【摘要】本文采用有限元分析方法，結(jié)合大型有限元分析軟件ANSYS，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)焊接連接進(jìn)行了有限元模擬和分析，了解了鋼結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)焊接節(jié)點(diǎn)受力時(shí)的局部應(yīng)力分布特點(diǎn)，明確了焊縫的尺寸對(duì)節(jié)點(diǎn)連接的屈服破壞狀態(tài)影響非常大，因此必須在具體設(shè)計(jì)中應(yīng)進(jìn)行合適的設(shè)計(jì)和選擇。

【關(guān)鍵詞】節(jié)點(diǎn)焊縫；連接；有限元

【中圖分類號(hào)】TU391【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A【文章編號(hào)】1005-1074(2009)04-0210-01

鋼結(jié)構(gòu)是由不同的鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件通過一定的安裝方式連接而形成的一種整體結(jié)構(gòu)。其中，焊接連接是目前鋼結(jié)構(gòu)連接方式中的最主要連接方法，其優(yōu)點(diǎn)是構(gòu)造簡(jiǎn)單、不削弱構(gòu)件截面、節(jié)約鋼材、加工方便、易于采用自動(dòng)化操作、連接的密封性好、剛度大。缺點(diǎn)是焊接殘余應(yīng)力和殘余變形對(duì)結(jié)構(gòu)有不利影響，焊接結(jié)構(gòu)的低溫冷脆問題也比較突出。目前除少數(shù)直接承受動(dòng)載結(jié)構(gòu)的某些連接，如重級(jí)工作制吊車梁和柱及制動(dòng)梁的相互連接、標(biāo)架式橋梁的節(jié)點(diǎn)連接，從目前使用情況看不宜采用焊接外，焊接可廣泛用于工業(yè)與民用建筑鋼結(jié)構(gòu)和橋梁鋼結(jié)

構(gòu)。

1節(jié)點(diǎn)焊縫連接的有限元分析方法

結(jié)構(gòu)工程師進(jìn)行在焊接構(gòu)件的設(shè)計(jì)時(shí)，首先必須考慮到焊接接頭的靜強(qiáng)度狀況，同時(shí)對(duì)于要求高的接頭形式，還需要考慮其動(dòng)載情況，通常可以結(jié)合材料的強(qiáng)度理論進(jìn)行手工直接計(jì)算，來校核其靜強(qiáng)度或疲勞強(qiáng)度，但是對(duì)于復(fù)雜且要求嚴(yán)格的焊接構(gòu)件，常規(guī)的計(jì)算方法計(jì)算過程將非常復(fù)雜，同時(shí)計(jì)算結(jié)果將不可靠，此時(shí)就需要采用一種更為可靠的計(jì)算方法。

有限元法作為一種有效的數(shù)值分析方法，在焊接構(gòu)件的力學(xué)狀況模擬中可以非常有效，我們可以通過有效的有限元分析來達(dá)到對(duì)某一問題較為精確的解答，一定程度上代替了試驗(yàn)的功能。有限元分析的這一精確有效的功能可以大大節(jié)約了不必要的消耗，具有很大的經(jīng)濟(jì)效益；本論文借住于有限元分析的方法對(duì)焊接鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的受力狀況進(jìn)行了模擬和分析，通過構(gòu)建精確的實(shí)體有限元分析模型，采用有限元分析方法，明確了鋼結(jié)構(gòu)焊縫連接在外力作用下的的應(yīng)力分布以及構(gòu)件變形狀況。

2焊件應(yīng)力分布的有限元分析計(jì)算

2.1有限元模型建立通常，焊接模型由于其結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜，而且結(jié)構(gòu)存在強(qiáng)烈的非線性，因此我們采用實(shí)體模型方法才更為精確有效，一般直接采用ANSYS的幾何模型建立方式很為麻煩，這次可以采用通過CAD已經(jīng)建立的實(shí)體模型，通過ANSYS的交換工程完成實(shí)體模型到有限元模型的有效轉(zhuǎn)換.

2.2結(jié)構(gòu)受力分析通常焊縫連接的承載力主要以軸向荷載為主，同時(shí)軸向荷載作用下，焊縫連接的破壞性更大，因此考慮焊縫連接在軸向拉力作用下的受力模擬，以分析焊縫連接下節(jié)點(diǎn)的受力狀態(tài)。在柱端施加均布軸向荷載，逐漸線性加大荷載，直致其發(fā)生屈服變形之破壞，如前所敘，節(jié)點(diǎn)的彈性極限狀態(tài)定義如下：節(jié)點(diǎn)中的組件（柱，螺栓，加勁肋）應(yīng)力首次達(dá)到屈服應(yīng)力前的狀態(tài)。通過分析可以知道，在柱端均布軸向荷載作用下，與焊縫連接的方形柱附近應(yīng)力分布最大，顯然此處將首先發(fā)生屈服破壞，這也正好滿足了節(jié)點(diǎn)連接設(shè)計(jì)中破壞應(yīng)始于非節(jié)點(diǎn)連接部位的要求；因此，設(shè)計(jì)中應(yīng)該加強(qiáng)與螺栓連接的柱處局部剛度，同時(shí)從加勁肋受力變化圖4.8可以看出，加勁肋分但了很大的平衡應(yīng)力，因此其作用必不可少，在具體設(shè)計(jì)中，應(yīng)該根據(jù)其局部應(yīng)力分布特點(diǎn)，對(duì)其尺寸和位置進(jìn)行合理的設(shè)置。

2.3不同焊縫尺寸下節(jié)點(diǎn)連接的屈服極限分析通常發(fā)生屈服的程度和位置與法蘭連接參數(shù)密切相關(guān)，從剛結(jié)構(gòu)彈性設(shè)計(jì)的角度出發(fā)，僅考慮彈性極限的分析狀態(tài)；關(guān)于節(jié)點(diǎn)的彈性極限狀態(tài)定義如下：節(jié)點(diǎn)中的組件（柱，螺栓，法蘭板）應(yīng)力首次達(dá)到屈服應(yīng)力前的狀態(tài)。通過模擬了焊縫長(zhǎng)度分別為5mm～25mm（每次間隔5mm）（假定焊縫長(zhǎng)度和寬度相同）下的節(jié)點(diǎn)連接模型，并逐步在端部施加集中荷載直到其屈服，并分析了節(jié)點(diǎn)屈服極限的變化；在直徑變化的初始階段，屈服極限荷載逐漸加速的增加，當(dāng)增加到一定的階段時(shí)，屈服極限荷載停滯不變；分析原因可知，焊縫節(jié)點(diǎn)連接危險(xiǎn)處在焊縫及其附近連接方形板處，在螺栓直徑較小的初始階段，焊縫及附近板作為整體結(jié)構(gòu)的傳遞構(gòu)件，由于其剛度較小，使得屈服極限荷載較小；顯然隨著焊縫尺寸的加大，其剛度增加，其局部應(yīng)力相應(yīng)變小，從而使得焊縫屈服極限荷載變大；直到某一階段后，危險(xiǎn)點(diǎn)全部轉(zhuǎn)移到與焊縫連接的方形板上，此時(shí)即使焊縫尺寸繼續(xù)增加，焊縫屈服極限荷載仍保持不變。

分別選取了不同焊縫尺寸發(fā)生屈服破壞下四周焊縫角點(diǎn)處的應(yīng)力，列表如下所示。

從表1分析可以看出，不同焊縫尺寸下，屈服破壞時(shí)四周焊縫角點(diǎn)處的應(yīng)力也有所不同，當(dāng)尺寸較小時(shí)，顯然焊縫處是危險(xiǎn)點(diǎn)，發(fā)生破壞時(shí)其屈服強(qiáng)度達(dá)到其彈性極限強(qiáng)度；隨著焊縫尺寸增加，焊縫處危險(xiǎn)點(diǎn)逐漸向其他薄弱處轉(zhuǎn)換，此時(shí)節(jié)點(diǎn)發(fā)生屈服破壞時(shí)，四周焊縫角點(diǎn)處的應(yīng)力逐漸變小，因此具體設(shè)計(jì)中，應(yīng)充分考慮應(yīng)力的屈服破壞點(diǎn)，并加強(qiáng)構(gòu)件的局部剛度設(shè)置。

3總結(jié)

不同焊縫尺寸下，屈服破壞時(shí)四周焊縫角點(diǎn)處的應(yīng)力也有所不同；隨著焊縫尺寸增加，焊縫處危險(xiǎn)點(diǎn)逐漸向其他薄弱處轉(zhuǎn)換，此時(shí)節(jié)點(diǎn)發(fā)生屈服破壞時(shí)，四周焊縫角點(diǎn)處的應(yīng)力逐漸變小，因此具體設(shè)計(jì)中，應(yīng)充分考慮應(yīng)力的屈服破壞點(diǎn)，并加強(qiáng)構(gòu)件的局部剛度設(shè)置。焊縫的尺寸對(duì)節(jié)點(diǎn)連接的屈服破壞狀態(tài)影響非常大，因此在具體設(shè)計(jì)中應(yīng)進(jìn)行合適的設(shè)計(jì)和選擇。

參考文獻(xiàn)

[1]吳文科.用有限元法進(jìn)行機(jī)械連接的靜力分析.中國(guó)直升機(jī)設(shè)計(jì)研究所，2001