焊接結構設計與計算問題

1、 焊接結構設計與計算問題 下文整理的關于焊接結構設計與計算問題的介紹。 這里不涉及產(chǎn)品從立項(經(jīng)過市場調(diào)研一撰寫報告一決策一報批等)到分段設計(通常分為初步設計、技術設計和施工圖設計)、新產(chǎn)品試制到產(chǎn)品定型生產(chǎn)的全過程，而僅爭論設計階段詳細的焊接結構的設計與計算問題。 (1)許用應力法又稱為常規(guī)設計方法、安全系數(shù)設計法。它是口前最常用的結構設計方法，如壓力容器、鍋爐、起重機金屬結構和焊接機器零件等都采納這種設計方法。按許用應力法進行設計是基于彈性失效準則來建立結構強度條件的。例如壓力容器國家標準規(guī)定，對壓力容器考慮了三種失效形態(tài)；強度失效、剛度失效和穩(wěn)定失效。三種失效均按彈性及彈性一抱負塑性范

2、圍內(nèi)的應力一應變量賜予推斷。即對容器中任一點的應力，都按平面力系解法將其歸結為單向屈服的關系，或用第一強度理論(最大主應力理論)、或用第三強度理論(最大切應力理論)計算出最大主應力或差值應力(三個主應力中最大與最小的差值)，并將其限制在許用應力之下。即得到焊接容器結構設計的強度條件： 式中，-對壓力容器來說，是其在各種載荷下，用平面力系(不考慮三維應力)解法得出的最大應力。這些應力包括與外載相平衡，分布范圍大，沿容器壁厚勻稱分布的一次薄膜應力和沿壁厚線性分布的一次彎曲應力。此外，由于設計緣由，如容器存在局部不連續(xù)，局部薄膜應力將要增大;還由于容器內(nèi)外壁的溫度差，熱膨脹不同導致的、或焊接殘余應力

3、產(chǎn)生的，它們構成自平衡力系的所謂二次應力；以及由于應力集中(如存在焊接缺陷)、交變的熱應力等緣由產(chǎn)生的附加在一、二次應力上的增量，即所謂的峰值應力?？傊恍┤萜骰驑嫾锌傮w一次薄膜應力(外載荷引起的最大應力)之外，還存在一次局部薄膜應力、一次彎曲應力、二次應力、峰值應力以及它們的組合，應當采納極限分析和安定性分析準則建立強度條件。 但國家標準，包括鋼制壓力容器GB 150-1998 ；水管鍋爐受壓元件強度計算GB/T 9222-1998規(guī)定，對這些應力的影響，可通過限制元件結構的某些相關尺寸，或用應力增大系數(shù)、外形系數(shù)等形式予以考慮，把這些局部應力掌握在許用應力范圍內(nèi)，這樣的處理方法使標準簡

4、潔、易行，便于推廣應用。式中的許用應力是針對已有勝利使用閱歷的材料，按其力學性能（等）除以相應的安全系數(shù)得出的。表5-1給出了國家標準GB 150-1998規(guī)定的鋼制壓力容器由安全系數(shù)確定鋼材(除螺栓材料外)的許用應力取值。表5 -2為起重機設計規(guī)范GB/T 3811-1983規(guī)定的起重機金屬結構用鋼材安全系數(shù)和許用應力值，考慮到作用在起重機上的載荷分三類，即基本載荷、附加載荷和特別載荷;在結構設計中依據(jù)詳細機器的工作條件，有時只考慮基本載荷，有時則要考慮基本和附加載荷，有時要考慮基本、附加和特別載荷或考慮基本和特別載荷，這即稱為載荷的不同組合，分別為組合、 實際上常規(guī)設計方法除按強度條件即上

5、述按工作應力小于等于許用應力外，有時還要滿意剛度條件即工作變形要小于等于許用變形。如起重機金屬結構按國家標準GB/T3811-1983起重機設計規(guī)范規(guī)定，除掌握應力外，還要求結構的剛度，其中又分為靜態(tài)和動態(tài)剛度。靜態(tài)剛度以規(guī)定載荷作用于指定位置時，結構某處的靜態(tài)彈性變形，如橋式起重機(門式及裝載橋)當滿載時，規(guī)定主梁跨中靜撓度ft應滿意： (或依據(jù)工作級別為L/800 ，L/600等) 式中，L為起重機的跨度，其他類型的起重機也有相應的規(guī)定。而動態(tài)剛度是表征起重機作為振動系統(tǒng)的動態(tài)抗變形力量(以起重機滿載，鋼絲繩懸吊相當于額定起上升度時，系統(tǒng)在垂直方向的最低階固有頻率簡稱滿載自振頻率)來表示。

6、一般起重機僅核算結構靜態(tài)剛度，假如系統(tǒng)的振動影響了起重機生產(chǎn)作業(yè)狀況，才需驗算動態(tài)剛度。 安全系數(shù)的取值應綜合考慮材料的性能、規(guī)定的檢驗項口及檢驗批量、載荷及其附加的裕度、設計計算方法的精確程度、制造工藝和裝備及產(chǎn)品檢驗水平、質(zhì)量管理、操作水公平來確定，并且要經(jīng)過實踐的考驗。近十幾年，從國外引進的石油化工容器所用的安全系數(shù)取值與這些國家較先進的技術與嚴格的質(zhì)量要求相適應。最近我國借鑒引進技術設計的大中型石油化工容器和高壓容器的安全系數(shù)()和國外相近。 1/3 123下一頁尾頁上述許用應力設計方法所用的參量，如載荷、強度(許用應力)、幾何尺寸等都看成確定的量，所以又稱為定值設計法，這種方法表達式

7、簡潔明白，使用便利，已沿用很長時間，積累了豐富的閱歷，至今仍是很多行業(yè)采納的設計方法。但這種方法的缺點在于將很多不確定的隨機變量當作定值，為保證安全往往選取高的安全系數(shù)和低的許用應力，結果造成材料的不經(jīng)濟和不合理的使用，因而近年進展了牢靠性一概率論和數(shù)理統(tǒng)計為基礎的設計方法。 (2)以概率論為基礎的極限狀態(tài)設計法 1974年以來實施的鋼結構設計規(guī)范（GB J17-1974）規(guī)定采納許用應力法進行設計，但其許用應力是以結構的極限狀態(tài)(強度、剛度、穩(wěn)定性)為依據(jù)，對各種影響因素進行數(shù)理統(tǒng)計，并結合我國工程實踐，進行多系數(shù)分析而求出單一安全系數(shù)打算的許用應力，是一種半概率、半閱歷的極限狀態(tài)計算法?？紤]到大多數(shù)載荷及由它引起的應力和材料的抗力本質(zhì)上是隨機的，即是隨時間和空間而變動的隨機變量。因而結構工作的牢靠性(安全性、適用性和耐久性的統(tǒng)稱)也是隨機的。簡潔地說我們盼望設計結構的材料抗力大于應力，即抗力與應力之差應大于或等于零。因抗力與應力是隨機的，則此差可大