宋偉科 陽先波

(中國特種設(shè)備檢測研究院 北京 100029）

大型游樂設(shè)施結(jié)構(gòu)件焊縫設(shè)計計算研究

宋偉科 陽先波

(中國特種設(shè)備檢測研究院 北京 100029）

本文以大型游樂設(shè)施焊接結(jié)構(gòu)件中最常見的直角角焊縫為研究對象，在垂直拉力和水平推力載荷工況下，研究直角角焊縫不同焊腳高度、不同焊接型式（未焊透和全焊透）和不同熔透率條件下的應(yīng)力分布和應(yīng)力集中規(guī)律，并通過理論計算和有限元仿真兩種不同計算方式對比其優(yōu)缺點。研究發(fā)現(xiàn)，有限元計算更能反映焊縫的真實應(yīng)力狀態(tài)；全焊透結(jié)構(gòu)有利于改善焊縫的應(yīng)力集中；不同載荷工況下焊縫的應(yīng)力集中位置不同。

角焊縫 全焊透 應(yīng)力集中 熔透率

1 研究背景

大型游樂設(shè)施具有結(jié)構(gòu)形式多樣、受力復(fù)雜、安全要求高的特點，其中焊接是結(jié)構(gòu)的主要連接方式，焊接質(zhì)量好壞直接關(guān)系到設(shè)備安全可靠性[1]。目前針對承壓類特種設(shè)備的相關(guān)焊接標(biāo)準(zhǔn)要求及計算方法相當(dāng)完善，但針對機電類特種設(shè)備的相關(guān)焊接標(biāo)準(zhǔn)要求和計算方法有待完善。機電類特種設(shè)備，尤其是大型游樂設(shè)施，其結(jié)構(gòu)焊縫主要承受交變動載荷，受力工況較承壓類特種設(shè)備更加復(fù)雜和多樣。目前現(xiàn)有的焊縫設(shè)計和計算無論是手工校核還是有限元建模仿真均不能合理的指導(dǎo)焊縫的優(yōu)化設(shè)計，如對重要焊縫進(jìn)行手工計算時無法計算應(yīng)力集中大小及位置，而有限元建模大多采用整體建模，不考慮具體焊縫的焊透情況和焊腳高度，因此造成焊縫仿真應(yīng)力和實際應(yīng)力存在差別。

本文以游樂設(shè)施結(jié)構(gòu)件中常見的典型直角角焊縫為研究對象，利用相關(guān)應(yīng)力計算公式和ANSYS分析軟件計算分析直角角焊縫在軸向拉力和彎矩單獨作用下應(yīng)力變化規(guī)律，以分析焊縫公式計算和軟件計算的差異，分析焊腳尺寸、焊縫熔透率對計算結(jié)果的影響規(guī)律以及焊縫對軸向拉力和彎矩作用下的應(yīng)力集中敏感性，以指導(dǎo)復(fù)雜結(jié)構(gòu)焊縫設(shè)計及計算。

2 直角角焊縫強度理論計算

大型游樂設(shè)施結(jié)構(gòu)件受力情況比較復(fù)雜，焊縫接頭型式多樣，而直角角焊縫為游樂設(shè)施結(jié)構(gòu)件最常見的焊接型式，如飛行塔的旋轉(zhuǎn)支架、過山車的輪架、摩天輪的支撐框架等。直角角焊縫采用垂直立板與水平底板焊接，典型的受力結(jié)構(gòu)如圖1所示，立板受垂直焊縫方向拉力Ny和平行焊縫方向Nx，焊縫計算公式[2-5]如下：

圖1 立板和底板焊縫結(jié)構(gòu)圖

式中：

σN——角焊縫拉應(yīng)力；

σM——角焊縫彎曲應(yīng)力；

he——角焊縫的計算厚度，對直角角焊縫為0.7hf，hf為焊腳尺寸；

τf——角焊縫剪切應(yīng)力；

lw——角焊縫的計算長度；

Nx——立板頂部水平力；

Ny——立板垂直向拉力或壓力；

M——焊縫截面抗彎模量，參考機械設(shè)計手冊選??；

T——未焊透間隙長度；

W——焊縫彎矩。

實例計算中取立板高L=100mm，板厚t1=t2=10mm，焊縫長度lw=100mm，取焊縫焊腳尺寸hf分別為5mm、7mm、10mm、13mm，對未焊透焊縫取T=10mm，對全焊透焊縫取T=0，垂直力Ny=100000N，水平力Nx=10000N，Ny和Nx分別單獨施加在立板頂部。對焊縫截面分別在不同焊腳尺寸、不同T值，不同受力情況下進(jìn)行計算，結(jié)果見表1。

表1 不同焊接結(jié)構(gòu)條件下的焊縫應(yīng)力值 MPa

圖2 焊縫截面應(yīng)力隨焊腳尺寸的關(guān)系

從以上計算結(jié)果可知，焊縫不論是受垂直拉力還是水平彎矩，全焊透結(jié)構(gòu)的應(yīng)力明顯小于未焊透結(jié)構(gòu)。并且隨著焊腳高度的增加，焊縫應(yīng)力呈現(xiàn)遞減趨勢。相比較全焊透焊縫應(yīng)力，非焊透焊縫應(yīng)力受焊腳高度變化的影響更大。

3 直角角焊縫強度有限元計算

3.1 全焊透焊縫仿真

采用ANSYS軟件對以上模型進(jìn)行建模計算[6]，約束底板，將Ny和Nx分別施加在立板頂部，當(dāng)T=0時，焊縫為全焊透結(jié)構(gòu)，焊縫截面應(yīng)力分布區(qū)域如圖3、圖4所示。

圖3中A區(qū)為立板本體截面應(yīng)力區(qū)，仿真計算結(jié)果為100MPa，與公式計算結(jié)果一致，B區(qū)應(yīng)力略小于A區(qū)，C區(qū)應(yīng)力小于B區(qū)，D區(qū)為焊縫與立板處交匯處應(yīng)力集中區(qū)。

圖4中A區(qū)為立板本體截面應(yīng)力區(qū)，應(yīng)力從立板兩側(cè)向中心逐漸減小，立板外側(cè)與焊縫截面交匯處形成應(yīng)力集中區(qū)，應(yīng)力集中位置與圖3一致，B區(qū)應(yīng)力小于A區(qū)外側(cè)，大于C區(qū)， C區(qū)向兩側(cè)應(yīng)力逐漸減小。

圖3 Ny作用下焊縫截面應(yīng)力分布

圖4 Nx作用下焊接截面應(yīng)力分布

對全焊透焊縫，在垂直拉力和水平彎矩作用下應(yīng)力集中區(qū)計算結(jié)果如圖5所示。

圖5 D區(qū)應(yīng)力隨焊腳尺寸變化結(jié)果

從以上計算結(jié)果可以看出，焊縫全焊透時，在拉力作用下，D區(qū)集中應(yīng)力變化隨焊腳尺寸增大而減小的幅度不明顯，這說明焊縫全熔透時，焊腳尺寸對焊縫拉力的集中應(yīng)力影響較??；以焊高5mm為例對比圖2和圖5，在垂直拉力（Ny）作用下，焊縫有限元計算結(jié)果（160MPa）大約是理論計算結(jié)果（59MPa）的2.7倍；焊縫受彎矩時，有限元計算的彎曲應(yīng)力（780MPa）大約是理論計算結(jié)果（208MPa）的3.7倍；無論焊腳尺寸多少，焊縫與立板交匯處總存在應(yīng)力集中，焊縫應(yīng)力從應(yīng)力集中點往下逐漸減小。

3.2 非全焊透焊縫仿真

模型尺寸同上，但T=10mm，焊縫未焊透，未焊透部位長度與立板厚度相等，在垂直向拉力Ny和水平力Nx分別單獨作用下，焊縫截面應(yīng)力分布區(qū)域如圖6所示：

圖6 Ny作用下焊縫截面應(yīng)力分布

圖7 Nx作用下焊接截面應(yīng)力分布

圖6中A區(qū)為立板本體截面應(yīng)力區(qū)域，仿真計算結(jié)果為100MPa，與公式計算結(jié)果一致，F(xiàn)區(qū)為焊縫外側(cè)應(yīng)力集中區(qū)，G區(qū)為未焊透內(nèi)側(cè)縫隙兩端應(yīng)力集中區(qū)，其他區(qū)域為應(yīng)力過渡區(qū)。

圖7中A區(qū)，C區(qū)為未焊透部位外圍，應(yīng)力高于B區(qū)，F(xiàn)、G區(qū)為焊縫內(nèi)外應(yīng)力集中區(qū)，E區(qū)為立板截面彎應(yīng)力變化區(qū)域，從立板外側(cè)向內(nèi)逐漸減小。

對比圖6和圖7，兩種焊縫受拉和受彎下焊縫應(yīng)力集中區(qū)域位置相同，兩個區(qū)域應(yīng)力變化結(jié)果見圖8。

從圖8可以看出，拉應(yīng)力作用下，F(xiàn)區(qū)和G區(qū)集中應(yīng)力隨焊高增加減小約47%和51%，減小幅度基本一致，但彎應(yīng)力作用下，F(xiàn)區(qū)減小25%，G區(qū)減小74%。這說明彎曲應(yīng)力作用下，焊縫外側(cè)應(yīng)力集中區(qū)域應(yīng)力變化隨焊腳高度變化不是十分敏感，而焊縫內(nèi)側(cè)應(yīng)力集中區(qū)域應(yīng)力隨焊腳高度變化十分敏感，焊腳高度增加可以有效減小未焊透部位的集中應(yīng)力。在拉力作用下，焊縫未焊透部位內(nèi)側(cè)應(yīng)力大于外側(cè)應(yīng)力集中區(qū)域，如果焊縫失效，將首先從焊縫內(nèi)部開始，無法從外側(cè)發(fā)現(xiàn)；而彎應(yīng)力作用下外側(cè)集中應(yīng)力大于內(nèi)側(cè)集中應(yīng)力，焊縫失效從外側(cè)開始。

圖8 未焊透焊縫應(yīng)力集中區(qū)應(yīng)力隨焊腳尺寸變化結(jié)果

3.3 不同熔透率下焊縫集中應(yīng)力仿真

本文所描述“熔透率”主要體現(xiàn)材料焊透區(qū)域長度與材料本體厚度比值，取焊腳尺寸hf=10mm，分別取未焊透部位長度T為10mm、7mm、5mm、2mm，即熔透率分別為0、30%、50%、80%，其他尺寸取值同上文一致。在垂直拉力Ny和水平力Nx分別單獨作用下，焊縫截面兩應(yīng)力集中區(qū)域變化如圖9、圖10所示。

從圖9可以看出，G區(qū)彎應(yīng)力和拉應(yīng)力隨未焊透尺寸增加而顯著增大，這說明焊縫熔透率越小，焊縫內(nèi)部集中應(yīng)力越大。從圖10可以看出，F(xiàn)區(qū)應(yīng)力變化很小，拉應(yīng)力減小15%，彎應(yīng)力基本沒變，這說明彎矩作用下焊縫表面集中應(yīng)力大小與焊縫熔透率沒有直接關(guān)系。

圖9 G區(qū)應(yīng)力變化結(jié)果

圖10 F區(qū)應(yīng)力變化結(jié)果

4 結(jié)論

通過對不同焊腳尺寸和不同熔透率焊縫在拉力或彎矩作用下進(jìn)行公式計算和仿真計算對比分析，可以得出如下結(jié)論：

1）焊縫的應(yīng)力集中總是存在，且遠(yuǎn)大于公式計算結(jié)果，重要焊縫的計算應(yīng)考慮集中應(yīng)力的影響，不能對焊縫建模進(jìn)行簡化處理，并通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化，轉(zhuǎn)移應(yīng)力集中點或減小集中應(yīng)力；

2）對直角焊縫，熔透率低的焊縫在垂直拉力作用下其失效位置容易從焊縫內(nèi)部開始，無法檢測發(fā)現(xiàn)，提高焊縫熔透率和增加焊腳高度有利于減小焊縫內(nèi)部應(yīng)力集中，重要焊縫要采用全焊結(jié)構(gòu)；

3）對于直角焊縫，彎應(yīng)力作用下焊縫失效容易從焊縫外部開始；

4）未熔透焊縫焊腳高度不應(yīng)小于材料本體厚度。

目前現(xiàn)行的GB 8408—2008 《游樂設(shè)施安全規(guī)范》8.6焊縫一節(jié)和8.13檢驗一節(jié)中，對焊縫的設(shè)計和檢驗提出了具體要求。8.6.7明確直接承受變載荷的角焊縫應(yīng)采用全熔透結(jié)構(gòu)，8．13．5明確涉及人身安全的重要焊縫應(yīng)進(jìn)行100%的磁粉或滲透探傷。對于8.6.7條款，如果焊縫結(jié)構(gòu)型式無法實現(xiàn)全熔透結(jié)構(gòu)，應(yīng)明確盡量提高焊縫熔透率和增加焊腳高度，且焊腳高度不得小于材料本體厚度。對于8.13.5條款，對于涉及人身安全的重要非全熔透焊縫，如果主要承受垂直拉力，應(yīng)增加內(nèi)部探傷要求。

[1] 林偉明．典型游樂設(shè)施復(fù)雜工況下風(fēng)險評估及故障預(yù)防研究[D]．北京：北京化工大學(xué)出版社，2013．[2] EN 13814—2004， Fairground and amusement park machinery and structure-safety[S]．

[3] GB 50017—2003 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[S]．

[4] GB 8408—2008 游樂設(shè)施安全規(guī)范[S]．

[5] 成大先．機械設(shè)計手冊（第五版）[M]．北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2007．

[6] 張朝暉．ANSYS結(jié)構(gòu)分析工程應(yīng)用實例解析（第二版）[M]．北京：機械工業(yè)出版社，2010．

[基金支持：本項目由國家質(zhì)檢總局質(zhì)檢公益性行業(yè)科研專項項目“公共安全突發(fā)事件一線處置應(yīng)對標(biāo)準(zhǔn)體系與32項關(guān)鍵技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)研究”（編號：201510211-6）和國家重點研發(fā)計劃項目“游樂園和景區(qū)載人設(shè)備全生命周期檢測監(jiān)測與完整性評價技術(shù)研究”（2016YFF0203100），課題3“基于本質(zhì)安全的游樂設(shè)施設(shè)計與建造關(guān)鍵技術(shù)研究”（2016YFF0203103）資助]

Research on Welding Calculation of Amusement Ride Structure

Song Weike Yang Xianbo
（China Special Equipment Inspection and Research Institute Beijing 100029）

The fillet welding as the most common structure to connect different parts of amusement rides is researched in this paper. On the load conditions of vertical tension force and lateral thrust force, the stress distribution and stress concentration is researched considering different weld leg, different weld form (incomplete or full penetration welding) and different penetration rate. The theory calculation and fnite element analysis have been compared. The results illustrate that finite element analysis is more accurate to express the stress distribution; full penetration welding can decrease the stress concentration; the location of stress concentration is different depending on the load condition.

Fillet welding Full penetration welding Stress concentration Penetration rate

X941

B

1673-257X(2016)12-0007-04

10．3969/j．issn．1673-257X．2016．12．002

宋偉科(1983～)，男，博士，高級工程師，從事大型游樂設(shè)施安全保障技術(shù)研究工作。

2016-11-14）