文献翻译——CHS-板角焊缝T型接头的有限元应力集中系数概要

CHS 板角焊缝 T 型接头的有限元应力集中系数 S Kr anski G Turkalj 里耶卡大学工程学院工程力学系 里耶卡 Vukovarska 58 摘要 各种机械部件的疲劳寿命分析 受多种因素影响 但是 在焊接组件的情况下 影响这些结构类型的疲劳寿命的额外的变量 JElitigue 分析可以甚至更具挑战性的 许多这些产生影响水平的应力集中的因素在组件中发生的 因此 确定这些应力集中 是正确计算疲劳寿命最重要的 本文中对角焊缝的 T 形接头进行建模 有限元法和有 限元网格分析 网格模型根据 IIW 建议及来自其他作者的实验数据和一个简单的解析 解的成果进行了比较 由有限元模型分析计算的应力集中系数被认为是高于那些从实 验数据插值 但与不同管壁厚度和不同的负载更一致的值 1 简介 各种机械部件的疲劳寿命分析是一项复杂而艰巨的任务 这是受全局和局部的几 何形状 材料 加载类型等诸多因素的影响 在焊接元件的情况下 疲劳分析可以甚 至远远更具挑战性的 因为在这些结构类型下有许多影响疲劳的变量 当确定给定组 件以及前面提到因素的应力集中 必须考虑到残余应力 局部变化的几何形状 材料 的局部变化等等 在这些挑战下 研究人员对准确测定焊接构件的应力集中和疲劳寿 命开发新的以及更好的方法和程序已经做了很多的努力 在发展中所包含的国家或国 际标准 他们的努力促成了如确定疲劳的方法的多样性 例如 欧洲规范 标准 2 IIW 焊接接头和组件的疲劳设计建议 3 等等 这些方法通常通过确定的几何形状 和负载的类型 然后将其在一个与相应的 SN 曲线的预定类中来评估疲劳寿命 随后 疲劳寿命是由 SN 分析手算的名义应力的联合 这种方法的问题是 有时 不管有多少不同类别的关节之类的共同标准 不能很 容易地确定 在这种情况下 焊接接头类的一个错误的选择可能导致所在计算的疲劳 寿命的一个显着错误 为了尽量减少这个问题的发生 新的合资类型和新的类通常被 添加到标准 使各种焊接接头的分类可以更容易 4 5 尽管有许多这些简单的计算的 情况 但不能确定以所需精确度的一个组件的寿命 所以要使用先进的方法 这些方 法包括使用有限元模型 FEM 分析 FEA 和测定的线性或非线性弹性塑料应力场 当执行 FEA 的焊接构件 分析师关心的主要问题之一是 在焊缝附近的应力集中 尽 可能准确计算 因为它们是在这样的组件疲劳的主要原因 在焊缝附近的网格单元的 尺寸和类型 最重要的是精确计算的应力集中 从线状弹性有限元分析模型的应力集中出现的主要问题之一是在几何的急剧变化 武汉科技大学本科毕业论文外文翻译 1 的点应力奇异性的发生 此问题无法通过简单的精炼有问题区域附近的网格 因为致 密的网状需要更精密的计算出的应力集中 因此 如果我们细化网格 将总是得到计 算压力的上升 但是 这肯定是不准确地表述现实 因为这个问题 在过去数十年 大量的研究人员研究了应力奇异性出现的焊接构件的有限元分析 建议其结果用来更 新这样的组件的标准啮合 因此 本文关注对这些 T 联合组成的圆形空心截面 CHS 和板的建议的正确性 从线弹性分析的有限元分析结果进行比较分析的解决 方案 以及实验结果从 F R mashiri 及 X L zhao 6 和根据 IIW 3 得到热点应力集中 的有限元分析结果 2 CHS 板 T 型接头 本文 CHS 板 T 形接头的几何和载荷与 FRMashiri 和 Xi Zhao 5 6 进行的实验中 的是相同的 实验结果来自于这些被用来比较的论文 2 1 建模的 T 形接头的几何形状和材料 CHS 板的 T 形接头的几何 6 模型可以在本文图 1 中看出 使用焊脚长度为 a 6 毫米 T 形接头的主要尺寸见表 1 建模材料的主要性能见 Mashiri Zhao 5 6 的论 文 表 2 图 1 CHS 板 T 型接头的几何形状与应变计的位置获取的实验数据 6 表 1 CHS 板 T 型接头的主要尺寸 T型接头板 CHS d x t CHSP l048 3mm x 3 2mm CHSP 2 200mmx200mmx 10mm 042 4mm x 2 6mm 武汉科技大学本科毕业论文外文翻译 2 CHSP 3042 4mm x 2 0mm 表 2 材料特性 材料属性 钢种 C350L0 规格 AS1 163 1991 屈服强度 350 MPa 抗拉强度 430 MPa 2 2 分析模型 负荷和额定压力 基于上一个实验设定 6 分析模型和负载值进行外推 图 2 和表 3 使用基于上述分析模型 图 2 上 而忽略剪切应力梁理论 标称应力 CHS 部件的任 何横截面的表达式 1 lzll W zF z xi 1 从表达式 1 中 最大的标称应力计算方法如下 2 xi nom W lF max 武汉科技大学本科毕业论文外文翻译 3 图 2 分析模型与图表的应力 弯矩和横向力 2 3 结构应力 由于这种分析模型被简化了 它既不考虑全局或局部在几何上的变化 也没有考 虑在应力分布和应力集中发生的变化 另一方面 通过有限元分析 我们可以得到一 个对应力分布及应力集中的发生非常详细深刻的理解 正如前面提到的 使用 FEA 的 主要问题之一是在几何上的突然变化的点处的应力奇异性的发生 这种变化通常会发 生在焊缝边缘的圆角焊接构件 克服不确定性的方法之一是通过使用构造应力作用 而不是通过有限元分析计算的压力 结构 热点或几何应力是一种压力 包括所有提 高效果的结构细节的压力除了由于焊缝局部轮廓本身造成的所有的应力集中 图 3 它取决于组件的总体尺寸和加载参数 以及确定评估的热点处组件的表面 3 7 表 3 负荷值和计算的名义应力 T 型接头载荷 F KN最大名义应力 Mpa nom 0 212 6 0 427 0 0 640 5 CHSP 1 0 854 0 0 221 2 0 442 5 0 663 7 CHSP 2 0 885 0 0 226 4 0 452 9 0 679 3 CHSP 3 0 8105 8 武汉科技大学本科毕业论文外文翻译 4 图 3 结构应力的定义 3 7 2 4 应力集中系数 应力集中计算或测量的峰值应力和名义应力之间的比率 应力集中系数 计算公 式为 3 nom i fi K 其中是一个实验值 该值的推算从有限元分析结果得到有限元分析或热点的应 i 力集中 与有限元分析结果相比较 应力集中系数 SCF 的实验值取自 Mashiri 和 Zhao 6 3 FE 模型 NASTRAN 软件的使用 以便构建 T 型接头的有限元模型 然后进行线性弹性分 析 3 1 有限元网格的建议 结构热点应力推算根据 IIW 推荐规范 3 采用参考点 参考 Hobbacher 3 根据板和它们的方向上焊趾 图 4 和图 5 的位置 可以区分两 种类型的热点 a 结构热点应力横向焊接的板表面上的脚趾 b 结构的热点应力横焊趾板边 武汉科技大学本科毕业论文外文翻译 5 图 5 典型的网格和应力评 图 4 热点的类型 3 定路径的焊接细节 3 根据热点和几何尺寸的类型 有不同的有限元网格建模 或是更准确的用于限定 应力推算 3 图 6 的参考节点位置 图 6 不同类型的网格划分 3 的参考点 3 2 T 形接头的几何模型和有限元网格建模 为了减少计算的要求时 进行有限元分析时 对称性被使用 只有一半的模型的 几何形状用于网格划分 图 7 武汉科技大学本科毕业论文外文翻译 6 图 7 一半 CHS 板 T 型接头模型 为了进一步减少计算的要求 作为一个简单的刚性元件与其上独立节点的距离 该力由液压缸引入的力插入的仿照机制的几何形状 图 8 图 8 T 型接头与刚性元件的有限元网格 本文 CHS 板 T 形接头有热点类型 a 因此 在图 6 中的推荐方案 使用相对精 细的有限元网格 10 节点四面体单元的网格模型 建议使用 NASTRAN 的结构仿真 得到的有限元网格见表 4 一个有限元网格焊缝周围热点的细节见图 9 表 4 有限元网格 I T型接头 元素编号 武汉科技大学本科毕业论文外文翻译 7 图 9 有限元网格细节 在热点和用于网格密度的基础上所确定的类型 结构热点应力随后被推算为 3 4 tths0 14 0 67 0 67 1 3 3 边界条件 考虑定义支持 半模型的切削平面被定义为一个对称平面 为了避免有限元模型 的进一步复杂化和计算负荷的增加 忽视固定螺栓的影响 并简化为一个简单的边界 条件 4 结论 4 1 应力分布 来自 FEA 计算出的应力分布表明预期正常的应力分布沿表面的 CHS 部件 可用 于所有模型的 T 形接头 图 10 的上部焊接边缘与最大值 CHSP 152356 CHSP 259356 CHSP 344444 武汉科技大学本科毕业论文外文翻译 8 图 10 在 z 方向的正应力的有限元应力集中分布 图 11 显示出了 FE 模型和实验结果用于 CHSP 1 之间的最大应力的显着差异 但 是这种差异可主要归因于在测得的应力分布 图 12 和小的那部分一般相差在应力集 中计算误差一个理想化的有限元模型 8 FEA 解决方案将完全与解析解区域外的的应 力集中的影响 并遵循之前应力的上升和急剧上升的应力 在应力集中区的应力下降 的总趋势 通过增加负载 CHSP 1 我们可以看到计算结果和实验最大正应力 因此 计算出的应力中的错误是更大的一个更大的负载之间的差异更大 通过增加负载 CHSP 1 我们可以看到计算结果和实验最大正应力的巨大差别 相应地 计算出的应 力中的错误与一个更大的负载之间的差异更大 考虑 CHSP 2 我们可以看到 有限元分析和热点的方法 基于有限元分析参考点 的压力承受的压力最大几乎相同 从实验数据 图 11b 计算出的应力集中均表现出良 好的相关性 相对于 CHSP 3 而言 尽管在 CHSP 1 T 型接头的情况下还没有到这样的程度 我们依然可以注意到稍高应力由有限元分析的计算结果 并与从实验数据的可用计算 相比 此外 随着负载的增加 有限元分析比在 CHSP 1 T 型接头 图 11c 的实验 更匹配结果 4 2 应力集中因素 在计算出的最大应力的基础上 利用等式 3 计算应力集中系数 用有限元分析的计算的系数和从实验结果计算出最大热点的系数之间的相关性对 CHSP 2 T 型接头最好 对 CHSP 1 T 接头最差 表 5 图 13 和图 15 从有限元分析获得的应力集中系数和从热点计算与有限元分析中的基准点上的应力值 显示出一致的值在整个负荷的整个范围 约从 1 5 至 1 7 厚度为 2 6 毫米和 2 毫米的 T 形接头的管 图 13 15 特别明显 武汉科技大学本科毕业论文外文翻译 9 图 11 最大应力值 a CHSP 1 b CHSP 2 c CHSP 3 武汉科技大学本科毕业论文外文翻译 10 图 12 弯曲平面内应力分布 图 13 应力集中系数的值 图 14 应力集中系数的比较 武汉科技大学本科毕业论文外文翻译 11 在加载量方面的相关性 a CHSP 1 a CHSP 1 b CHSP 2 b CHSP 2 c CHSP 3 c CHSP 3 表 5 应力集中系数的值 应力集中系数CHSP 1CHSP 2CHSP 3 FEAf K 1 47 1 581 63 1 641 63 1 64 hsf K 1 61 1 731 67 1 671 71 1 71 exp f K 0 9 11 4 1 51 3 1 4 平均值 FEAf K 1 51 641 63 平均值 hsf K 1 641 671 71 平均值 exp f K 1 01 51 3 图 15 应力集中系数 或不同的墙体厚度的比较 5 总结 武汉科技大学本科毕业论文外文翻译 12 根据 IIW