趙九峰

大型游樂設(shè)施焊縫強度校核計算分析

趙九峰

（河南省特種設(shè)備安全檢測研究院，河南 鄭州 450000）

焊接是大型游樂設(shè)施的主要連接方式，焊縫設(shè)計計算直接關(guān)系到游樂設(shè)施的正常運行和乘客的生命安全。本文以大型游樂設(shè)施中的焊縫為例，對焊縫部位的應(yīng)力，分別按照力學(xué)理論計算和有限元分析計算，給出對接焊縫和角焊縫的計算公式和校核評價方法，并對有限元計算建模時，是否考慮焊縫材料進行了分析比較。研究表明，焊縫的校核計算應(yīng)該按照名義計算應(yīng)力進行校核評價，不宜用有限元法去校核評價的游樂設(shè)施焊縫。研究方法和結(jié)果為大型游樂設(shè)施結(jié)構(gòu)件焊縫的校核計算提供參考性建議和依據(jù)。

對接焊縫；有限元；名義計算應(yīng)力；應(yīng)力集中；大型游樂設(shè)施

游樂設(shè)施金屬結(jié)構(gòu)所采用的連接方式主要為螺栓緊固和焊接[1]，游樂設(shè)施很多零部件都是通過焊接來進行連接緊固的[2]。隨著游樂設(shè)施朝著更快、更高的方向發(fā)展，其結(jié)構(gòu)焊縫主要承受交變動載荷，從焊縫連接構(gòu)造和強度計算特點出發(fā)，游樂設(shè)施中的焊縫分為對接焊縫和角焊縫。對于T型接頭和角接接頭，對接焊縫與角焊縫的主要區(qū)別在于焊縫是否能夠在板邊整個厚度上連續(xù)焊透，焊透了為對接焊縫，如不焊透則為角焊縫[3]。《游樂設(shè)施安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》[4]規(guī)定：角焊縫承受動載荷的，應(yīng)采用全焊透結(jié)構(gòu)。由于游樂設(shè)施主要承受動載荷，因此游樂設(shè)施中的重要焊縫，不管是對接焊縫還是角焊縫，大多采取全焊透焊縫。

本文以游樂設(shè)施的對接焊縫和角焊縫為例，分別利用應(yīng)力計算公式和有限元軟件分析計算焊縫部位的應(yīng)力，為游樂設(shè)施結(jié)構(gòu)焊縫的計算提供參考。

1 對接焊縫強度理論算例

由文獻[4]可知，對接焊縫的計算要求為：承受軸向拉力或壓力的對接焊縫，應(yīng)計算其縱向拉、壓應(yīng)力；承受彎矩和剪力聯(lián)合作用的對接焊縫，應(yīng)計算其危險點的最大正應(yīng)力和最大剪切應(yīng)力；對角焊縫的計算要求為：角焊縫應(yīng)計算其抗剪強度，當角焊縫受復(fù)合內(nèi)力作用時，應(yīng)計算出合應(yīng)力。根據(jù)規(guī)范要求按照破斷拉力與最大計算應(yīng)力的比值來校核焊縫。

為了說明焊縫理論計算和有限元計算的區(qū)別，下面舉例說明。

圖1中節(jié)點板和預(yù)埋鋼板間的T型對接焊縫。承受拉力作用，焊縫等級為Ⅰ級，偏心力＝120000 N，鋼材為Q235B，手工焊，焊條為E43型。按照文獻[8]計算焊縫應(yīng)力值。并結(jié)合文獻[4]對焊縫進行校核評價。

圖1 焊縫受力示意圖

首先對力在焊縫部位進行分解，分解為水平方向的拉力和豎直方向的剪切力[5]：

式中：為水平方向的拉力，N；為豎直方向的剪切力，N。

計算得：＝72000；＝96000。

由于水平拉力未通過焊縫的形心，在焊縫部位產(chǎn)生一個附加彎矩[5]：

＝（3）

式中：為彎矩，N·mm；為拉力與焊縫的形心的距離，mm，＝20。

計算得：＝1440000。

對接焊縫，根據(jù)構(gòu)件截面計算焊縫應(yīng)力[6]。焊縫下端點最危險，該點各項應(yīng)力為[5]：

則：

理論計算焊縫的合應(yīng)力為[5]：

由文獻[4]可知，對接焊縫按照最大正應(yīng)力和最大剪應(yīng)力分別評價，焊縫等級為Ⅰ焊縫，則：

焊縫的分析結(jié)果表明，焊縫合應(yīng)力的安全系數(shù)小于5.0，不滿足安全規(guī)范要求。

2 對接焊縫有限元計算

由圖1構(gòu)建精細化的三維模型，構(gòu)建兩種模型，其幾何形狀分別見圖2，圖2（a）不考慮焊縫材料，圖2（b）考慮焊縫材料，采用實體單元進行分析比較。

圖2 幾何模型

在載荷和約束不變的情況下，通過不同的網(wǎng)格尺寸，計算零件的最大應(yīng)力值。為了比較不同模型和網(wǎng)格尺寸對結(jié)果的影響，分別對無圓角和有圓角的模型在主體網(wǎng)格單元尺寸分別是10 mm、5 mm和3 mm等算例進行計算。通過不考慮焊縫材料和考慮焊縫材料，即無圓角和有圓角在不同網(wǎng)格的計算結(jié)果如圖3所示。

計算結(jié)果曲線圖如圖4所示。

對計算結(jié)果進行匯總，結(jié)果如表1所示。

由圖4可知，不考慮焊縫材料（不帶圓角），由于連接區(qū)域應(yīng)力奇異，不收斂，所以網(wǎng)格越細應(yīng)力就會越大（如果網(wǎng)格持續(xù)加密，應(yīng)力值會持續(xù)增大），有限元得到的結(jié)果是不可信的，會使焊縫部位的應(yīng)力計算結(jié)果偏大；考慮焊縫材料（帶圓角）的計算結(jié)果趨于穩(wěn)定，結(jié)果可接受。

表1 計算結(jié)果匯總（單位：MPa）

在游樂設(shè)施有限元設(shè)計計算中，國內(nèi)大多廠家常常將焊縫簡化并忽略，從以上計算可以看出，不考慮焊縫材料，會使焊縫附近的應(yīng)力計算結(jié)果偏大，出現(xiàn)虛假的應(yīng)力，即應(yīng)力奇異。事實證明，對焊縫進行簡化或忽略會造成計算結(jié)果的偏差，對游樂設(shè)施中重要部位的焊接，如果要知道焊縫部位的實際應(yīng)力值，要將焊縫的結(jié)構(gòu)建立出來，把模型做精細，該倒角的就倒角，把有過渡的部份都做出來再做分析。

3 應(yīng)力集中的影響

由以上分析可知，焊縫部位實際應(yīng)力約為159 MPa，而名義計算應(yīng)力的值101 MPa，仿真計算的結(jié)果和理論計算的結(jié)果差異很大。局部焊縫有應(yīng)力偏大的情況，這是受到應(yīng)力集中的影響。因為名義計算應(yīng)力沒有考慮應(yīng)力集中的影響，所以仿真結(jié)果和名義計算應(yīng)力有大的差異。焊縫部位的應(yīng)力集中系數(shù)為159/101＝1.6。

接工藝過程對接頭質(zhì)量的影響因素很多，因此，若要按實際應(yīng)力狀態(tài)精確計算焊縫的強度是很困難的，目前焊接接頭的靜強度計算都是在一定的假設(shè)條件下進行的，由文獻[3]可得焊接接頭靜強度計算的假設(shè)如下：

（1）略去焊接殘余應(yīng)力及焊縫根部和焊趾區(qū)的應(yīng)力集中對焊接接頭強度的影響；

（2）對接焊縫的計算厚度按被連接的兩板中較薄板的厚度計算，不考慮焊縫的增高；

（3）接頭的工作應(yīng)力是均布的，以平均應(yīng)力計算[2]。

圖4 不同模型計算結(jié)果曲線圖

由以上規(guī)定可知，焊縫的計算時不考慮應(yīng)力集中的影響，而有限元計算，不可避免的加入了應(yīng)力集中因素。現(xiàn)有的焊縫評價標準沒有考慮焊縫部位的應(yīng)力集中，采用較大的安全系數(shù)，來涵蓋應(yīng)力集中、殘余應(yīng)力等因素的影響，同時，通常游樂設(shè)施結(jié)構(gòu)復(fù)雜，關(guān)鍵焊縫較多，若全部通過構(gòu)建焊縫材料，模型規(guī)模太大。

因此有限元計算結(jié)果不適合現(xiàn)有的焊縫評價規(guī)范標準，這也是為什么同一部位，有限元計算結(jié)果偏大（包含應(yīng)力集中影響），而焊縫的名義計算應(yīng)力結(jié)果偏小的原因（忽略應(yīng)力集中影響）。然而大多數(shù)廠家在進行游樂設(shè)施的焊縫計算時，由于沒有構(gòu)建焊縫材料模型，焊縫部位的應(yīng)力過大，導(dǎo)致焊縫結(jié)果不符合規(guī)范要求，于是常見取距離焊縫一定距離（焊縫高度）的節(jié)點值，作為焊縫應(yīng)力去評價，這種評價方法是不嚴謹?shù)摹?/p>

4 節(jié)點值作為焊縫應(yīng)力是否合理

一般在靜載情況下，焊材的強度會遠遠高出母材，文獻[4]按照等強度理論做分析是一種保守的做法，游樂設(shè)施焊縫強度計算的正確做法是：按照理論計算公式，根據(jù)焊接類型、熔深、焊縫大小，焊縫長度等，得出焊縫計算應(yīng)力（不考慮應(yīng)力集中影響），再去評價焊縫[7]。

然而在一些企業(yè)的游樂設(shè)施計算書中，經(jīng)常會遇到取距離焊縫一定距離（焊縫高度）的節(jié)點值作為焊縫應(yīng)力去評價，為了說明節(jié)點值作為焊縫應(yīng)力值是否合理，以第1節(jié)對接焊縫強度理論算例的例子進行說明，在通過最大應(yīng)力值的有限元模型上建立一條路徑，如圖5所示。

圖5 應(yīng)力線性化位置圖

由圖6可知，距離最大應(yīng)力值一定距離上，應(yīng)力值急劇變化，從394 MPa瞬間降到0，距焊縫12 mm的節(jié)點應(yīng)力值為84 MPa，距焊縫15 mm的節(jié)點應(yīng)力值73 MPa，則對應(yīng)的安全系數(shù)（Q235B的抗拉強度為375 MPa）分別為4.5和5.1，這樣同一條焊縫就可得出兩種評價結(jié)論（節(jié)點位置僅差3 mm，焊縫安全系數(shù)是否滿足要求的臨界值為5.0）。

圖6 應(yīng)力線性化曲線

在距離焊縫一定位置上（全憑工程師手動操作）取值，可取的范圍很大，稍微移動一點距離，應(yīng)力值就相差很大，焊縫的計算是嚴謹?shù)?，這樣取值稍微有偏差，可能會得出完全不同的評價結(jié)果。因此，忽略焊縫材料的影響，取距離焊縫一定距離的節(jié)點值作為焊縫應(yīng)力值是不確定的，也是不科學(xué)、不合理的。

5 角焊縫計算

正應(yīng)力會使材料拉伸或壓縮，剪應(yīng)力會使材料發(fā)生剪切變形。由文獻[8]得：

如果存在合應(yīng)力，則角焊縫的計算公式為（游樂設(shè)施按照焊縫承受動載荷計算）：

焊接接頭強度計算的假設(shè)為[2]：

（1）正面角焊縫與側(cè)面角焊縫的強度沒有差別；

（2）角焊縫是在切應(yīng)力的作用下破壞的，按切應(yīng)力計算強度；

（3）角焊縫的破斷面（計算斷面）在角焊縫截面的最小高度上；

（4）加厚高和少量的熔深對接頭的強度沒有影響。

角焊縫連接的破壞形式和焊縫截面應(yīng)力分布較復(fù)雜，為簡化計算，假定角焊縫發(fā)生剪切破壞，切應(yīng)力沿焊縫長度方向均勻分布[5]。工程實踐證明，按名義計算剪應(yīng)力來計算角焊縫既可靠又簡便[3]。

綜上可知，角焊縫雖可能承受各種應(yīng)力，但最后都是以等效剪切應(yīng)力去評價校核。但游樂設(shè)施對角焊縫的校核評價，不采用鋼結(jié)構(gòu)標準中給出的強度設(shè)計值，而是采用安全系數(shù)法校核評價，即Ⅰ級和Ⅱ級焊縫的安全系數(shù)≥5[4]。

6 結(jié)論

焊縫從原理上說不是一個零件，是兩個零件融合在一起的一個特殊狀態(tài)區(qū)，受到殘余應(yīng)力、應(yīng)力集中等因素的影響，研究焊接殘余應(yīng)力，必須模擬焊縫熔池金屬和母材金屬從熔化到凝固、冷卻為常溫的全過程，而各種焊縫的約束條件又是不一樣的。熔化、冷卻、凝固、繼續(xù)冷卻整個熱力學(xué)過程的各項參數(shù)難以確定，因此理論計算中忽略了焊縫的殘余應(yīng)力、缺口應(yīng)力集中等效應(yīng)，按照相應(yīng)的標準規(guī)范，理論計算焊縫，并進行校核評價[9]。

正如以上所述，焊縫的應(yīng)力狀態(tài)是相當復(fù)雜的，對接焊縫與角焊縫的應(yīng)力狀態(tài)又是不同的，若要對各種受力類型的焊縫進行精確的計算是相當困難的[10]。因此，對游樂設(shè)施焊縫的計算應(yīng)按照以下原則進行：

（1）焊縫的校核計算應(yīng)該按照名義計算應(yīng)力計算，并按照文獻[4]進行校核評價；

（2）有限元計算結(jié)果考慮了應(yīng)力集中的影響，不能按照現(xiàn)有的焊縫評價標準體系去評價焊縫；

（3）取距離焊縫一定距離的節(jié)點應(yīng)力，存在很大的不確定性，且沒有相應(yīng)的理論支撐，不能作為焊縫應(yīng)力去評價；

（4）角焊縫的名義計算應(yīng)力僅考慮剪切應(yīng)力，當受復(fù)合內(nèi)力作用時，按照剪切應(yīng)力的合應(yīng)力去校核焊縫，焊縫計算的破斷應(yīng)力由角焊縫的抗剪條件確定[11]。

有限元應(yīng)力分析僅有計算云圖和計算結(jié)果是遠遠不夠的，分析者必須具有判斷計算結(jié)果準確性的能力，除了具有熟練的軟件應(yīng)用能力，還需掌握力學(xué)理論和有限元理論。

[1]趙九峰. 基于ANSYS Workbench自控飛機回轉(zhuǎn)機構(gòu)驅(qū)動功率的計算及電機選型[J]. 機械，2019（4）：30-33.

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[4]GB 8408－2018，大型游樂設(shè)施安全規(guī)范[S].

[5]范欽珊. 工程力學(xué)(靜力學(xué)和材料力學(xué))[M].北京：高等教育出版社，2007.

[6]徐格寧. 機械裝備金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計[M]. 北京：機械工業(yè)出版社，2010.

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Strength Check Calculation and Analysis on Welding of Large-Scale Amusement Device

ZHAO Jiufeng

( Special Equipment Safety Inspection and Research Institute of Henan Province,Zhengzhou 450000, China )

Welding is the main connection method of large-scale amusement device. The weld design calculation is directly related to the normal operation of the equipment and the safety of the passengers. Taking the welds of large-scale amusement device as an example in this paper, the stress of the weld is calculated according to theory calculation and finite element analysis. The calculation formulas and evaluation methods of butt welds and fillet welds are given, and a comparison analysis is made on whether or not to consider the weld materials when modeling. The research shows that the calculation of weld should be evaluated according to the nominal calculated stress. it is not appropriate to use the finite element method to check the welds of amusement device. The research methods and results provide the reference recommendations and reference for the design and calculation of welds of amusement device.

butt welding；finite element analysis；nominal calculated stress；stress concentration；large-scale amusement device

TS952.82

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2020.04.005

1006－0316 (2020) 04－0027－07

2019－06－14

趙九峰（1981－），男，河南平頂山人，碩士研究生，工程師，主要從事游樂設(shè)備設(shè)計計算、特種設(shè)備結(jié)構(gòu)仿真與載荷響應(yīng)研究工作。