焊接結構第7章-焊接結構力學特征及結構設計課件

焊接結構第7章焊接結構力學特征及結構設計焊接結構第7章焊接結構力學特征及結構設計12/253由于焊接結構的使用目的不同，所用的材料種類、結構形式、尺寸精度、焊接方法和焊接工藝也不相同，這就使得焊接結構種類頗多。但焊接結構的主要作用是一致的，那就是能夠長時間承受自身重量及外部載荷而保持其形狀和性能不變。本章只從大型焊接結構的角度考慮，討論焊接結構的特點、類型、力學特征和設計思路，進一步對典型焊接結構產品進行力學特征和焊接接頭設計分析。

前言2/253由于焊接結構的使用目的不同，所用的材料種類、結構形2主要內容3/2537.1焊接結構的特點及分類7.2焊接結構力學特征7.3

焊接結構設計7.4焊接結構實例分析主要內容3/2537.1焊接結構的特點及分類3焊接結構第7章-焊接結構力學特征及結構設計課件4焊接結構第7章-焊接結構力學特征及結構設計課件5焊接結構第7章-焊接結構力學特征及結構設計課件67/253能力，因此可以長期保持原有設計形狀不變。但是這一優(yōu)點在結構失效時就變成了缺點，容易造成脆性斷裂和整體斷裂。（4）結構計算準確可靠

鋼板和型材的內部組織均勻，各個方向的力學性能基本相同，在一定的應力范圍內，鋼板和型材處于理想彈性狀態(tài)，與工程力學所采用的基本假定較吻合，故焊接結構承載能力計算結果準確可靠。

7/253能力，因此可以長期保持原有設計形狀不變。但是這一優(yōu)78/253（5）結構密封性好采用焊接方法連接容易做到緊密不滲漏，密封性好，適用于制造各種容器，尤其是壓力容器。

此外，大型焊接結構適用于工廠制造、工地安裝的施工方法，結構部件形狀尺寸精度高，鉚焊和栓焊結構共同存在，使焊接結構綜合力學性能得到最大限度的發(fā)揮。8/253（5）結構密封性好采用焊接方法連接容易做89/2532.焊接結構的不足之處經過短時高溫快速冷卻的焊接熱循環(huán)作用，使得焊接結構具有自身獨特的力學特點。（1）較大的殘余應力和變形（2）應力集中系數(shù)較大（3）焊接接頭性能不均勻（4）對材料敏感性強，易產生焊接缺陷9/2532.焊接結構的不足之處經過短時高溫快速冷910/253只有正確認識并掌握了這些特點，做到合理的結構設計、正確的材料選擇、優(yōu)質的焊接設備、合理的焊接工藝和嚴格的質量控制，才能生產出綜合性能優(yōu)良的焊接結構。10/253只有正確認識并掌握了這些特點，做到合理的結構設計1011/2537.1.2焊接結構的分類

焊接結構類型眾多，其分類方法也不盡相同，各分類方法之間也有交叉和重復現(xiàn)象。即使同一焊接結構之中也有局部的不同結構形式，因此很難準確和清晰地對其進行分類。通常可以從用途（使用者）、結構形式（設計者）和制造方式（生產者）來進行分類，見表7-1。11/2537.1.2焊接結構的分類焊接1112/253分類方法結構類型焊接結構的代表產品主要受力載荷形式按用途分類運載工具汽車、火車、船舶、飛機、航天器等靜載、交變載荷、沖擊載荷存貯容器氣罐、油罐、料倉等靜載壓力容器鍋爐、鋼包、反應釜、冶煉爐、氣罐等靜載、熱疲勞載荷、高溫載荷起重設備建筑塔吊、車間行車、汽車吊等靜載、低周疲勞載荷建筑設施橋梁、鋼結構的房屋、廠房、場館等靜載、風雪載荷、低周疲勞載荷海洋設施船舶、港口起重設備、海洋鉆井平臺等靜載、疲勞載荷、應力腐蝕焊接機器減速機、機床機身、旋轉體等靜載、交變載荷按結構形式分類桁架結構橋梁、網(wǎng)架結構等靜載、低周疲勞載荷、大氣腐蝕板殼結構壓力容器、鍋爐、管道等靜載、交變載荷、應力腐蝕實體結構機床機身、機器、旋轉體等靜載、交變載荷按制造方式分類鉚焊結構小型機器結構等靜載、交變載荷栓焊結構橋梁、輕鋼結構等靜載、風雪載荷、低周疲勞鑄焊結構機床機身等靜載、交變載荷鍛焊結構機器零件、大型厚壁壓力容器等靜載、交變載荷全焊結構起重設備、船舶、壓力容器等靜載、交變載荷、應力腐蝕表7-1焊接結構的類型12/253分類方法結構類型焊接結構的代表產品主要受力載荷形1213/253

從使用者的角度考慮，主要按焊接結構用途進行分類。這樣的分類方法不僅適合于專業(yè)技術人員，也適合于普通人員，可以使使用者清晰地了解焊接結構的形狀尺寸、功能作用、承受載荷類型以及對焊接結構的要求，有利于所用材料的選擇和結構設計。例如，提起交通運載工具，人們自然想到的是輕質、高速、安全、能耗等問題。這也是焊接結構設計者和制造者首先考慮的分類方法。13/253從使用者的角度考慮，主要按焊接結構用途1314/253

從設計者的角度考慮，主要按焊接結構形式進行分類。這樣的分類方法主要適用于專業(yè)技術人員，有利于設計人員進行受力分析、結構設計、材料選擇。主要結構形式有桁架結構、板殼結構和實體結構三種形式，其具體選擇依賴于焊接結構的用途、承受載荷的能力和自身重量等。如板殼結構比桁架結構的承載能力大，而實體結構主要用于機器和機床機身等結構。14/253從設計者的角度考慮，主要按焊接結構形式進行1415/253

從生產者的角度考慮，主要按焊接結構制造方式進行分類。這樣的分類方法主要適用于制造工藝人員，要從焊接結構的使用性能、形狀大小、生產規(guī)模、制造成本以及材料的加工工藝性能等方面考慮，以便在保證滿足使用性能的要求下，提高生產效率，降低制造成本。例如，橋梁多為栓焊結構，其梁柱構件均在工廠內采用焊接方法制造，在工地現(xiàn)場只進行螺栓聯(lián)接。15/253從生產者的角度考慮，主要按焊接結構制造1516/253

鑄焊結構和鍛焊結構是指鑄造或鍛造部件通過焊接形成尺寸更大，不能一次鑄造和鍛造的結構，這些方法在大型厚壁重型結構中得到應用。隨著焊接技術水平的不斷提高，全焊焊接結構得到了快速發(fā)展，如船舶、壓力容器和起重設備等等。16/253鑄焊結構和鍛焊結構是指鑄造或鍛造部件通過焊1617/2537.1.3焊接結構涉及的力學性能

在自身重力載荷、外部載荷和自然力載荷的作用下，焊接結構應具有保持其自身形狀不變的能力，即具有抵抗變形和破壞的能力，因此焊接結構必須具有滿足使用要求的力學性能。主要考慮的力學性能見表7-2。17/2537.1.3焊接結構涉及的力學性能1718/253力學性能具體指標涉及的焊接結構或部件主要試驗方法一般靜載力學性能屈服強度所有焊接結構拉伸試驗拉伸強度所有焊接結構拉伸試驗臨界失穩(wěn)壓應力承受壓力的支柱、薄板結構失穩(wěn)試驗硬度焊接接頭硬度試驗剛度梁、機床機身拉伸試驗抗彎剛度梁、板殼結構彎曲試驗抗扭剛度梁、柱結構扭曲試驗斷裂力學性能缺口韌度所有焊接結構，尤其是低溫結構缺口沖擊試驗斷裂韌度厚板和重要焊接結構、低溫結構斷裂韌性試驗表7-2焊接結構涉及的力學性能（接下頁）18/253力學性能具體指標涉及的焊接結構或部件主要試驗方法1819/253疲勞力學性能疲勞強度承受交變載荷的焊接結構疲勞試驗裂紋擴展速率承受交變載荷的焊接結構疲勞裂紋擴展試驗應力腐蝕性能應力腐蝕門檻值腐蝕環(huán)境下的焊接結構應力腐蝕試驗應力腐蝕裂紋擴展速率腐蝕環(huán)境下的焊接結構應力腐蝕試驗高溫力學性能蠕變強度高溫焊接結構，如電站鍋爐蠕變試驗蠕變速率高溫焊接結構，如電站鍋爐蠕變試驗蠕變持久強度高溫焊接結構，如電站鍋爐蠕變持久強度試驗蠕變裂紋擴展速率高溫焊接結構，如電站鍋爐蠕變裂紋擴展速率試驗（續(xù)上頁）19/253疲勞力學疲勞強度承受交變載荷的焊接結構疲勞試驗裂1920/2537.2焊接結構力學特征7.2.1桁架結構及其力學特征

可容納6萬觀眾的沈陽奧體中心鋼結構工程主拱全長360米，為全國最大的管桁架結構。沈陽奧體中心20/2537.2焊接結構力學特征7.2.1桁架結構2021/253神舟飛船發(fā)射塔架（100多米高）21/253神舟飛船發(fā)射塔架（100多米高）2122/2531.桁架結構及適用范圍

桁架結構又稱為桿系結構，是指由長度遠大于其寬度和厚度的桿件在節(jié)點處通過焊接工藝相互連接組成能夠承受橫向彎曲的結構，其桿件按照一定的規(guī)律組成幾何不變結構。

焊接桁架結構廣泛應用于建筑、橋梁、起重機、高壓輸電線路和廣播電視發(fā)射塔架等，如圖7-1所示。根據(jù)承受荷載大小的不同，又可分為普通桁架(圖7-1c)、輕鋼桁架(圖7-1a)和重型桁架(圖7-1b,d,e)。

22/2531.桁架結構及適用范圍桁架結構2223/253圖7-1基于用途的桁架種類a)屋蓋桁架b)橋梁桁架c)拱形橋梁桁架

d)龍門起重機桁e)懸吊組合橋桁架23/253圖7-1基于用途的桁架種類2324/253

網(wǎng)架結構是一種高次超靜定的空間桿系結構（圖7-2）。其空間剛度大、整體性強、穩(wěn)定性強和安全度高，具有良好的抗震性能和較好的建筑造型效果，同時兼有重量輕、省材料、制作安裝方便等優(yōu)點，是一種適用于大、中跨度屋蓋體系的結構形式。網(wǎng)架結構按外形可分為平板網(wǎng)架(簡稱網(wǎng)架，見圖7-2a)和曲面網(wǎng)架(簡稱網(wǎng)殼，見圖7-2b,c)。網(wǎng)架可布置成雙層或三層，雙層網(wǎng)架是最常用的一種網(wǎng)架形式。24/253網(wǎng)架結構是一種高次超靜定的空間桿2425/253圖7-2網(wǎng)架結構a)平面網(wǎng)架b)球冠形網(wǎng)殼c)曲面網(wǎng)殼1-內天溝2-墻架3-輕質條形墻板4-網(wǎng)架板5-懸掛吊車6-混凝土柱7-坡度小立柱8-網(wǎng)架

25/253圖7-2網(wǎng)架結構2526/253附圖1曲面網(wǎng)架鋼結構

與弧形網(wǎng)架類似，但曲面網(wǎng)架的空間構造更富有變化，也更復雜，由多個平面內的弧線或曲線構成的一個曲面，形成層次更豐富的外觀造型。26/253附圖1曲面網(wǎng)架鋼結構與弧2627/253

球型鋼網(wǎng)殼見附圖1，建筑直徑21m，建筑高度為20.5m，基本是整球，支座落地，球殼通過20個支點（每個支點設垂直和徑向兩個支座）支撐在直徑10米的鋼筋混凝土圓柱上。支座高度為20cm，因此球殼底邊直徑為10.4m。球殼周邊為寬18m，深1m的環(huán)形水面，人通過球殼東西兩側水面下的兩條通道進入球殼內部，通道兩側設有輔助用房。27/253球型鋼網(wǎng)殼見附圖1，建筑直徑212728/253

球殼內部通過10m直徑的鋼筋混凝土圓筒（厚度為0.3m）建兩層設備層，一層在地下，一層在地上，在3.2m標高處鋼筋混凝土圓筒延與水平面成750角逐漸增大。上部設兩層房屋，一層建筑面積為70m2，二層建筑面積為98m2，屋頂平臺建筑面積為138m2，在房屋外側設旋轉樓梯可上到屋頂平臺，平臺周邊設防護欄，在平臺上可進行觀光及聯(lián)歡活動。在上半球設有活動馬道，馬道上端有旋轉平臺，人可以通過平臺的爬梯及電動頂窗到球頂進行檢修及維護。

28/253球殼內部通過10m直徑的鋼筋混凝2829/253附圖2大興西紅門直徑21m短程線網(wǎng)殼設計29/253附圖2大興西紅門直徑21m短程線網(wǎng)殼設計2930/2532.桁架結構組成及桿件截面形狀

桁架結構由上弦桿、下弦桿和腹桿三部分組成。

桁架結構中常用的型材有工字鋼、T型鋼、管材、角鋼、槽鋼、冷彎薄型材、熱軋中薄板以及冷軋板等。

圖7-3給出了常用上弦桿的截面形式。上弦桿承受以壓應力為主的壓彎力，尤其上部承受較大的壓應力，因此構件應具有一定的受壓穩(wěn)定性，結構部件必須連續(xù)，必要時加肋板（如圖7-3d,e）。30/2532.桁架結構組成及桿件截面形狀3031/253圖7-3常用上弦桿的截面形式角鋼b)雙角鋼c)角鋼組焊的箱形d)T形e)槽鋼組焊的T形f)槽鋼組焊的箱形g)箱形h)工字形31/253圖7-3常用上弦桿的截面形式3132/253

圖7-4給出了常用的下弦桿的截面形式，下弦桿承受以拉應力為主的拉彎力，結構相對簡單?？梢钥闯?，桁架結構中上、下弦桿截面形式基本相同，只是考慮到受力情況不同，主受力板位置有所變化。一般情況下，綴板加于受拉側，肋板加于受壓側。腹桿截面形式與上、下弦桿截面形式也基本相同，腹桿主要承受軸心拉力或軸心壓力，所以腹桿截面形式應盡可能對稱。32/253圖7-4給出了常用的下弦桿的截面3233/253圖7-4常用下弦桿的截面形式a)角鋼b)雙角鋼c)T形d)槽鋼組焊的箱形e)槽鋼組焊的箱形f)箱形g)工字形33/253圖7-4常用下弦桿的截面形式3334/2533.桁架結構的焊接節(jié)點形式

焊接節(jié)點是指用焊接方法將各個不同方向的型材組合成整體并承受應力的結構。圖7-5a,b,c給出三種將型材直接焊接在一起的節(jié)點，這些焊接節(jié)點雖然具有強度高、節(jié)省材料、重量輕和結構緊湊等優(yōu)點，但焊接節(jié)點處焊縫密集，焊后殘余應力高，應力復雜，容易產生嚴重的應力集中。34/2533.桁架結構的焊接節(jié)點形式焊接3435/253如果結構承受的是動載荷，則焊接節(jié)點應盡量采用對接接頭。管材焊接節(jié)點相貫較多，制造比較困難，可采用插入連接板(見圖7-5d)或部分插入連接板(見圖7-5e)。目前多用球形節(jié)點，即將各個方向的管材焊在一個空心鋼球上，結構強度高，受力合理(見圖7-5f)。35/253如果結構承受的是動載荷，則焊接3536/253圖7-5桁架結構的焊接節(jié)點形式a)工字鋼或T型鋼節(jié)點b)角鋼桁架節(jié)點c)管材節(jié)點d)插入連接板e)部分插入連接板f)球形節(jié)點36/253圖7-5桁架結構的焊接節(jié)點形式3637/2534.桁架結構的力學特征桁架結構桿件承受有軸心拉力、軸心壓力、拉彎力和壓彎力四種載荷，而大部分桿件只承受軸心力的作用，其受力合理、自重輕、材料利用率高。

腹桿布置應盡量避免非節(jié)點載荷引起受壓弦桿局部彎曲，盡量使長腹桿受拉，短腹桿受壓，腹桿數(shù)量宜少，總長度要短，節(jié)點構造要簡單合理。外形輪廓越接近外載荷引起的彎矩圖形，其弦桿受力越為合理。37/2534.桁架結構的力學特征桁架結構桿件承受3738/253

桁架形式的確定一般與使用要求、桁架的跨度、載荷類型及大小等因素有關。焊接桁架的設計應滿足剛度、強度和穩(wěn)定性的要求。一般桁架的剛度多由桁架的高跨比控制，桁架結構的承載力主要靠各組成桿件的強度和穩(wěn)定性以及節(jié)點的強度來保證，桁架的整體穩(wěn)定性通過合理的布置支撐體系或橫向聯(lián)系結構來取得。桁架結構中焊縫強度計算比較簡單，只需確定焊縫有效截面后，按照承受拉力和或壓力計算公式，求出最大應力，滿足許用應力的要求即可。38/253桁架形式的確定一般與使用要求、桁架3839/2537.2.2板殼結構及其力學特征a)壓力容器b)飛機殼體c)汽車起重機d)門式起重機39/2537.2.2板殼結構及其力學特征a)壓力容器3940/253世界上最大的客機波音747（416人）、空客A380（840人）40/253世界上最大的客機波音747（416人）、空客A4041/253波音747-400空客A380翼展64.4米79.8米機長70.6米73.0米高——24.1米最高載客量416人840人最大商載65噸150噸起飛總重362～395噸——最大航程13570公里——貨位體積——1132立方米空客A380比波音747客機面積多出40％以上。41/253波音747-400空客A380翼展64.4米794142/2531.板殼結構分類及適用范圍

板殼結構是由板材焊接而成的剛性立體結構，鋼板的厚度遠小于其它兩個方向的尺寸，所以板殼結構又稱薄壁結構。（1）按照結構中面的幾何形狀分類，板殼結構又分為薄板結構和薄殼結構，薄板結構是中面為平面，薄殼結構是中面為曲面。42/2531.板殼結構分類及適用范圍板殼結4243/253

（2）按照用途分類，板殼結構可分為儲氣罐、儲液罐、鍋爐壓力容器等要求密閉的容器，大直徑高壓輸油管道、輸氣管道等，冶煉用的高爐爐殼，交通運載工具的輪船船體、飛機艙體、客車車體等等。另外還有以鋼板形式為主要制造原材料的箱體結構也屬于板殼結構，如汽車起重機箱形伸縮臂架、轉臺、車架、支腿，挖掘機的動臂、斗桿、鏟斗，門式起重機的主梁、剛性支腿、撓性支腿等。43/253（2）按照用途分類，板殼結構可分為儲氣罐、儲4344/253

（3）按照形狀分類，板殼結構可分球形、圓筒型、橢圓型、箱型等。

（4）按照厚度結構分類，板殼結構可分單層、雙層、多層和板架結構等。

44/253（3）按照形狀分類，板殼結構可分球形、圓筒4445/2532.板殼結構的基本形式（1）單壁結構

單壁結構只由一層鋼板拼接而成，承受拉伸應力的能力較強，而承受壓縮應力的能力較弱。對于有密封要求的壓力容器，為了避免較大應力集中的作用，主體結構往往采用單壁結構，其連接處均采用對接接頭。

（2）板架結構

為了提高板殼承受彎曲應力、扭曲應力和壓縮應力的能力，提高結構剛度和穩(wěn)定性，往往在45/2532.板殼結構的基本形式（1）單壁結構4546/253結構鋼板的內側加裝有肋板支撐，形成板架結構（圖7-6a），其骨架多為T形截面梁（圖7-6b）。板架結構可以承受多種類型的復雜載荷。

圖7-6板殼結構的骨架形式a)板架結構b)骨架形式a)b)46/253結構鋼板的內側加裝有肋板支撐，形成板架結構（圖74647/253

（3）箱形結構

箱型板殼結構主要是以板材經過冷或熱加工后形成截面為方形、長方形、圓形，具有縱向焊縫的結構形式，也可以采用型材焊接而成，其抗彎能力和穩(wěn)定性較強。在較大尺寸和特殊情況下，內部也可以加焊肋板以進一步提高其抗彎能力。

47/253（3）箱形結構箱型板殼結構主要4748/2533.板殼結構的力學特征板殼結構具有優(yōu)異的綜合力學特征，能夠承受多方向的拉、壓、彎、扭等形式的靜載、動載和疲勞載荷，具有較強的形狀穩(wěn)定性和抗變形能力。板殼結構類型不同，其力學特征也不盡相同。48/2533.板殼結構的力學特征板殼結構具有優(yōu)異4849/253

（1）壓力容器主要以單壁結構為主，承受較大的內部壓力。在殼體壁板上形成以拉伸應力為主的多種應力，如：內部壓力引起的薄膜應力、附加載荷引起的彎曲應力、幾何形狀不連續(xù)引起的二次彎曲應力、溫度差引起的溫度應力和焊接過程引起的殘余應力。這些拉伸應力有可能使得局部應力達到材料的屈服強度和斷裂韌性指標，造成變形和斷裂。49/253（1）壓力容器4950/253

（2）梁柱結構典型的板殼焊接結構形式，為了減輕自身的重量，往往采用薄板制造。梁柱的截面形狀大多數(shù)為箱形、工字形、圓形、T形等。

一般的梁承受均布或集中橫向彎矩力的作用。梁橫截面上存在正應力和切應力兩種應力，一般情況下，正應力是支配梁強度計算的主要因素，只有在某些特殊情況下，才需進行切應力強度校核。50/253（2）梁柱結構5051/253在橫向彎矩應力的作用下，橫截面上的正應力由下列公式計算：（7-1）式中，σ為橫截面上任意點處的正應力；M為橫截面上的彎矩；y為橫截面上任一點的縱坐標；

為橫截面對水平中性軸z的慣性矩。51/253在橫向彎矩應力的作用下，橫截面上的正應力5152/253由式(7-1)可知，橫截面上的正應力沿截面高度方向呈線性分布，在中性軸處的正應力為零，中性軸的上、下兩側截面分別受拉和受壓，在上、下邊緣處的正應力最大。

這些拉伸應力一般都遠小于薄板的拉伸強度，不會使板材產生拉伸屈服或斷裂，而有利的作用是使薄板更加平整和美觀。52/253由式(7-1)可知，橫截面上的正應5253/253但壓應力卻會給薄板帶來穩(wěn)定性的問題，如果薄板構件所受軸向壓應力小于臨界失穩(wěn)壓應力，即σa＜σcr，則可以認為薄板構件不會發(fā)生局部失穩(wěn)，反之則薄板結構將發(fā)生失穩(wěn)。輕者引起板材變形，重者導致薄板結構的失效。

一般的柱主要承受軸向壓力和受到偏心外力的彎曲力，應力是兩者產生的應力之和。細長壓桿的承載能力并不取決于軸向抗壓強度，而取決于受壓時是否能保持直線形態(tài)的平衡。53/253但壓應力卻會給薄板帶來穩(wěn)定性的問題5354/253若將外加壓力考慮成與軸線重合的理想長柱力學模型，則將長柱由直線穩(wěn)定平衡轉化為不平衡時所受到的軸向壓力的極限值稱為臨界壓力：(7-2)

式中，λ稱為壓桿的柔度或長細比，反應桿端約束情況、壓桿長度、截面形狀和尺寸等因素對臨界失穩(wěn)壓應力的綜合影響。54/253若將外加壓力考慮成與軸線重合的理5455/253（3）板材板材所具有的臨界失穩(wěn)壓應力為：（7-3）式中，δ為板厚；B為板寬；K為與拘束情況有關的系數(shù)。55/253（3）板材（7-3）5556/253可見板的厚寬比越小，越易發(fā)生失穩(wěn)。設計薄板結構最重要的問題是要保證其局部穩(wěn)定性，提高局部穩(wěn)定性的主要辦法是：合理設計構件的截面形狀、設置加強肋板、增加板厚或把薄板壓制成為帶凸肋和波紋形的構件，以期提高構件的臨界失穩(wěn)壓應力σcr

。56/253可見板的厚寬比越小，越易發(fā)生失穩(wěn)5657/2537.2.3實體結構及其力學特征a)減速器箱體b)水輪機轉輪c)齒輪d)機車用柴油機機身57/2537.2.3實體結構及其力學特征a)減速器箱5758/2531.實體結構分類及適用范圍

又稱為實腹式結構，其截面部分是連續(xù)的，一般由軋制型鋼制成，常采用角鋼、工字鋼、T形鋼、圓鋼管、方形鋼管等。構件受力較大時，可用軋制型鋼或鋼板焊接成工字形、圓管形、箱形等組合截面。

實體結構主要按其用途進行分類。在焊接結構產品中，實體結構主要應用于各種機器的機身和旋轉構件，如機床機身、鍛壓機械梁柱、減速器箱體、柴油機機身、齒輪、滑輪、皮帶輪、飛輪、鼓筒、發(fā)電機轉子支架、汽輪機轉子和水輪機工作輪等。

58/2531.實體結構分類及適用范圍又稱5859/2532.實體結構的基本形式實體結構的主體形式是箱型結構，其斷面形狀為規(guī)則或不規(guī)則的三邊形、四邊形或多邊形，也具有圓形結構。

典型實體結構是內燃機車柴油機焊接機身，其結構是由與主軸垂直和平行的許多鋼板焊接而成。與主軸平行的板狀元件有水平板、中側板、支承板、內側板和外側板，這些縱向的鋼板貫穿整個機身長度，內側板、中側板和外側板上端和頂板焊在一起，下端和主軸承座焊在一起。與主59/2532.實體結構的基本形式實體結構的5960/253

機車用柴油機機身60/253機車用柴油機機身6061/253軸垂直的鋼板下端與主軸承座焊在一起，上端與左右頂板焊在一起。這些縱橫交錯的板材形成了大小不一、形狀各異的箱格結構。實體結構焊接接頭形狀多樣，常有T型接頭和角接接頭，采用角焊縫連接。實體結構壁厚變化較大，不同厚度板材的對接接頭，在厚板上采取平緩過渡措施。由于實體結構中各部位的力學性能要求不一樣，常常采用鑄造或鍛造部件，因此實體結構多為鑄焊聯(lián)合結構或鍛焊聯(lián)合結構。61/253軸垂直的鋼板下端與主軸承座焊在一起，上端與左右頂6162/2533.實體結構的力學特征實體結構多為機器部件，受力復雜。由于承受負載重量、運動部件之間的作用力和運動時產生的慣性力，尤其部件之間的作用力往往是高周或低周循環(huán)的交變載荷，因此實體結構要具有較高的靜載強度和動載強度。實體結構也必須有足夠的剛度，以保證機器運行時，在承受各種作用力的情況下不致發(fā)生不可接受的變形。62/2533.實體結構的力學特征實體結構6263/253實體結構中的焊縫數(shù)量較多，且分布集中，不可避免存有嚴重的焊接殘余應力，這對結構尺寸的穩(wěn)定性有較大的影響，尤其是切削機床的機身要求尺寸穩(wěn)定性更高，所以這類焊接機身必須在焊后進行消除殘余應力處理。實體結構的板材或型材厚度比較大，對斷裂韌性有較高的要求，一般采用韌性比較高的低碳鋼和低合金高強鋼材料。采用對接接頭和全焊透的T形接頭，承受各種拉、壓、剪切、彎矩力的作用。

對于承受動載的結構，在焊接接頭設計上要考慮疲勞設計。63/253實體結構中的焊縫數(shù)量較多，且分布6364/2537.3焊接結構設計當金屬結構采用焊接方法制造時，必須做該產品的焊接設計。焊接產品設計包括焊接結構設計、焊接工藝設計、焊接設備設計、焊接工裝設計、焊接材料設計、焊接車間設計等，每一設計都有其詳細的具體內容。

焊接結構設計是焊接產品設計的中心內容，是在全面考慮了焊接接頭靜載力學性能、焊接變形與應力、焊接結構斷裂性能、疲勞性能、應力腐蝕破壞、高溫性能和焊接結構力學特征等特點的基礎上進行的。64/2537.3焊接結構設計當金屬結構6465/2537.3.1焊接結構的設計方法1.焊接結構設計的基本特點

（1）焊接結構的幾何形狀不受限制

只要具有足夠操作空間的金屬結構，都可以采用焊接結構。

（2）焊接結構的外形尺寸不受限制

任何大型的金屬結構，只要在起重和運輸條件允許的尺寸范圍，就可以把它劃分成若干部件分別制造，然后吊運到現(xiàn)場組裝焊接成整體。65/2537.3.1焊接結構的設計方法1.焊接結構設6566/253

（3）焊接結構的壁厚不受限制

被焊接的兩構件的材料厚度，可厚可薄，厚與薄相差很大的兩構件也能互相焊接。

（4）焊接結構的材料種類不受限制

在同一個結構上，可以按實際需要在不同部位配置不同性能的金屬材料，做到物盡其用，如復合齒輪等。66/253（3）焊接結構的壁厚不受限制被焊6667/253

（5）可以充分利用軋制型材組焊成所需要的結構

這些軋制型材可以是標準的，也可以按需要設計成專用的，這樣的結構重量輕、焊縫少。

（6）可以和其他工藝方法聯(lián)合制造

如設計成鑄-焊結構、鍛-焊結構、栓-焊結構、沖壓-焊接結構等。67/253（5）可以充分利用軋制型材組焊成所需6768/2532.焊接結構設計的基本要求

所設計的焊接結構應當滿足下列基本要求：（1）實用性

焊接結構必須達到產品所要求的使用功能和預期效果。（2）可靠性

焊接結構在使用期內必須安全可靠,受力必須合理，能滿足靜載強度、疲勞強度、韌性、剛度、穩(wěn)定性、抗振性和耐蝕性等各方面的要求。68/2532.焊接結構設計的基本要求所設6869/253（3）工藝性

金屬材料應具有良好的焊接性能，焊接結構必須能夠方便的進行焊接操作，能夠進行焊前預加工和必要的焊后處理，也具有焊接與檢驗操作的可達性。此外，焊接結構設計也應考慮機械化和自動化焊接的要求。（4）經濟性

制造焊接結構時，所消耗的原材料、能源和工時應最少，其綜合成本盡可能低。69/253（3）工藝性金屬材料應具有良好的6970/253

對一個具體焊接產品來說，這些基本要求必須統(tǒng)籌兼顧，它們之間的關系是：以實用性為核心，以可靠性為前提，以工藝性和經濟性為制約條件。此外，在可能的條件下還應注重結構的造型美觀。70/253對一個具體焊接產品來說，這些基本7071/2533.焊接結構設計的基本方法

對于大型復雜的焊接結構設計，一般分為初步設計、技術設計和工作圖設計三個工作階段。其中最重要的確定焊接結構形狀和尺寸的任務是在技術設計階段完成。從發(fā)展的角度來分，設計方法有傳統(tǒng)設計方法和現(xiàn)代設計方法，焊接結構設計目前大量采用的仍然是傳統(tǒng)設計方法，如許用應力設計法；大型或重要的焊接結構設計，逐漸采用現(xiàn)代設計方法中的可靠性設計法；隨著計算機和有限元方法的發(fā)展，對于焊接結構局部細節(jié)，已經開始采用有限元數(shù)值模擬輔助設計方法。71/2533.焊接結構設計的基本方法對7172/253（1）許用應力設計法

許用應力設計方法又稱安全系數(shù)設計法或常規(guī)定值設計法，是以滿足工作能力為基本要求的一種設計方法。對于一般用途的構件，設計時需要滿足的強度條件或剛度條件分別為：

工作應力≤許用應力

工作變形≤許用變形或者安全系數(shù)≥許用安全系數(shù)72/253（1）許用應力設計法7273/253

許用應力、許用變形和許用安全系數(shù)一般由國家工程主管部門根據(jù)安全和經濟的原則，按照材料的強度、載荷、環(huán)境情況、加工質量、計算精確度和構件的重要性等予以確定。在我國，鍋爐、壓力容器、起重機、鐵路車輛、橋梁等行業(yè)都在各自的設計規(guī)范中確定了各種材料的許用應力、許用變形和許用安全系數(shù)。73/253許用應力、許用變形和許用安全系數(shù)7374/253

在機械工程中可靠性設計是保證機械及零部件滿足給定可靠性指標的一種機械設計方法。與上述許用應力設計法不同，可靠性設計把與設計有關的載荷、強度、尺寸和壽命等數(shù)據(jù)如實地當作隨機變量，運用了概率理論和數(shù)理統(tǒng)計的方法進行處理。因而其設計結果更符合實際，做到既安全可靠而又經濟。對于重要的機械或要求質量小、可靠性高的構件都應采用這種設計法。（2）可靠性設計法74/253在機械工程中可靠性設計是保證機械7475/253

可靠性設計是一門新興學科，目前正處在積極發(fā)展和完善階段，設計所需的呈分布狀態(tài)的各種數(shù)據(jù)，有些還須試驗、采集和積累。在我國，按照GB50017—2003《鋼結構設計規(guī)范》規(guī)定，工業(yè)與民用房屋和一般構筑物的鋼結構設計，除疲勞強度計算外，應采用以概率理論為基礎的極限狀態(tài)設計方法，這是為了保證所設計的構件能滿足預期可靠度要求，必須使載荷引起在構件截面或連接中的應力效應小于或等于其強度設計值。

75/253可靠性設計是一門新興學科，目前正7576/253（3）有限元數(shù)值模擬輔助設計法

上述兩種方法都屬于數(shù)學中的解析方法，適用于焊接結構的整體形狀和尺寸的設計。對于焊接結構的局部細節(jié)來說，計算起來繁瑣而又不準確。

近年來，有限元數(shù)值模擬方法在焊接結構設計中的應用得到快速發(fā)展，逐漸形成了獨具特色的有限元數(shù)值模擬輔助設計法。與許用應力設計法或可靠性設計方法共同使用，彌補了這兩種方法的細節(jié)問題處理的不足，使得焊接結構更加安全可靠。76/253（3）有限元數(shù)值模擬輔助設計法上述7677/253

采用有限元數(shù)值模擬輔助設計方法來分析已設計焊接結構靜態(tài)或動態(tài)的物理系統(tǒng)，可以得出焊接結構局部區(qū)域的工作應力分布，尤其是焊接接頭的工作應力分布和應力集中狀態(tài)，從而改進連接節(jié)點和焊縫的形狀及尺寸設計。結合焊接熱過程知識，可以模擬焊接過程中焊接應力和變形的演變過程，改進焊接接頭位置和焊接順序的設計，進一步通過重新設計，調控焊接殘余應力分布。77/253采用有限元數(shù)值模擬輔助設計方法來7778/253結合斷裂力學知識，可以分析焊接缺欠甚至潛在缺陷區(qū)域的塑性變形范圍，評價焊接接頭的安全可靠性，改進焊接結構的局部設計。目前，常用的有限元數(shù)值模擬軟件有ANSYS、ABQUS、SAP2000等商業(yè)性有限元軟件，也可以針對特定的焊接結構在此基礎上二次開發(fā)。78/253結合斷裂力學知識，可以分析焊接7879/2537.3.2焊接結構設計的合理性分析1.從實用性和可靠性分析焊接結構的合理性

焊接結構種類繁多，焊接接頭形式多樣、焊接方法數(shù)以百計，設計者在設計時有充分的選擇余地。但是必須考慮焊接結構的實用性和焊接接頭的可靠性，以便選擇合理的基體材料和焊接材料，確定合理的焊接結構及接頭形式，盡可能發(fā)揮焊接結構的承載能力，提高使用壽命。79/2537.3.2焊接結構設計的合理性分析1.從實7980/253（1）合理選擇基體材料和焊接材料所選用的金屬材料必須同時能滿足結構使用性能和加工性能的要求。

使用性能包括材料強度、塑性、韌性、耐磨性、抗腐蝕性、耐高溫、抗蠕變性能等。對承受交變載荷的結構，要考慮材料的疲勞性能；對大型構件和低溫環(huán)境的材料還須考慮斷裂韌性的要求。80/253（1）合理選擇基體材料和焊接材料8081/253

加工性能主要是指材料的焊接性能，同時也要考慮其冷、熱機械加工的性能，如金屬切削、冷彎、熱切割、熱彎和熱處理等性能。全面考慮結構的使用性能，有特殊性能要求部位可采用特種金屬，其余部位采用能滿足一般要求的廉價金屬。例如，對于大型齒輪，齒面是工作面，要求具有較高的強度和耐磨性，可以用價格較高的合金材料，而輪輻及輪轂則可用一般的碳鋼材料。應當充分發(fā)揮異種材料可以焊接的優(yōu)勢。81/253加工性能主要是指材料的焊接性能8182/253焊接材料的選擇取決于與基體材料的匹配狀態(tài)，一般有成分匹配和強度匹配兩種形式。對于具有抗腐蝕性能要求的結構，按照成分匹配選擇焊接材料，即要求焊接材料熔覆金屬的化學成分與基體材料的化學成分相當，可以抵抗化學腐蝕、電化學腐蝕。大多數(shù)焊接結構是以強度匹配要求為主，依照焊縫金屬與母材金屬的屈服或斷裂強度的大小，分為高強匹配、等強匹配和低強匹配三種形式，這要依據(jù)材料的鋼種和具體結構形式而選擇。82/253焊接材料的選擇取決于與基體材料的8283/253（2）合理設計焊接接頭形式在各種焊接接頭中，對接接頭應力集中程度最小，是最為理想的接頭形式，應盡可能采用，質量優(yōu)良的對接接頭可以與母材等強度。但用蓋板“加強”對接接頭

(圖7-7a,b)是不合理的接頭設計，尤其是單蓋板接頭的動載性能更差。角焊縫接頭應力分布不均勻，應力集中程度大，動載強度低，但這種形式接頭是不可避免的，采用時應當采取適當措施提高其動載強度。83/253（2）合理設計焊接接頭形式在各8384/253單面焊丁字接頭(圖7-7c)是不合理的接頭設計，難以承受Fy的橫向力和M彎矩力的作用，應改為雙面焊丁字接頭，這樣承載能力會大幅度提高。

搭接接頭裝配簡單，但應力集中程度大，多數(shù)情況下搭接接頭是可以改為對接接頭的。84/253單面焊丁字接頭(圖7-7c)8485/253圖7-7不合理的接頭形式(a)單蓋板對接接頭(b)雙蓋板對接接頭(c)單面焊丁字接頭85/253圖7-7不合理的接頭形式(a)單蓋板對接接頭8586/253（3）合理布置焊接接頭位置盡管質量優(yōu)良的對接接頭可以與母材等強度，但是考慮到焊縫中可能存在的工藝缺陷會減弱結構的承載能力，設計者往往把焊接接頭避開工作應力最高位置。對于工作條件惡劣的結構，焊接接頭盡量避開截面突變的位置，至少也應采取措施避免產生嚴重的應力集中。86/253（3）合理布置焊接接頭位置盡管質8687/253圖7-8平封頭的連接形式a)角接接頭b）準對接接頭

小直徑的壓力容器采用大厚度的平封頭。圖7-8a所示的角接接頭應力集中嚴重，承載能力低。如果在平封頭上加工一個槽(圖7-8b)，角接接頭就成為準對接接頭，這樣就改善了接頭的工作條件，避免在焊縫根部產生嚴重應力集中。87/253圖7-8平封頭的連接形式小直8788/253圖7-9支耳的布置形式

在集中載荷作用處，必須有較高剛度的依托。例如兩個支耳直接焊在工字鋼的翼緣上(圖7-9a），背面沒有任何依托，在載荷作用下支耳兩端的焊縫及母材上應力很高，極易產生裂紋。若將兩支耳改為一個，焊在工字鋼翼板的中部，支耳背面有腹板支撐(圖7-9b)，在受力時有可靠的依托，則應力分布較為均勻，其強度得到保證。a)背面無依托的支耳b)背面有依托的支耳88/253圖7-9支耳的布置形式在集中88圖7-10工字梁的連接兩個工字鋼垂直連接時，如果兩者直接連接而不加肋板(圖7-10a)，則連接翼緣和柱的焊縫中應力分布不均，焊縫中段應力較高。如果按應力均勻分布進行設計，焊縫中段可能因過載而發(fā)生斷裂。若在柱上加焊肋板(圖7-10b)，則應力分布均勻，承載能力將大大提高，是比較合理的結構形式。89/253a)無肋板結構b)有肋板結構圖7-10工字梁的連接兩個工字鋼垂直連接8990/253

工字梁的對接方式有多種形式，最簡單的對接方式如圖7-11(a)所示，焊接順序1→2→3→4→5。但這種對接方式有個最大的缺點，就是由于焊縫金屬不可避免地存在焊接缺陷，焊縫金屬集中在一個橫截面上，一旦局部出現(xiàn)問題，很容易影響整個截面的安全性。采用圖7-11(b)所示的對接方式，焊縫金屬互相錯開，出現(xiàn)問題互不影響，這就使得對接區(qū)域的安全性得到較大提高。焊接順序1→2→3→4→5可以使得下翼板預制壓應力，上翼板預制拉應力，使工字梁承受更大的外載荷或提高安全性。90/253工字梁的對接方式有多種形式，最簡9091/253圖7-11工字梁的水平對接(a)(b)91/253圖7-11工字梁的水平對接(a)(b)9192/253總之，合理的焊接接頭設計不僅能保證結構的焊縫和整體的強度，還可以簡化生產工藝、降低制造成本。設計焊接接頭時應掌握以下原則：焊縫位置不要布置于最大應力處、載荷集中處、截面突變處；焊縫位置盡量能夠處于平焊位置；焊接變形和應力小；焊接接頭位置便于檢驗。部分不合理的焊接接頭設計及改進后的設計形式見表7-3。92/253總之，合理的焊接接頭設計不僅能9293/253表7-3焊接接頭的合理性（接下頁）93/253表7-3焊接接頭的合理性（接下頁）9394/253（續(xù)上頁）94/253（續(xù)上頁）9495/2532.從工藝性和經濟性分析焊接結構的合理性

焊接結構的制造工藝性和經濟性是緊密相關聯(lián)的，工藝性不好的結構不僅制造困難，往往提高產品的制造成本。它們與備料工作量、結構形狀尺寸、焊接操作可達性、產品的批量、設備條件、制造工藝水平和技術人員水平等許多因素有關。（1）焊接結構的備料工作量焊接結構制造工藝及成本在很大程度上與備料工作有關。95/2532.從工藝性和經濟性分析焊接結構的合理性9596/253

以厚度為40mm的對接接頭坡口加工為例，對接焊縫的每米長焊縫金屬量隨坡口形式而異，V形坡口需要14kg，X形坡口需要7.6kg，U形坡口需要8.3kg，雙U形坡口需要7.2kg。從填充材料量和焊接工作量來看，雙U形坡口最經濟，但是從坡口加工方法來看，雙U形坡口必須機械切削加工，而X形坡口可以氣割加工，所以雙U形坡口加工費用較高，直邊坡口加工容易。綜合考慮，采用X形坡口較好。96/253以厚度為40mm的對接接頭坡口9697/253對于要求焊透的厚板，不管是對接接頭、T形接頭還是角接接頭等，都要求開坡口。坡口的形式和尺寸主要根據(jù)鋼結構的板厚、選用的焊接方法、焊接位置和焊接工藝等來選擇和設計。

總體原則是：焊縫金屬填充量盡量少，具有良好的可達性，坡口的形狀容易加工，便于調控焊接變形。97/253對于要求焊透的厚板，不管是對接接頭9798/253（2）焊接結構形式與焊接工藝選擇

如圖7-12所示的帶錐度的彎管，可以分別采用鑄造、鍛造和焊接的方法制造。圖7-12(a)適于鑄造方法制造，批量大尺寸小時，較為經濟。采用焊接方法制造時，圖7-12(b)所示的結構形式比較適合，適合于大尺寸小批量生產。如果生產批量很大，則可以將彎管分成兩半壓制成形，然后拼焊，這個方案焊接工作量可以減少。從這個實例可以得出結論，結構的合理性和生產條件密切相關。98/253（2）焊接結構形式與焊接工藝選擇9899/253圖7-12彎管頭形式a)鑄造方法制造b)焊接方法制造99/253圖7-12彎管頭形式99100/253（3）焊縫的可焊到性和可檢測性

必須使結構上每條焊縫都能方便地施焊和方便地進行質量檢查。保證焊縫周圍有供焊工自由操作和焊接裝置正常運行的條件，需要質量檢驗的焊縫，其周邊應該能有足夠的空間進行探傷操作。盡量使焊縫都能在工廠中焊接，減少工地焊接量；減少焊條電弧焊接工作量，擴大自動焊焊接工作量；雙面對接焊時，操作較方便的一面用大坡口，施焊條件差的一面用小坡口。必要時改用單面焊雙面成型的接頭坡口形式和焊接工藝。100/253（3）焊縫的可焊到性和可檢測性100101/253每條焊縫都應當安排在便于施焊的位置上，但實際結構往往有的焊縫處于不便施焊的位置。例如，如圖7-13所示3500噸壓力機的活動橫梁，梁的長度為9m，縱向肋板與腹板距離太近，底部焊縫施焊不便，焊工處于不方便的操作位置。設計者往往忽略了這個問題，不僅造成施焊勞動條件很差，而且難以保證焊接質量，這需要改進原始設計方案。圖7-14(a)是一些可焊到性較差的焊縫位置，圖7-14(b)是改進后的焊縫位置，其可焊到性提高，但這還依賴于構件的大小和施焊空間的位置。101/253每條焊縫都應當安排在便于施焊101102/253圖7-13壓力機的活動橫梁

圖7-14可焊到性的舉例

a)不好b)好(a)(b)102/253圖7-13壓力機的活動橫梁圖7-14102103/253

必須充分考慮裝配焊接次序對可焊到性的影響，以保證裝配工作能順利進行。采暖鍋爐的前臉，由兩塊平行的鋼板組成，兩塊鋼板相距

100mm，板間用許多拉桿支承，內部承受壓力。如果把拉桿與兩塊鋼板連接設計成如圖7-15(a)所示的形式，則工藝性極差很不合理。試想把數(shù)百個拉桿焊在鋼板上，必然引起嚴重的翹曲變形，焊后再把數(shù)百個拉桿同時對準另一塊鋼板上的數(shù)百個孔，這顯然是難以實現(xiàn)的。把拉桿和鋼板的連接形式改成如圖7-15(b)所示的形式，則裝配和焊接方便，焊后變形也很小。103/253必須充分考慮裝配焊接次序對可焊103104/253圖7-15鍋爐前臉拉桿連接形式a)單邊鉆孔結構b)雙邊鉆孔結構104/253圖7-15鍋爐前臉拉桿連接形式104105/253（4）減少焊接工作量

減少焊接工作量有利于降低焊接應力、減小焊接變形和焊接缺陷的可能性，它包括減少焊縫的數(shù)量和焊縫填充金屬量。

在保證焊透的前提下對接焊縫選用填充金屬量最少的坡口形式。在保證強度要求的前提下，角焊縫盡可能用最小的焊腳尺寸。盡量選用軋制型材，利用沖壓件代替一部分焊件，角焊縫多且密集的部位，可用鑄鋼件代替。105/253（4）減少焊接工作量減少焊接工105106/253

焊接變形是生產上常遇到的問題，合理的焊接結構設計焊后應變形較小。把復雜的結構分成為幾個部件制造，盡量減少最后總裝配時的焊縫，對于防止結構總體變形是有利的。例如貨車底架的橫梁與中梁裝配，按圖7-16(a)所示的結構形式來總裝配，上下板是一塊通長的鋼板，上翼板與腹板間的翼緣焊縫必須在裝配之后焊接，焊后橫梁兩端向上翹起。（5）焊接變形的控制106/253焊接變形是生產上常遇到的問題，106107/253圖7-16火車橫梁連接形式a)整體制造b)分段制造

如果把橫梁上翼板分成為兩段，則橫梁可以分成兩個部件制造，總裝時把上翼板用對接焊縫連接起來（見圖7-16b），這樣既降低了總裝時的焊接工作量，而且也減少了焊接變形。107/253圖7-16火車橫梁連接形式107108/253

合理的焊接結構設計還應保證焊接工作有良好的勞動條件。處于活動空間很小的位置施焊，或者在封閉空間操作，對操作者健康十分有害。故容器設計時應盡量選用單面V型或U型坡口，并用單面焊雙面成形的工藝方法確保焊透，使焊接工作在容器外部進行，把在容器內部施焊的工作量減少到最低限度。（6）操作者勞動條件的改善108/253合理的焊接結構設計還應保證焊接108109/253

合理利用材料就是要力求提高材料的利用率，降低結構的成本，設計者和制造者都必須考慮這個問題。在劃分結構的零、部件時，要合理安排、全面考慮備料的可能性，盡量減少余料?？梢圆捎矛F(xiàn)代化的數(shù)控排料軟件和下料設備進行備料工作。盡可能選用軋制的標準型材和異型材，通常軋制型材表面光潔平整、質量均勻可靠，不僅減少了許多備料工作量，還減少了焊縫數(shù)量，可以降低焊接應力、減小焊接變形。（7）材料的合理利用109/253合理利用材料就是要力求提高材料109110/253

節(jié)省材料與制造工藝有時發(fā)生矛盾，在這種情況下必須全面分析。例如降低結構的壁厚可以減輕重量，但是為了增強結構的局部穩(wěn)定性和剛性必須增加更多的加強肋，因而增加了焊接和矯正變形的工作量，產品的成本很可能反而提高。一些次要的零件應該盡量利用一些邊角余料。例如橋式起重機主梁的內部隔板可以用邊角余料拼焊而成(圖7-17)，雖然增加幾條短焊縫，可是節(jié)省了整塊鋼板。110/253節(jié)省材料與制造工藝有時發(fā)生矛盾110111/253

充分挖掘材料潛力也可以節(jié)省材料。例如把軋制的工字鋼按鋸齒狀切開(見圖7-18a)，然后再按圖7-18(b)所示的結構形式焊接成為鋸齒合成梁，在重量不變的情況下剛性可以提高幾倍。這種梁適用于跨距較大，而載荷不高的情況。111/253充分挖掘材料潛力也可以節(jié)省材111112/253圖7-17箱型梁的拼焊隔板

圖7-18鋸齒合成梁a)合成前b)合成后112/253圖7-17箱型梁的拼焊隔板圖7-112113/2537.3.3焊接結構設計中應注意的問題（1）

考慮自動化焊接的結構設計近年來，焊接過程自動化得到飛速發(fā)展，自動化、智能化、機器人焊接技術已經應用于焊接結構的制造中。因此，焊接結構的設計應當考慮這些技術的特點，在焊縫位置、接頭形式、焊接順序、操作空間等方面給予支持，不僅提高焊接質量，也極大的提高焊接生產效率。113/2537.3.3焊接結構設計中應注意的問題113114/253（2）

考慮現(xiàn)代化生產管理的結構設計大型焊接結構采用部件組裝的生產方式有利于工廠的組織與管理。要合理進行分段，要綜合考慮起重運輸條件、焊接變形的控制、焊后處理、機械加工、質量檢查和總裝配等因素，力求合理劃分、適于組織、便于管理。114/253（2）考慮現(xiàn)代化生產管理的結114115/253隨著計算機技術與信息化的快速發(fā)展，部分大中型企業(yè)已經建立了基于網(wǎng)絡信息的現(xiàn)代生產管理系統(tǒng)，實現(xiàn)了從產品設計、任務下達、任務分解到班組生產的無紙化信息傳遞，極大地提高了生產效率，降低了產品生產周期，促進了全面質量管理水平提高。焊接結構設計應當主動適應現(xiàn)代生產管理系統(tǒng)的要求，更加有利于生產組織與管理。115/253隨著計算機技術與信息化的快速發(fā)115116/2537.4焊接結構實例分析

焊接結構的應用實例數(shù)以千計，結構類型多種多樣，僅全焊接結構的產品就不勝枚舉。本節(jié)列舉工程應用中常見的具有代表性的大型全焊焊接結構，論述其結構類型、力學特征、焊接接頭設計要點以及介紹典型的焊接結構產品。

116/2537.4焊接結構實例分析焊接結構的應用116117/2537.4.1壓力容器加氫反應器儲氣罐球形容器LNG船117/2537.4.1壓力容器加氫反應器儲氣罐球形容器117118/253壓力容器結構形式屬于板殼結構?；趬毫θ萜鞒惺軌毫Υ蟆⑹褂铆h(huán)境惡劣和密封性強的要求，焊接技術成為制造壓力容器的最佳方法，對于大型壓力容器而言也可以說是唯一的方法。1.壓力容器的分類壓力容器的分類方法很多，常用的分類如表7-4所示。118/253壓力容器結構形式屬于板殼結構。118119/253分類類

別工作溫度低溫容器常溫容器高溫容器一般容器T≤-20℃-20℃<T<350℃T≥350℃常溫常壓容器工作壓力常壓容器低壓容器中壓容器高壓容器超高壓容器P<0.1MPa非密封容器0.1MPa≤P<1.6MPa1.6MPa≤P<10MPa10MPa≤P<100MPaP≥100MPa工作用途貯罐類鍋爐類化工反應釜類冶金行業(yè)類特殊用途類立、臥儲罐、球罐、儲氣罐等。工業(yè)鍋爐和電站鍋爐及其鍋筒等。反應器（罐）、蒸煮球、合成塔、洗滌塔等。高爐、平爐、轉爐、熱風爐、水泥窯爐等。核容器、潛艇、航天航天器等。形狀圓筒形容器球形容器水滴狀容器臥式、立式容器。球罐，同等容積表面積最小，裝氣體時，表面受力均勻。裝液體時，表面受力均勻一致。鋼板厚度薄壁容器厚壁容器多層容器：

或

或采用幾層或十幾層疊加制造。安全管理第一類壓力容器第二類壓力容器第三類壓力容器綜合考慮設計壓力、容積大小和介質的危害程度等因素而進行劃分的，其中第三類壓力容器對設計、制造和檢驗的要求最嚴格。表7-4壓力容器常用的分類注：d為鋼板厚度，

Dw為容器外直徑，Dn為容器內直徑。119/253分類類別工作低溫容器常溫容器高溫容器一119120/2532.壓力容器的力學特征（1）強度計算

薄壁容器的壁厚比其直徑小很多，應力在壁板厚度上可視為均勻分布，按薄膜應力計算。厚壁容器壁厚較大，厚度上的應力分布不可忽視，按最大應力計算。計算方法如表7-5。120/2532.壓力容器的力學特征（1）強度計算120121/253類型薄壁球形容器薄壁圓筒形容器厚壁容器示意圖受力特點厚度上應力分布均勻，壁板中各方向應力相等。厚度上應力分布均勻；環(huán)向應力是軸向應力的2倍。壁厚較大，厚度上的應力分布不可忽視。在厚度方向上，σt為恒值拉應力，σθ變拉應力，σr變壓應力，在筒壁內側面處，兩者同時達到最大值?；竟奖?-5壓力容器的強度計算注：σθ為環(huán)向應力(MPa)；σt為軸向應力(MPa)；σr為厚度方向應力(MPa)；Dw為外徑；Dn為內徑。121/253類型薄壁球形容器薄壁圓筒形容器厚壁容器示受力厚121122/253（2）焊接接頭力學特征

壓力容器的焊接接頭承受著與殼體相同的各種載荷、溫度和工作介質的物理化學作用，不僅應具有與殼體基體材料相等的靜載強度，而且應具有足夠的塑性和韌性，以防止這些受壓部件在加工過程中以及在低溫和各種應力的共同作用下產生脆性破裂。在一些特殊的應用場合，接頭還應具有抗工作介質腐蝕的性能。因此，對焊接接頭性能要求的總原則是等強度、等塑性、等韌性和等耐蝕性。122/253（2）焊接接頭力學特征122123/2533.壓力容器焊接接頭設計單層受壓殼體上的焊接接頭按其受力狀態(tài)及所處部位可以分成A、B、C、D、E五類，如圖7-19所示，其設計要求見表7-6。123/2533.壓力容器焊接接頭設計單123124/253圖7-19壓力容器焊接接頭的分類124/253圖7-19壓力容器焊接接頭的分類124125/253分類接頭類型焊接接頭設計要求A類指圓柱形殼體筒節(jié)的縱向對接接頭，球形容器和凸形封頭瓜片之間的對接接頭，球形容器的環(huán)向對接接頭，鑲嵌式鍛制接管與筒體或封頭間的對接接頭，大直徑焊接三通支管與母管相接的對接接頭。A類和B類焊縫必須為全焊透對接焊縫的接頭形式，一般為雙面焊接頭形式，也可采用單面開坡口的接頭形式。單面開坡口的接頭應采用氬弧焊完成全焊透的封底焊道，或在焊縫背面加臨時襯墊或固定襯墊，采用適當工藝保證根部焊道與坡口兩側完全熔合。為避免相鄰焊接接頭殘余應力的疊加和熱影響區(qū)的重疊，焊縫之間的距離至少應為壁厚的3倍，且不小于100mm。焊縫及其附近不應直接開管孔，焊縫應布置在不直接受彎曲應力作用的部位。B類指圓柱形、錐形筒節(jié)間的環(huán)向對接接頭，接管與筒節(jié)間及其與法蘭相接的環(huán)向對接接頭，除球形封頭外的各種凸形封頭與筒身相接的環(huán)向接頭。表7-6壓力容器中的設計要求（接下頁）125/253分類接頭類型焊接接頭設計要求A類125126/253C類法蘭、平封頭、端蓋、管板與筒身、封頭和接管相連的角接接頭，內凹封頭與筒身間的搭接接頭以及多層包扎容器層板間縱向接頭等。不必要求采用全焊透的接頭形式，而采用局部焊透的T形接頭。低壓容器中的小直徑法蘭甚至可以采用不開坡口的角焊縫來連接，但必須在法蘭內外兩面進行封焊，這可以防止法蘭的焊接變形。D類接管、人孔圈、手孔蓋、加強圈、法蘭與筒身及封頭相接的T形或角接接頭。常用接頭形式有：插入式接管全焊透T形接頭、局部焊透T形接頭、帶補強圈接管T形接頭、安座式接管的角接接頭以及小直徑法蘭和接管的角接接頭。E類吊耳、支撐、支座及各種內件與筒身或封頭相接的角接接頭，既非受壓件與受壓部件相連接的搭接接頭。采用雙面開坡口的全焊透角焊縫的接頭形式，主要用于吊耳、支架、角撐等承載部件與殼體的連接。（續(xù)上頁）126/253C類法蘭、平封頭、端蓋、管板126127/2534.圓筒形容器結構與接頭的設計

（1）圓筒形容器的結構組成鍋筒是水管鍋爐中最重要的受壓部件之一，是典型的圓筒形容器，如圖7-20，主要由筒體、封頭、下降管和接管等組成。圖7-20鍋筒的典型結構1-筒體2-封頭3-下降管4-接管127/2534.圓筒形容器結構與接頭的設計（127128/253附圖韓國ABC鍋爐生產的WNS燃油燃氣蒸汽鍋爐128/253附圖韓國ABC鍋爐生產的WNS燃油燃氣128129/253（2）圓筒形容器焊接接頭的設計

a.縱向焊縫和環(huán)向焊縫

設計和制造這種容器應盡量避免應力集中，全部采用全焊透對接接頭，并且使焊縫和母材之間平滑過渡。為了保證焊縫雙面成形良好，施焊時應在焊縫背面設置可拆卸式的臨時墊板。圓筒形容器的縱向焊縫必須與母材等強度，環(huán)向焊縫的工作應力只有縱向焊縫的一半，因此對環(huán)向焊縫的強度要求較低。各筒節(jié)間的環(huán)向焊縫以及筒節(jié)和封頭間環(huán)向焊縫一般都采用埋弧自動焊方法施焊。129/253（2）圓筒形容器焊接接頭的設計129130/253

b.容器上的支管連接

在鍋爐汽包、壓力容器、球罐等容器上，需要焊接各種類型的管道、支管等。下降管管接頭與筒體的連接，由于接頭的拘束度較大，焊接殘余應力較高，受力狀態(tài)較復雜且應力集中系數(shù)高，故應采用圖7-21(a)所示的全焊透接頭形式。對于直徑小于133mm的接管允許采用局部焊透的接頭形式，但坡口的形狀和尺寸必須保證足夠的焊縫厚度，如圖7-21(b)所示。130/253b.容器上的支管連接在130131/253對于薄殼容器采用圖7-21(c)的加強板插入式接管。當壁厚較大或支管直徑較小時，可如圖7-21(d)貫穿型直接插入，雙面焊縫焊透為佳，也可以采用圖7-21(b)所示平置式安放接管，焊縫單面焊透。(a)(b)(c)(d)圖7-21容器上支管焊接方式插入式全焊透接頭(b)安座式接管接頭

(c)加強板插入式接管接頭

(d)貫穿型插入式接管接頭131/253對于薄殼容器采用圖7-21(131132/253

c.管板連接

管子與管板之間的接頭形式有如圖7-22所示的各種方案，大多數(shù)方案是把管子穿入管板的孔中，從外面施焊，為了降低焊縫的拘束度，在管板上加工出來一個環(huán)形溝槽(圖7-22a)。為使管子與管板更緊密配合，在施焊之前把管子端部向外擴張(圖7-22b)，焊后管子端部再向外擴張一次，以降低殘余應力，更加有利。132/253c.管板連接管子與管板132133/253管板接頭在工作中可能受到較大彎曲應力，最大應力處于管板表面，將焊縫置于管板中間，焊縫將處于低應力區(qū)(圖7-22c)。圖7-22(d),(e)所示的接頭采用對接焊縫，受力情況最好，但裝配工藝復雜，并且需要用特殊的氣體保護焊炬施焊。在圖7-22中，每個圖的中心線左側表示焊前，右側表示焊后。133/253管板接頭在工作中可能受到較大彎133134/253(a)環(huán)形溝槽焊接

(b)脹管焊接

(c)沉管焊接(d)翻邊對接

(e)環(huán)形溝槽對接圖7-22管板連接134/253(a)環(huán)形溝槽焊接134135/253

d.開孔與補強

筒體與封頭上開設孔后，開孔部位的強度被削弱，一般應進行補強。補強措施有管補強，即管子的壁厚增加（圖7-23a）；補強