U肋加劲板焊接残余应力数值模拟分析

通过数值模拟和实验方法对U 肋加劲板焊接残余应力进行了估算和分析,建立了三维热弹塑性有限元模型,采用生死单元法模拟焊缝填充和焊接热输入过程,实现了整个焊接过程中的动态应力和变形变化,得到了U肋加劲板的焊接温度场和应力场,分析了U 肋加劲板的焊接残余应力分布,并与残余应力测试试验结果比较.结果显示:U 肋加劲板近焊缝区残余拉应力达到材料屈服强度,母板远离焊缝区残余压应力平均值约为材料屈服强度的0.2 倍,其分布趋势与实验测试得到的残余应力分布比较接近,证明了所采用的焊接数值模拟方法的正确性.     

高强度钢加劲板焊接残余应力测试及分析

为研究高强度钢的板肋加劲板焊接残余应力分布特点,该文利用切割法对板肋加劲板试件进行了应力测试研究,建立了三维实体热弹塑性有限元模型,采用单元生死和动态约束技术模拟焊缝填充和焊接热输入过程,对比分析了高强度钢和普通钢的应力分布特点,比较研究了母板厚度、肋板厚度、肋板间距和高度对焊接残余应力的影响。研究结果表明:板肋加劲板T型接头角焊缝的焊接顺序与残余应力的分布不相关;高强度钢非焊接区域残余压应力小于普通钢;板件厚度和肋板高度是影响高强度钢的板肋加劲板焊接残余应力的主要因素。     

平板焊接接头纵向残余应力修正估算公式

为研究不同焊接参数对平板焊接接头残余应力大小的影响规律, 采用ANSYS软件, 建立了大量焊接试件的三维热弹塑性有限元模型, 对其温度场和应力场进行了数值模拟. 根据数值模拟结果, 考虑不同焊接参数、焊道数以及板件热流分配系数的影响, 对拉应力区半宽的计算公式进行了修正. 在此基础上, 采用指数函数对纵向焊接残余应力进行了拟合, 得到了预测不同焊接接头纵向残余应力分布规律和大小的修正估算公式. 最后设计了多组焊接构件模型, 采用盲孔法实测了其残余应力大小和分布规律, 并与估算公式的计算结果进行了对比, 结果表明:两者吻合良好, 验证了该文修正残余应力估算公式的有效性.     

具有初始几何缺陷加劲板的动态屈曲

针对工程中常用的加劲板,研究了动态屈曲的求解方法。将加劲板分为母板与加劲肋两个部分考虑,其中母板按经典薄板理论计算,加劲肋视为Euler梁。假定加劲板的位移,利用Hamilton原理结合系统能量和振型叠加法建立了加劲板的动态屈曲特征方程。最后,选择四边简支加劲板进行数值分析,分析中考虑初始几何缺陷的影响,并讨论了初始几何缺陷、加劲肋的数量及其刚度的变化对动态屈曲临界荷载的影响。结果表明：一阶模态的初始几何缺陷对加劲板的临界荷载影响很大,而增加加劲肋的数量及其刚度可以提高加劲板的抗动态屈曲能力。研究结果也为加劲板的结构设计方法提供一定的参考。     

具有初始应力加劲板的非线性动力学特性

针对工程结构中常用的加劲板,研究了其在初始应力作用下的非线性振动特性。将母板与加劲肋分开考虑,其中母板按薄板理论考虑,加劲肋按Euler-Bernoulli梁理论考虑,根据母板与加劲肋的应力与应变关系建立系统的应变能表达式,同时结合系统的动能表达式,并利用Lagrange方程建立系统的非线性动力微分方程。运用椭圆函数求得加劲板单模态的非线性频率,采用同伦分析方法求解加劲板的3∶1内共振。通过参数分析,重点讨论初始应力变化对系统非线性动力特性的影响,并得出初始应力的存在对加劲板非线性动力特性的影响规律。     

304不锈钢薄壁管件纵缝焊接接头残余应力数值模拟研究

目的 采用数值模拟方法代替传统测量方法,以准确模拟不锈钢薄壁管件焊接接头残余应力分布规律及预热温度对焊接残余应力的影响规律。方法 采用TIG焊接方法对304不锈钢进行圆管纵缝焊接试验,以最优焊接工艺参数为基础,基于ABAQUS有限元仿真软件,采用热力完全耦合模型,在DFLUX子程序中运用Fortran语言对模型进行汇编以完成ABAQUS的二次开发,模拟薄壁管件纵缝焊接热力耦合过程,并在模拟结果上添加预热温度为150 ℃的预热工艺。结果 304不锈钢薄壁管件焊接过程中会产生较大的残余应力,局部区域接近管材的屈服应力。纵向残余应力趋于焊缝中心方向由压应力转化为拉应力,焊缝中心横向应力承受压应力,并且随着向焊缝两侧移动,横向残余应力值逐渐趋近于0。焊缝厚度方向上的径向应力值变化幅度较小。预热可以有效降低不同方向上的焊接残余应力,其中对纵向残余应力的改善最为明显。结论 数值模拟方法能够准确计算出不锈钢薄壁管件焊接接头残余应力分布,预热处理能够有效降低接头残余应力。     

初始应力对三维光学轮廓法测试焊接接头残余应力的影响

目的研究不同初始应力状态下,三维光学轮廓法测试焊接接头残余应力的变化规律。方法采用MIG焊分别对供货态与去应力退火态试板进行多层多道焊,焊后试板经慢走丝切割,经三维光学测量技术扫描切割面轮廓,将所得轮廓数据经所建立的数据处理平台处理,将其结果作为有限元计算的边界条件,经应力反算得到残余应力分布。最后再进行有限元模拟,计算焊接接头残余应力。结果含初始应力、去应力退火和数值模拟的焊缝中心均为拉应力区,最大拉应力分别为480, 450, 523 MPa,且都位于焊缝根部区域。三者试板两侧为压应力区域,最大压应力分别为380, 280, 157 MPa,三者数值相差较大。结论将含有初始残余应力试板、退火处理试板与数值模拟结果的残余应力分布进行对比,可以发现三者在焊缝中心处的残余应力分布较为一致,但沿着焊缝向两侧的区域内,应力差别逐渐变大。主要原因为焊接热循环温度高于金属再结晶温度时可以消除部分残余应力,而温度循环较低时对应力消除不明显,导致实验结果相差较大。     

对接试板焊接残余应力实测与数值模拟

使用压痕法对两副对接试板进行了表面焊接残余应力测试，并通过焊接有限元仿真获得了对接试板焊接残余应力分布规律，对比分析了表面残余应力实测和数值模拟结果。分析结果表明，焊接残余应力数值仿真结果和压痕法实测结果趋势一致，数值相差不大，残余拉应力峰值实测为599 MPa,仿真结果为597 MPa,表明数值模拟方法可预测焊接残余应力；焊缝及热影响区最大纵向残余应力属于拉应力，而最大横向残余应力为压应力，横向残余应力峰值低于纵向残余应力峰值；等效应力(Mises应力)峰值792 MPa,高于试板材料在常温下的初始屈服强度，表明该材料具有明显的加工硬化现象。     

Q235钢墙板-Q460高强钢立柱结构体系残余应力分布试验研究

在箱式钢结构中起主要承载作用的侧面墙板-立柱结构体系中,受墙板蒙皮支撑作用的高强钢立柱,其残余应力分布受与墙板焊接连接过程影响,与独立工作焊接H形截面构件有较大差异。为研究Q235钢墙板—Q460高强钢立柱结构体系的残余应力分布规律,采用盲孔法对6个结构体系试件和2个独立Q460高强钢焊接H形截面试件进行了试验研究。基于测量数据,得到了所有试件的全截面残余应力分布,分析了墙板与立柱焊接连接、截面尺寸等因素对残余应力分布的影响,并研究了截面各板件间残余应力的相互影响及自平衡性。结果表明：立柱与墙板的焊接在一定程度上降低了立柱后翼缘中部的最大残余拉应力,减小了后翼缘残余压应力的分布范围,对前翼缘和腹板无明显影响;残余拉应力幅值与截面尺寸无直接关系,残余压应力随着板件宽厚比的增大而减小;各板件间残余应力存在相互影响作用,前翼缘、腹板以及后翼缘与墙板组合板件这3部分分别满足自平衡。提出了适用于Q235钢墙板—Q460高强钢立柱结构体系的较为准确和安全的残余应力分布数学模型,为后续研究受墙板蒙皮支撑的高强钢立柱稳定性奠定基础。     

国产Q460高强度钢材焊接工字形截面残余应力试验及分布模型研究

焊接残余应力是影响钢结构受压构件整体稳定性能的一种重要初始缺陷. 为研究国产Q460高强度钢材焊接工字形截面的残余应力分布, 该文采用分割法对8个不同截面尺寸和焊缝类型的截面试件进行了测量. 基于近2000组测量数据, 得到了不同试件全截面的残余应力分布和拉、压应力大小, 并研究了腹板和翼缘的板件宽厚比、板件厚度、焊缝类型以及腹板和翼缘的相关性等因素对残余应力的影响. 试验结果表明, 残余压应力的数值大小与截面尺寸直接相关而基本不受焊缝类型的影响, 残余拉应力的大小则与截面尺寸没有相关性;由于翼缘和腹板内的残余应力能够分别满足自平衡条件, 二者没有相互间的影响作用. 最后, 该文提出了能够准确描述试验结果和截面尺寸影响的国产Q460高强钢焊接工字形截面的残余应力分布模型和计算公式.     

爆炸载荷作用下双向加筋方板的大挠度塑性动力响应

从分别列出加筋板面板以及加强筋的运动方程出发,分析了爆炸载荷作用下双向加筋固支方板的大挠度塑性动力响应。分析表明:取决于加强筋的相对刚度以及爆炸载荷峰值的大小,加筋板的运动将呈现3种不同的模式。该文限于讨论加筋板的总体变形模式,具体讨论了十字加筋以及双十字加筋固支方板在忽略弯矩影响下的薄膜解法。理论结果与已有的试验结果在多数情况下符合良好,表明该文提出的简化理论分析方法能对爆炸载荷下双向加筋方板的永久变形做出较为合理的预报。     

An extended layerwise/solid-element method of stiffened composite plates with delaminations and transverse crack

The stiffened composite plates with the transverse crack and delamination were studied in this paper, and an extended layerwise/solid-element (XLW/SE) method was developed. In the proposed method, the governing equations of composite plates and stiffeners were established based on the extended layerwise method and 3D solid elements, respectively. The final governing equation of stiffened composite plates is assembled by using the compatibility conditions and internal force equilibrium conditions at the joint interface between the plates and stiffeners. For the stiffened composite plates with damages, the XLW/SE method can obtain the local stress and displacement fields accurately and simulate the in-plane transverse cracks and delaminations simultaneously, considering complicated stiffeners without any assumptions. In the numerical examples, the results obtained by the proposed method are compared with those obtained by the 3D elastic models developed in the general finite element code, and the good agreements were achieved for the stiffened composite plates with/without delaminations and/or transverse crack.     

Experimental Investigation Into the Fatigue of Welded Stiffened 350WT Steel Plates Using Neutron Diffraction Method

Abstract: The propagation of fatigue cracks under constant amplitude cyclic loading was studied in welded stiffened steel plates. The residual stresses in the stiffened plates were measured using the neutron diffraction strain‐scanning technique. The neutron diffraction measurements indicated that, in general, the residual stresses were tensile near the welded stiffeners and compressive between the stiffeners and ahead of the starter notch tips. Fatigue testing indicated that the fatigue crack growth rates of the stiffened plates were, in general, lower than that of a corresponding unstiffened plate, especially near the notch tips, where compressive residual stresses existed. An analytical method, using Green's function, was developed to predict the fatigue crack growth rates. Reasonable accuracy was obtained.     

联肢加劲钢板剪力墙滞回性能试验研究与数值分析

完成了3个1/3比例的3层联肢钢板剪力墙试件的低周反复加载试验。3个试件的钢板剪力墙分别采用非加劲、槽钢竖向加劲和井字加劲的形式,钢板剪力墙的竖向边缘构件采用方钢管混凝土。得到了联肢钢板剪力墙试件的荷载-位移滞回曲线和破坏形态,对试件的骨架曲线、应力发展、延性及耗能能力等进行了分析。采用有限元软件ABAQUS对试件进行了数值模拟。结果表明:非加劲和槽钢竖向加劲墙板先屈曲后屈服,井字加劲墙板先屈服后屈曲,墙板屈服后连梁与钢板剪力墙边框梁相继屈服。方钢管混凝土柱脚屈服较早,屈服后仍具有良好的承载力和弹塑性变形能力。采用非加劲墙板的试件承载力最低,滞回环捏缩效应最严重,其次是采用槽钢竖向加劲墙板的试件。采用井字加劲墙板的试件滞回环较饱满。井字加劲和槽钢竖向加劲试件的峰值荷载分别比非加劲试件的峰值荷载提高了11.7%和6.9%,井字加劲和槽钢竖向加劲试件的等效黏滞阻尼系数分别比非加劲试件的等效黏滞阻尼系数提高了65.9%和19.9%。各试件的延性系数均大于4.5,表明不同加劲形式的联肢钢板剪力墙均具有良好的延性。数值分析与试验结果吻合较好,可充分地反映试件的滞回性能和破坏过程。加劲肋对连梁和边缘构件的内力影响较小,但可显著提高剪力墙板的抗剪承载力。相较于两片单肢钢板剪力墙,联肢钢板剪力墙的承载力和耗能能力均有大于20%的提高。     

含损伤复合材料AGS 板的屈曲特性

采用有限元数值模拟方法, 研究了蒙皮内含分层损伤复合材料格栅加筋板结构(AGS) 的稳定性问题。对蒙皮和肋骨分别采用基于Mindlin 一阶剪切理论的复合材料层合板单元和层合梁单元来模拟, 推导了相应的有限元列式, 并通过坐标变换, 利用蒙皮与肋骨的几何连续条件, 形成了AGS 的单元刚度阵和几何刚度阵, 建立了含损伤AGS 稳定性分析的有限元控制方程。通过典型算例, 研究了压缩载荷作用下, 分层形状、分层大小、分层深度、肋骨的高度和宽度、布置方式等因素对AGS 的稳定性特征的影响。数值结果表明, 含分层损伤的AGS 具有十分复杂的屈曲性态。屈曲临界力和屈曲模式与分层面积、分层形状、分层深度、肋骨的高度和宽度、布置方式和位置均密切相关。      

Boundary element analysis of shear deformable stiffened plates

In this paper a boundary element formulation for analysis of shear deformable stiffened plates is presented. The formulation is derived by coupling boundary element formulation of shear deformable plate and two-dimensional plane stress elasticity. Both concentric and eccentric stiffeners have been considered. The interaction forces between stiffeners and the plate are treated as either line distribution or area distribution of body forces along the attachment. A rectangular stiffened plate and a circular stiffened plate under uniform load are analysed by the proposed method. Good agreement has been achieved compared with other published results.     

竖向闭口加劲钢板剪力墙在非均匀压力下的弹性稳定性研究

对非均匀压应力作用下设置多道竖向闭口加劲肋的钢板剪力墙进行了有限元弹性屈曲分析,得到了屈曲临界应力随加劲肋加劲系数变化的曲线,以及各情况下的门槛刚度值。加劲肋门槛刚度随偏压系数增大而减小,随加劲肋数目增多而增大,随小区格宽高比增大而减小,随加劲肋扭弯比增大而减小。提出了竖向闭口加劲钢板剪力墙弹性屈曲加劲肋门槛刚度的近似计算公式,公式计算结果偏于安全。     

用耦合有限元／边界元方法研究加筋板的声传输

采用耦合的有限元／边界元方法,建立了考虑流体结构耦合的加筋板结构声传输计算模型,并利用该模型计算研究了加筋板的声传输特性。数值计算表明：结构的传声损失与结构的固有频率和激励频率密切相关,避免共振仍是产要的;改变板厚或肋骨惯性矩后,由于结构固有频率发生了变化会使得结构传声损失曲线上极小值的位置发生改变;当声波从空气经结构向空气中传递时,增大板厚或肋骨惯性矩可明显增大结构的传声损失;而当声波从空气经结构向水中传递时,增大板厚或肋骨惯性矩也增大了结构的传声损失,但效果明显不如当声波从空气经结构向空气中传递时显著。