單側(cè)搭接接頭焊接應(yīng)力集中的有限元分析

搭接接頭是鋼結(jié)構(gòu)中焊接連接接頭通常采用的一種方式，其焊縫采用角焊縫形式，通常是受力薄弱環(huán)節(jié)。鋼結(jié)構(gòu)的疲勞、斷裂等破壞大多發(fā)生在焊縫的焊趾處，其原因除了焊接缺陷會誘發(fā)疲勞裂紋進行擴展以外，焊縫外形在焊趾處產(chǎn)生的應(yīng)力集中也是一個重要影響因素。應(yīng)力集中的嚴重程度可以用應(yīng)力集中系數(shù)K_t來表達，即焊趾處應(yīng)力峰值S_p與施加在無缺口截面上的名義應(yīng)力S_net之比。在進行鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計時，一般會盡量降低焊縫的坡度，以減小焊趾處的應(yīng)力集中。然而，上述措施還只是基于對焊縫應(yīng)力集中影響的定性認識，仍需進行深入研究。
用于估算應(yīng)力集中系數(shù)的方法有試驗法、解析法和有限元分析法等。采用有限元方法對應(yīng)力集中系數(shù)進行計算是容易實施且比較有效的方法，目前應(yīng)用較為廣泛，相關(guān)研究包含了不同類型接頭中幾何參數(shù)對應(yīng)力集中系數(shù)的影響，如對接接頭、Y形接頭、K形接頭、T形接頭等。對于搭接接頭，文獻研究了雙側(cè)焊接的搭接接頭中應(yīng)力集中系數(shù)受搭接長度、焊縫寬度等因素的影響；文獻以單側(cè)搭接接頭作為某種桁架節(jié)點的力學(xué)模型，研究了焊縫熔深、弦桿厚度等因素對焊縫幾何應(yīng)力集中系數(shù)和熱點應(yīng)力集中系數(shù)的影響；文獻重點研究了焊縫焊腳、加強高等工藝參數(shù)對單側(cè)搭接接頭應(yīng)力集中系數(shù)的影響。本文以單側(cè)搭接接頭作為力學(xué)模型，研究了某種舟橋的單雙耳接頭尾部的應(yīng)力集中情況，依據(jù)實際結(jié)構(gòu)對模型邊界條件進行了處理，研究了蓋板厚度、主板厚度、焊縫接觸角以及焊趾過渡圓弧半徑等參數(shù)對應(yīng)力集中系數(shù)的影響情況，為實際結(jié)構(gòu)的工程設(shè)計提供了技術(shù)支持。
為驗證采用有限元方法計算應(yīng)力集中系數(shù)K_t的準確性，選取一種較為理想的雙側(cè)焊接搭接接頭作為算例，主要幾何尺寸為：主板厚度T、蓋板厚度t、焊腳長度l以及接觸角θ。
對稱的，可用1/4模型進行研究。在建立有限元模型時，焊趾處單元尺寸及形狀對計算結(jié)果有著重要的影響。劃分的單元必須足夠小，以至于能反映出焊趾處的應(yīng)力集中特性，但又不能太小，否則會產(chǎn)生數(shù)值奇異性。采用Ansys軟件進行分析，有限元模型采用了三角形平面應(yīng)變單元plane2，焊趾附近單元最小尺寸為0.15mm。
由不同幾何參數(shù)下試驗結(jié)果與有限元計算結(jié)果的對比表可以看出，有限元計算結(jié)果與光彈試驗結(jié)果數(shù)據(jù)吻合度較好，雖然個別情況下二者的相對誤差可達到6.1%，但考慮到試驗過程的復(fù)雜性&可以認為有限元模型是合理的，采用有限元法對K_t進行計算是較為準確的。
假設(shè)結(jié)構(gòu)處于平面應(yīng)變狀態(tài)，并且不考慮焊趾處咬邊、夾雜等焊接缺陷以及焊接殘余應(yīng)力的影響。蓋板厚度t和主板厚度T的初始幾何尺寸為15mm，焊腳長度l為10mm，接觸角θ為45°。有限元模型采用三角形平面應(yīng)變單元plane2，焊趾端部最小尺寸為0.15mm，模型采用的鋼板及焊縫的彈性模量E=2.1×10⁵MPa，泊松比μ=0.3。
保持焊縫現(xiàn)有幾何尺寸不變，改變蓋板厚度t與主板厚度T的比值，研究應(yīng)力集中系數(shù)K_t的變化情況。由圖中可以看出，當(dāng)t/T<1.5時, K_t隨著t/T的增加而迅速降低；而當(dāng)t/T>1.5以后, K_t降低趨勢放緩。此外,在保持t/T不變的情況下，K_t也會隨著主板厚度T的增加變大，這主要由于在焊縫尺寸不變的情況下，增加T會降低l/T的值,使得焊趾處的應(yīng)力集中更為明顯。

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