進(jìn)行有限元分析時(shí)，對稱性被使用，只有一半的模型的幾何形狀用于網(wǎng)格劃分（圖7）。圖7 一半CHS-板T型接頭模型為了進(jìn)一步減少計(jì)算的要求，作為一個簡單的剛性元件與其上獨(dú)立節(jié)點(diǎn)的距離，該力由液壓缸引入的力插入的仿照機(jī)制的幾何形狀（圖8）。圖8 T型接頭與剛性元件的有限元網(wǎng)格本文CHS-板T形接頭有熱點(diǎn)類型a），因此，在圖6中的推薦方案，使用相對精細(xì)的有限元網(wǎng)格。10節(jié)點(diǎn)四面體單元的網(wǎng)格模型，建議使用NASTRAN的結(jié)構(gòu)仿真。得到的有限元網(wǎng)格見表4。一個有限元網(wǎng)格焊縫周圍

11、熱點(diǎn)的細(xì)節(jié)見圖9。表4 有限元網(wǎng)格 IT型接頭元素編號CHSP-152356CHSP-259356CHSP-344444圖9 有限元網(wǎng)格細(xì)節(jié)在熱點(diǎn)和用于網(wǎng)格密度的基礎(chǔ)上所確定的類型，結(jié)構(gòu)熱點(diǎn)應(yīng)力隨后被推算為3： （4）3.3 邊界條件考慮定義支持，半模型的切削平面被定義為一個對稱平面。為了避免有限元模型的進(jìn)一步復(fù)雜化和計(jì)算負(fù)荷的增加，忽視固定螺栓的影響，并簡化為一個簡單的邊界條件。4 結(jié)論4.1 應(yīng)力分布來自FEA計(jì)算出的應(yīng)力分布表明預(yù)期正常的應(yīng)力分布沿表面的CHS部件，可用于所有模型的T形接頭（圖10）的上部焊接邊緣與最大值。圖10 在z方向的正應(yīng)力的有限元應(yīng)力集中分布圖11顯示出了FE模型

12、和實(shí)驗(yàn)結(jié)果用于CHSP-1之間的最大應(yīng)力的顯著差異，但是這種差異可主要?dú)w因于在測得的應(yīng)力分布（圖12）和小的那部分一般相差在應(yīng)力集中計(jì)算誤差一個理想化的有限元模型8。FEA解決方案將完全與解析解區(qū)域外的的應(yīng)力集中的影響，并遵循之前應(yīng)力的上升和急劇上升的應(yīng)力，在應(yīng)力集中區(qū)的應(yīng)力下降的總趨勢。通過增加負(fù)載CHSP-1，我們可以看到計(jì)算結(jié)果和實(shí)驗(yàn)最大正應(yīng)力，因此，計(jì)算出的應(yīng)力中的錯誤是更大的一個更大的負(fù)載之間的差異更大。通過增加負(fù)載CHSP-1，我們可以看到計(jì)算結(jié)果和實(shí)驗(yàn)最大正應(yīng)力的巨大差別，相應(yīng)地，計(jì)算出的應(yīng)力中的錯誤與一個更大的負(fù)載之間的差異更大?？紤]CHSP-2。我們可以看到，有限元分析和熱點(diǎn)

13、的方法，基于有限元分析參考點(diǎn)的壓力承受的壓力最大幾乎相同，從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)（圖11b）計(jì)算出的應(yīng)力集中均表現(xiàn)出良好的相關(guān)性。相對于CHSP-3而言，盡管在CHSP-1 T型接頭的情況下還沒有到這樣的程度，我們依然可以注意到稍高應(yīng)力由有限元分析的計(jì)算結(jié)果，并與從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的可用計(jì)算相比。此外，隨著負(fù)載的增加，有限元分析比在CHSP-1 T型接頭（圖11c）的實(shí)驗(yàn)更匹配結(jié)果。4.2 應(yīng)力集中因素在計(jì)算出的最大應(yīng)力的基礎(chǔ)上，利用等式（3）計(jì)算應(yīng)力集中系數(shù)。用有限元分析的計(jì)算的系數(shù)和從實(shí)驗(yàn)結(jié)果計(jì)算出最大熱點(diǎn)的系數(shù)之間的相關(guān)性對CHSP-2 T型接頭最好，對CHSP-1 T-接頭最差（表5，圖13和圖15）。從

14、有限元分析獲得的應(yīng)力集中系數(shù)和從熱點(diǎn)計(jì)算與有限元分析中的基準(zhǔn)點(diǎn)上的應(yīng)力值顯示出一致的值在整個負(fù)荷的整個范圍，約從1.5至1.7。厚度為2.6毫米和2毫米的T形接頭的管（圖13-15）特別明顯。圖11 最大應(yīng)力值a) CHSP-1b) CHSP-2c) CHSP-3圖12 彎曲平面內(nèi)應(yīng)力分布圖13 應(yīng)力集中系數(shù)的值 圖14應(yīng)力集中系數(shù)的比較在加載量方面的相關(guān)性 a) CHSP-1 a) CHSP-1 b) CHSP-2 b) CHSP-2 c) CHSP-3 c) CHSP-3表5 應(yīng)力集中系數(shù)的值應(yīng)力集中系數(shù)CHSP-1CHSP-2CHSP-31.47-1.581.63-1.641.63-1.641.61-1.731.67-1.671.71-1.710.9-11.4-1.51.3-1.4平均值1.51.641.63 平均值1.641.671.71 平均值1.01.51.3 圖15應(yīng)力集中系數(shù)/或不同的墻體厚度的比較5 總結(jié)根據(jù)IIW建議3 本文由NASTRA