基于體-殼混合單元結(jié)構(gòu)的焊縫疲勞強度研究.pdf

1、大量疲勞試驗和運營實踐表明，疲勞破壞是工程焊接結(jié)構(gòu)主要的破壞形式之一。疲勞失效通常發(fā)生在焊縫的焊趾位置，在交變載荷作用下焊趾處萌生裂紋，并沿著焊趾在板件厚度方向上擴展直至斷裂。工程上對焊接結(jié)構(gòu)進行疲勞強度評估時，采用殼單元建模能夠顯著降低計算規(guī)模并縮短分析周期，但由于實際結(jié)構(gòu)幾何形狀的復雜性，目前其FE仿真模型通常離散為實體單元，且國內(nèi)外常用的幾種疲勞強度理論也都存在著一定的差異性。因此，研究基于體-殼混合單元結(jié)構(gòu)的焊縫疲勞強度分析方法

2、具有重要的工程實踐意義。
　　論文基于Hypermesh平臺建立了某C0機車轉(zhuǎn)向架焊接構(gòu)架的三維模型，將模型離散為體-殼混合單元結(jié)構(gòu)。實體單元與殼單元的節(jié)點自由度不同，接口處節(jié)點直接耦合時剛度不匹配，體-殼單元之間力與位移的傳遞存在較大的偏差。接口位置采用節(jié)點耦合法、MPC接觸綁定、RBE3柔性連接法以及RBE2剛性連接法四種方案，驗證了體-殼混合單元模型的計算精度。研究表明，采用RBE2剛性單元連接時，接口處應(yīng)力擾動顯著減小，計

3、算精度較高。
　　工程上應(yīng)用最為廣泛的名義應(yīng)力法不考慮焊接接頭自身應(yīng)力集中效應(yīng)，導致焊趾位置的應(yīng)力計算結(jié)果與實際出現(xiàn)偏差。論文采用美國焊接結(jié)構(gòu)研究中心的董平沙等人提出的基于主S-N曲線的等效結(jié)構(gòu)應(yīng)力法，考慮了焊接接頭的應(yīng)力集中效應(yīng)，具有對網(wǎng)格尺寸和形狀不敏感性的特點?；跀嗔蚜W理論，結(jié)合了大量的疲勞試驗、實際運營數(shù)據(jù)，得出了較為嚴謹?shù)膯我煌ㄓ玫闹鱏-N曲線，提高了焊接接頭疲勞壽命預測的準確性。
　　獲得局部坐標系下焊縫的節(jié)

4、點力和節(jié)點力矩是等效結(jié)構(gòu)應(yīng)力法的難點，使得該方法在工程上難以得到廣泛應(yīng)用。論文基于FORTRAN編程語言，實現(xiàn)了空間焊縫焊趾節(jié)點局部坐標系的自動識別方法。通過Hypermesh建立焊接構(gòu)架的體-殼混合單元模型，導入ANSYS軟件中進行疲勞強度仿真分析，并利用APDL語言提取殼單元、實體單元焊縫在整體坐標系下的節(jié)點坐標信息、焊縫單元信息以及不同載荷工況下的節(jié)點力和節(jié)點力矩信息;基于FORTRAN語言，編程處理有限元分析結(jié)果的信息文件，識別

5、直線、空間曲線焊縫焊趾節(jié)點局部坐標系，經(jīng)坐標轉(zhuǎn)換得到局部坐標系下的節(jié)點力和節(jié)點力矩;根據(jù)標準ASME規(guī)范和董平沙提出的基于主S-N曲線等效結(jié)構(gòu)應(yīng)力法，推導了4節(jié)點殼單元和8節(jié)點實體單元的以結(jié)構(gòu)應(yīng)力σs為控制參數(shù)的等效結(jié)構(gòu)應(yīng)力Ss，并結(jié)合主S-N曲線完成焊接結(jié)構(gòu)焊縫的疲勞強度評估。
　　通過與傳統(tǒng)名義應(yīng)力法的疲勞強度評估結(jié)果對比，研究結(jié)果表明:基于體-殼混合單元結(jié)構(gòu)的等效結(jié)構(gòu)應(yīng)力法與名義應(yīng)力法所得到的結(jié)構(gòu)危險區(qū)域略有差異，但整體分布