十字形板-焊接空心球节点热点应力集中的有限元分析及试验研究

十字形板-焊接空心球节点作为网架结构设置悬挂吊车常见的吊点形式之一,其节点的热点应力集中程度直接关系到其疲劳性能。基于ANSYS有限元分析和节点静力试验,重点针对该类节点中热点位置和应力状态进行分析;采用多因素分析法对以5种因素匹配而成的21个节点模型进行模拟。静力试验和有限元分析结果表明:节点板肋端部焊缝焊趾球面处为最不利位置,即节点热点;节点热点处径向应力远大于环向应力,两者相差1.5~3.3倍;焊接空心球直径、十字形板厚与节点热点应力正线性相关,其余3种因素与其热点应力负线性相关;基于上述5种因素,初步建立了该类节点热点应力集中系数的计算式。     

钢管混凝土桁架焊接节点热点应力集中系数研究

钢管混凝土桁架焊接节点构造复杂,焊缝区域应力集中程度高,是疲劳易损部位。根据钢管混凝土桁架2种主要节点构造形式——焊接管节点和管-板焊接节点,利用有限元软件ANSYS分别建立了K型相贯节点、管-板节点和扫把型节点空间模型,基于国际焊接协会(IIW)和挪威船级社(DNV)提出的热点应力计算方法,进行节点连接焊缝处热点应力的数值分析。分别讨论了主管受拉、支管在典型荷载作用下,焊接节点焊趾处的热点应力集中系数。结果表明:管节点热点剪应力幅很小,热点正应力集中系数较大;管-板节点应力集中程度低,最大热点应力集中出现在管-板节点的节点板端部;扫把型节点应力集中特性与管-板节点相似,但构造相对复杂。依照基于热点应力S-N曲线的疲劳性能评估方法,钢管混凝土桁架结构采用管-板节点时,具有较好的抗疲劳性能。     

受压焊接空心球节点高温试验研究

为研究受压焊接空心球节点火灾下的性能,利用高温试验炉,对不同空心球外径和壁厚、钢管外径和壁厚、钢材屈服强度和荷载比的6种受压焊接空心球节点试件进行了高温作用下的试验研究,得到了其在高温下的温度分布、位移特征和破坏形式,并研究了对其极限耐火时间的影响因素;根据欧洲规范,对受压焊接空心球节点高温作用下的性能进行了非线性有限元数值模拟,分析了节点的温度场分布规律和影响因素。通过分析高温作用下节点的位移变化特征,确定了其破坏模式;试验结果和有限元分析结果进行了对比,二者吻合较好。研究结果表明：增大焊接钢管壁厚和降低焊接空心球节点实际承受的荷载可以有效地延长受压焊接空心球节点的极限耐火时间;钢管根部是高温作用下受压焊接空心球节点的薄弱部位。图13表2参9     

圆钢管混凝土K型焊接管板节点受力性能试验

为研究格构式钢管混凝土风力发电机塔架K型焊接管板节点的受力性能,进行了4个圆钢管混凝土K型焊接管板节点的单调静力加载试验和1个空心圆钢管K型焊接管板节点的对比试验,探讨了该类节点的破坏模式、极限承载力以及节点区应力分布和发展规律,研究了各试验参数对节点受力性能的影响。试验结果表明:塔柱内混凝土的填充使得焊接管板节点的破坏模式由节点交汇处塔柱管壁塑性变形失效转变为节点板失效和腹杆失效;节点的极限承载力大幅增加,变形减小;节点几何参数和构造参数的变化对试件受力性能的影响较大;当节点板中部设置加劲肋时,节点的承载力提高,节点板平面外失稳得以避免;当节点极限承载力由腹杆屈曲或屈服承载力控制时,在一定范围内随着腹杆与塔柱管径比和壁厚比的增加,节点的承载力提高。     

鸟嘴式K形方管节点疲劳性能试验研究

为研究鸟嘴式K形方管节点的疲劳性能,设计制作8个节点试件开展支管面内受荷工况下的疲劳试验。首先对试件进行静力加载,通过二次外推法得到焊趾处的热点应力值和应力集中系数(SCF),探明此类节点的热点应力分布规律和敏感热点位置。在此基础上开展高周常幅疲劳荷载试验,重点研究节点的疲劳破坏模式、裂纹扩展规律、刚度退化性能以及特征疲劳寿命等。结果表明：方型鸟嘴式K形搭接节点的最大SCF位于支管搭接区,其他节点的最大SCF均位于冠部支管热点;疲劳裂纹萌生于SCF最大值位置,并在萌生后较短时间内扩展贯穿壁厚;疲劳裂纹贯穿壁厚之后的节点刚度退化明显,但累计刚度退化在10%以内;IIW和API规范的S N曲线可用于常规壁厚的鸟嘴式节点疲劳寿命预测,其对薄壁鸟嘴式节点的适用性还有待验证。     

焊接管节点疲劳研究综述

为加深对焊接管节点疲劳问题的认识,对焊接管节点名义应力法、热点应力法、切口应力法和断裂力学法4种常用疲劳评估方法应用现状和存在问题进行介绍,从疲劳效应（热点应力集中系数）和抗力（热点应力幅S N曲线）2个方面对首推的热点应力法研究现状进行总结,探讨了管节点结构形式的发展趋势。结果表明:焊接管节点常用四大疲劳评估方法中名义应力法应用最广,但过于保守,热点应力法最被推崇,但仍有待进一步完善,切口应力法实施难度大,尚未在规范中使用,断裂力学法则适用于剩余疲劳寿命评估;对于传统的圆形和矩形钢管节点,已形成了较为系统的热点应力评估方法,对热点应力集中系数最大值可能发生位置、外推区域、热点应力集中系数计算公式、壁厚效应修正系数等方面进行了明确的规定;在传统的圆钢管和矩形钢管节点基础上,创新节点形式,提出了钢管混凝土节点、PBL加劲型钢管混凝土节点、圆管 方管节点和鸟嘴式节点,对比传统钢管节点,钢管混凝土节点热点应力集中系数降幅在25%以上,PBL加劲型矩形钢管混凝土节点降幅在50%以上,圆管 方管节点和鸟嘴式节点降幅则介于圆形钢管和矩形钢管节点之间。     

焊接管节点结构形式发展及疲劳性能对比

为研究不同类型焊接管节点疲劳性能差异,梳理焊接管节点结构形式发展和构造创新,总结各类节点热点应力集中系数静力试验和疲劳试验成果,回归分析给出各类节点用于疲劳设计的热点应力幅-循环次数(S_h-N)曲线,并从热点应力幅曲线和热点应力集中系数两方面,对比各类节点疲劳性能差异。结果表明:对于S_h-N曲线,当钢管板厚t≤4 mm时,焊缝缺陷成为影响疲劳强度的主要因素,使得疲劳强度显著降低;现行规范中,CIDECT规范(Design guide No.8)的S_h-N曲线对各类节点设计均偏于危险,DNV-RP-C203的S_h-N曲线可适用于方形鸟嘴式钢管节点和钻石形鸟嘴式钢管节点疲劳设计,但对于其他节点设计偏危险;API RP 2A-WSD中的X’曲线的疲劳强度低于X曲线的,X’曲线适用于鸟嘴式节点和传统的圆形、矩形钢管节点及相应的主管内填混凝土节点设计,X曲线对任何节点设计均偏危险;在相同的几何参数β、2γ和τ(β、2γ、τ分别为支主管宽度比、主管宽厚比及支主管厚度比)下,各类节点的疲劳性能优劣顺序为,圆形钢管混凝土节点、圆形钢管节点、矩形钢管混凝土节点、矩形钢管节点;圆管-矩形钢管混凝土节点疲劳性能略优于矩形钢管节点的疲劳性能,圆管-矩形钢管节点疲劳性能劣于矩形钢管节点的疲劳性能;当β≤0.7时,建议采用方形鸟嘴式钢管节点和钻石形鸟嘴式钢管节点。     

冲压成型过程对焊接空心球节点力学性能影响研究

焊接空心球节点在制作和焊接过程中，会引起壁厚减薄率和焊接残余应力等初始缺陷，从而导致节点的力学性能的明显变化。采用有限元数值模拟方法，研究了焊接空心球节点制作和焊接过程中，壁厚减薄率和焊接残余应力的形成机理，研究了其对焊接空心球节点极限承载力的影响规律，发现壁厚减薄率和焊接残余应力对节点力学性能有较为显著的影响，建议在今后设计时适当考虑。     

焊接空心球节点荷载-位移曲线双线性模型研究

利用ANSYS11.0,采用实体单元建模、线性强化的应力-应变关系和Von-Mises屈服准则,对焊接空心球节点进行弹塑性分析,采用弧长法跟踪球节点的荷载-位移曲线.首先利用试验数据验证了计算模型的正确性;然后对焊接空心球节点进行大量有限元分析,发现节点的荷载一位移曲线具有明显规律,并利用回归分析得出了与焊接球尺寸和偏心有关的屈服系数和刚度系数公式;接着利用正交设计方法,拟合所得数据,给出了与尺寸有关的焊接球节点初始轴向刚度和弯曲刚度公式;最后回归分析得到与尺寸和偏心有关的节点的极限承载力公式,从而最终确立了荷载-位移曲线的双线性模型.     

火灾下焊接空心球节点的温度场分析

基于火灾高温下网格结构的应力特征和火灾性能,按照EuroCode 3和国际标准升温曲线(ISO834 ),对焊接空心球节点火灾高温下的性能进行了非线性有限元数值模拟.研究了焊接空心球节点火灾高温下温度场的分布规律和影响因素.研究结果表明,通过降低焊接空心球节点实际承受的荷载比和外焊钢管的厚度可以有效延长其极限耐火时间,并且焊接空心球节点在受拉时的极限耐火时间比受压时的长.     

平面外弯矩下Y型主方支圆钢管节点热点应力集中系数研究

对平面外弯矩作用下Y型主方支圆钢管节点进行了数值分析。基于不同几何参数,采用有限元方法建立Y型主方支圆钢管节点模型。依据有限元分析结果,计算节点热点应力及热点应力集中系数,并与已有试验结果进行对比验证。通过分析主、支管间焊缝的热点应力集中系数分布,得出热点应力集中系数的分布形式受节点几何构型的影响较小,且热点应力集中系数一般在鞍点处达到最大值。基于几何参数对鞍点处热点应力集中系数影响的分析结果,由回归分析建立计算Y型主方支圆钢管节点鞍点处热点应力集中系数的经验公式,并通过与有限元分析结果的对比,验证了经验公式计算结果的正确性。     

加劲肋厚度对焊接球节点承载力的影响分析

目前加劲肋厚度对焊接空心球节点性能影响的研究不多,至今没有一部结构设计规范明确提出加劲肋厚度对焊接球节点强度的影响大小。如何经济、安全地选取加劲肋厚度是值得思考的问题。为有效评估加劲环板厚度对焊接球承载力的影响,运用有限元软件ABAQUS建立带肋焊接空心球节点模型,提出焊接空心球内部加劲肋的构造壁厚取值方法,同时研究了在受压和受拉情况下,不同加劲肋厚度对焊接球承载力的影响。     

球外肋板加固焊接空心球节点的轴拉力学性能

由于锈损、火灾或地震损伤、荷载变化等因素,在役空间网格结构常会承载力不足,需要进行加固.针对空间网格结构中常用的焊接空心球节点,通过8个球外加肋试件的轴拉破坏试验和有限元参数化数值分析,研究了球外加肋对焊接空心球节点的加固效果,得出如下结论:1)轴拉作用下,焊接空心球、钢管与肋板连接处应力发展较快,最先达到屈服,而未加...     

网架焊接空心球节点静力及疲劳性能研究

焊接空心球节点是网架结构合理的节点型式。本文从理论和试验两方面对其静力及疲劳性能进行了试验研究。利用有限元计算和大量应变实测基本摸清了单向受拉弹性阶段球面应力分布的规律,通过理论及200多个试验数据的综合分析,提出了新的简单、合理的承载力计算公式。通过四种规格15个试件的疲劳试验,得到了S-N曲线,借助薄壳理论分析求得SCF计算公式,并将热点应力幅的概念用于研究,建立了适用于各种管球配合的剖口焊情况下疲劳验算方法。     

支管轴力和弯矩联合作用下T形圆钢管相贯节点热点应力分析与计算北大核心CSCD

支管荷载形式对节点的应力集中系数影响很大,利用ANSYS有限元程序模拟了T形圆钢管相贯节点在三种基本荷载(支管轴力、平面内弯矩以及平面外弯矩)单独作用下的热点应力分布曲线以及应力集中系数,分析结果与试验结果、文献公式计算结果进行了对比,结果吻合良好,表明该模型较为精确地模拟了T形节点的应力分布。进而利用该模型研究了T形圆钢管相贯节点在基本荷载及其不同联合荷载作用时的热点应力分布情况,获得了最大热点应力及其分布位置,分析同时考虑了无量纲几何参数对最大热点应力的影响。在API规范公式的基础上,提出了计算最大热点应力的修正公式,按修正计算式计算得到的值与有限元分析结果吻合良好,且具有较好的适用性。     

上海旗忠网球中心屋盖支座圆管节点强度研究

以上海旗忠网球中心可开闭屋盖支座节点为工程背景,探讨了由7根支管和1根主管焊接而成的复杂空间多支管节点静力强度。首先进行了两个1∶3的缩尺模型节点静力对比试验,一个节点的主管中不设置加劲板,另一个节点在主管内设置了环向加劲板。试验研究了节点的破坏模式、应力分布、塑性发展、承载能力,观察了加劲板对节点性能的影响。其次,应用有限元方法对两个所试验的模型节点受力性能进行了数值分析,将计算结果与试验结果作了比较,表明有限元数值分析有效可靠。最后,讨论了增强复杂管节点强度的措施,进行了环向加劲板构造参数的有限元分析。研究表明主管径大壁薄、多支管的空间圆管节点在支管有拉有压的情况下很容易发生主管屈服破坏,设计时建议在主管内布置环向加劲板来保证节点刚度和强度,须根据支管轴力大小、拉压性质、支管与主管相交位置等因素来精心设计加劲板的位置和数量。加劲板的厚度不宜小于主管的壁厚,加劲板中心开孔的直径不宜大于0.5倍的主管直径。     

钻石鸟嘴式方管T形节点热点应力集中系数分析

钻石鸟嘴式节点是桁架式方管结构中一种新的焊接节点型式,本文基于疲劳性能研究的需要,应用有限元方法,分别分析了在支管受轴力和平面弯矩作用下这种T形节点的热点应力集中系数SCF,考察了节点无量纲几何参数β,2γ,τ对SCF的影响效应,并将这种新型节点的SCF与传统方管节点的SCF进行了比较.分析表明钻石鸟嘴式节点在支管轴力作用下,支管和主管的热点应力位置都出现在鞍点;在支管平面弯矩作用下,支管和主管的热点应力位置都出现在冠点;钻石鸟嘴式节点的热点应力集中系数显著低于传统方管节点,意味着前者比后者具有更好的疲劳强度.     

焊接空心球平板网架整体模型的建立及分析

借助ANSYS对焊接空心球平板网架模型进行整体静力分析,研究了关于设置吊车位置对网架疲劳问题的影响,得出了各构件的疲劳影响程度,进而了解了管一球节点的球面应力分布规律.     

平面内弯矩下Y型主方支圆钢管节点热点应力集中系数

文中采用有限元方法对平面内弯矩作用下的Y型主方支圆钢管节点进行数值分析,建立152个不同几何参数的Y型主方支圆钢管节点有限元模型,在模型中精确考虑主管和支管间焊缝的复杂几何形状。基于有限元分析结果,计算节点热点应力及热点应力集中系数,通过与文献试验结果的对比验证了数值分析结果的可靠性。对主、支管间焊缝的热点应力集中系数分布进行分析,结果表明, 不同几何构型节点热点应力集中系数的分布形式基本相同,热点应力集中系数在?=0°（冠趾）、?=135°及?=180°（冠根）等关键位置达到最大值。讨论几何参数对关键位置热点应力集中系数的影响,并通过回归分析建立计算Y型主方支圆钢管节点关键位置热点应力集中系数的经验公式。经验公式结果与有限元分析结果吻合度较高,用经验公式计算Y型主方支圆钢管节点关键位置热点应力集中系数具有较高的准确性。     

受压加肋焊接空心球节点抗火试验研究

为研究火灾下受压加肋焊接空心球节点的性能,对2个足尺节点进行受火试验。通过试验得到了加肋焊接空心球节点在标准火灾下的节点表面温度场、不同荷载下节点的耐火时间、破坏形式以及位移特征。根据欧洲规范,建立了三维加肋焊接空心球节点的有限元模型,分析了火灾下节点温度发展规律及位移特征。有限元分析结果与试验结果的对比验证了有限元分析的正确性。研究结果表明：升温过程中,加肋焊接空心球节点中远离加劲肋处的球壳温度最高,靠近加劲肋以及钢管连接处的球壳温度较低;火灾下受压加肋焊接空心球节点的破坏具有突然性,破坏发生在钢管与球节点的连接处;荷载比大的球节点耐火时间短。