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海工钢管构件对接焊缝应力集中系数分析

作　者: 齐赵敏
导　师: 李怡
学　校: 重庆交通大学
专　业: 水工结构工程
关键词: 海工焊接钢结构 环向对接焊缝 应力集中系数 热点应力 平面内弯矩 轴向拉力 有限元方法
分类号: TG404
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要


焊接钢结构以其承载能力强、自重较轻等优势在海洋工程结构物中得到了广泛的应用。然而，在制作和加工工程中往往会焊接缺陷的产生，并且有些焊接钢结构是在其几何形状不连续处进行焊接的，这些都将导致焊缝部位产生应力集中。在交变荷载作用下，应力集中部位很容易产生疲劳裂纹，导致结构发生疲劳破坏。因此，研究焊接钢结构焊缝应力集中问题，对于计算热点应力，以及预测结构疲劳寿命具有重要的意义。国内外学者已经对焊接钢管环向对接焊缝应力集中系数进行了大量的研究，但是这些研究大多是针对轴向力作用引起的焊缝应力集中系数。海洋结构物受力复杂，只考虑轴向力作用的情况，远远不能满足实际工程需要。因此，针对应力集中系数问题研究的不足，本文在前人研究的基础上，以平板假设为理论基础，分别推导了轴向力与平面内弯矩共同作用下等壁厚钢管环向对接焊缝应力集中系数近似计算方法，以及平面内弯矩作用下、轴向拉力与平面内弯矩共同作用下变壁厚钢管环向对接焊缝应力集中系数近似计算方法。并采用有限元分析软件ANSYS对不同的焊缝情况进行模拟，建立不同外径不同壁厚的一系列钢管模型。通过施加轴向力、平面内弯矩以及两者相结合，得到不同荷载作用下的应力集中系数的数值模拟结果，与近似计算结果相比较，验证近似计算方法的有效性。结果显示:近似计算结果与模拟值具有相同的变化规律，并发现管壁厚、壁厚过渡是影响焊缝应力集中系数的主要因素，而管外径的变化对应力集中系数的影响较小。本文近似计算方法可用来估算复杂荷载工况下钢管构件环向对接焊缝处的应力集中系数，为结构疲劳寿命预测提供参考。最后以某高桩码头为例，使用本文推导的近似估算方法，得到各工况下典型排架下桩基焊缝应力集中系数估算值，对各桩焊缝应力集中效果进行评价，为实际工程应用提供参考。

全文目录


摘要  3-4
ABSTRACT  4-8
第一章 绪论  8-13
  1.1 海工钢管构件对接焊缝应力集中问题研究背景  8-9
  1.2 钢管构件对接焊缝应力集中问题研究现状  9-12
    1.2.1 国外研究现状  9-10
    1.2.2 国内研究现状  10-12
  1.3 本文研究内容  12-13
第二章 应力集中基本理论  13-19
  2.1 应力集中  13-16
    2.1.1 应力集中的起因及力学意义  13-14
    2.1.2 应力集中系数  14-16
  2.2 环向对接焊缝应力集中产生的影响因素  16-17
  2.3 环向对接焊缝应力集中对钢管构件疲劳强度的影响  17-18
    2.3.1 疲劳基本概念  17
    2.3.2 应力集中对构件疲劳性能的影响  17-18
  2.4 本章小结  18-19
第三章 等壁厚圆钢管对接焊缝应力集中系数研究  19-42
  3.1 应力集中系数近似计算方法  19-24
  3.2 等壁厚圆钢管对接焊缝偏位应力集中系数数值模拟  24-34
    3.2.1 分析假定条件  25-26
    3.2.2 等壁厚圆钢管有限元模型的建立  26-31
    3.2.3 有限元模型网格划分模式验证  31-34
  3.3 数值模拟结果分析  34-40
  3.4 本章小结  40-42
第四章 变壁厚圆钢管对接焊缝应力集中系数  42-85
  4.1 壁厚过渡位于管壁内侧的环向对接焊缝  42-66
    4.1.1 无管节偏位的环向对接焊缝  42-53
    4.1.2 厚壁端管节外偏的环向对接焊缝  53-60
    4.1.3 薄壁端管节外偏的环向对接焊缝  60-66
  4.2 壁厚过渡位于管壁外侧的环向对接焊缝  66-83
    4.2.1 无管节偏位的环向对接焊缝  66-72
    4.2.2 厚壁端管节外偏的环向对接焊缝  72-78
    4.2.3 薄壁端管节外偏的环向对接焊缝  78-83
  4.3 本章小结  83-85
第五章 工程实例  85-102
  5.1 桩身内力计算  85-95
    5.1.1 工程概况  85-86
    5.1.2 模型的建立  86-88
    5.1.3 荷载作用  88-90
    5.1.4 计算结果  90-95
  5.2 钢管桩环向对接焊缝应力集中系数分析  95-100
  5.3 本章小结  100-102
第六章 结论与展望  102-106
  6.1 本文主要工作  102-105
    6.1.1 近似计算公式的推导  102-104
    6.1.2 工程实例分析  104-105
  6.2 进一步展望  105-106
致谢  106-107
参考文献  107-110
在校期间发表的论著及取得的科研成果  110

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中图分类: > 工业技术 > 金属学与金属工艺 > 焊接、金属切割及金属粘接 > 焊接一般性问题 > 焊接结构的应力与变形
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