焊接结构设计与计算问题

1、 焊接结构设计与计算问题 下文整理的关于焊接结构设计与计算问题的介绍。 这里不涉及产品从立项(经过市场调研一撰写报告一决策一报批等)到分段设计(通常分为初步设计、技术设计和施工图设计)、新产品试制到产品定型生产的全过程，而仅争论设计阶段详细的焊接结构的设计与计算问题。 (1)许用应力法又称为常规设计方法、安全系数设计法。它是口前最常用的结构设计方法，如压力容器、锅炉、起重机金属结构和焊接机器零件等都采纳这种设计方法。按许用应力法进行设计是基于弹性失效准则来建立结构强度条件的。例如压力容器国家标准规定，对压力容器考虑了三种失效形态；强度失效、刚度失效和稳定失效。三种失效均按弹性及弹性一抱负塑性范

2、围内的应力一应变量赐予推断。即对容器中任一点的应力，都按平面力系解法将其归结为单向屈服的关系，或用第一强度理论(最大主应力理论)、或用第三强度理论(最大切应力理论)计算出最大主应力或差值应力(三个主应力中最大与最小的差值)，并将其限制在许用应力之下。即得到焊接容器结构设计的强度条件： 式中，-对压力容器来说，是其在各种载荷下，用平面力系(不考虑三维应力)解法得出的最大应力。这些应力包括与外载相平衡，分布范围大，沿容器壁厚匀称分布的一次薄膜应力和沿壁厚线性分布的一次弯曲应力。此外，由于设计缘由，如容器存在局部不连续，局部薄膜应力将要增大;还由于容器内外壁的温度差，热膨胀不同导致的、或焊接残余应力

3、产生的，它们构成自平衡力系的所谓二次应力；以及由于应力集中(如存在焊接缺陷)、交变的热应力等缘由产生的附加在一、二次应力上的增量，即所谓的峰值应力。总之一些容器或构件除有总体一次薄膜应力(外载荷引起的最大应力)之外，还存在一次局部薄膜应力、一次弯曲应力、二次应力、峰值应力以及它们的组合，应当采纳极限分析和安定性分析准则建立强度条件。 但国家标准，包括钢制压力容器GB 150-1998 ；水管锅炉受压元件强度计算GB/T 9222-1998规定，对这些应力的影响，可通过限制元件结构的某些相关尺寸，或用应力增大系数、外形系数等形式予以考虑，把这些局部应力掌握在许用应力范围内，这样的处理方法使标准简

4、洁、易行，便于推广应用。式中的许用应力是针对已有胜利使用阅历的材料，按其力学性能（等）除以相应的安全系数得出的。表5-1给出了国家标准GB 150-1998规定的钢制压力容器由安全系数确定钢材(除螺栓材料外)的许用应力取值。表5 -2为起重机设计规范GB/T 3811-1983规定的起重机金属结构用钢材安全系数和许用应力值，考虑到作用在起重机上的载荷分三类，即基本载荷、附加载荷和特别载荷;在结构设计中依据详细机器的工作条件，有时只考虑基本载荷，有时则要考虑基本和附加载荷，有时要考虑基本、附加和特别载荷或考虑基本和特别载荷，这即称为载荷的不同组合，分别为组合、 实际上常规设计方法除按强度条件即上

5、述按工作应力小于等于许用应力外，有时还要满意刚度条件即工作变形要小于等于许用变形。如起重机金属结构按国家标准GB/T3811-1983起重机设计规范规定，除掌握应力外，还要求结构的刚度，其中又分为静态和动态刚度。静态刚度以规定载荷作用于指定位置时，结构某处的静态弹性变形，如桥式起重机(门式及装载桥)当满载时，规定主梁跨中静挠度ft应满意： (或依据工作级别为L/800 ，L/600等) 式中，L为起重机的跨度，其他类型的起重机也有相应的规定。而动态刚度是表征起重机作为振动系统的动态抗变形力量(以起重机满载，钢丝绳悬吊相当于额定起上升度时，系统在垂直方向的最低阶固有频率简称满载自振频率)来表示。

6、一般起重机仅核算结构静态刚度，假如系统的振动影响了起重机生产作业状况，才需验算动态刚度。 安全系数的取值应综合考虑材料的性能、规定的检验项口及检验批量、载荷及其附加的裕度、设计计算方法的精确程度、制造工艺和装备及产品检验水平、质量管理、操作水公平来确定，并且要经过实践的考验。近十几年，从国外引进的石油化工容器所用的安全系数取值与这些国家较先进的技术与严格的质量要求相适应。最近我国借鉴引进技术设计的大中型石油化工容器和高压容器的安全系数()和国外相近。 1/3 123下一页尾页上述许用应力设计方法所用的参量，如载荷、强度(许用应力)、几何尺寸等都看成确定的量，所以又称为定值设计法，这种方法表达式

7、简洁明白，使用便利，已沿用很长时间，积累了丰富的阅历，至今仍是很多行业采纳的设计方法。但这种方法的缺点在于将很多不确定的随机变量当作定值，为保证安全往往选取高的安全系数和低的许用应力，结果造成材料的不经济和不合理的使用，因而近年进展了牢靠性一概率论和数理统计为基础的设计方法。 (2)以概率论为基础的极限状态设计法 1974年以来实施的钢结构设计规范（GB J17-1974）规定采纳许用应力法进行设计，但其许用应力是以结构的极限状态(强度、刚度、稳定性)为依据，对各种影响因素进行数理统计，并结合我国工程实践，进行多系数分析而求出单一安全系数打算的许用应力，是一种半概率、半阅历的极限状态计算法。考虑到大多数载荷及由它引起的应力和材料的抗力本质上是随机的，即是随时间和空间而变动的随机变量。因而结构工作的牢靠性(安全性、适用性和耐久性的统称)也是随机的。简洁地说我们盼望设计结构的材料抗力大于应力，即抗力与应力之差应大于或等于零。因抗力与应力是随机的，则此差可大