含未焊透缺陷网架焊接空心球节点应力分析
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摘要
焊接空心球节点是我国目前应用较广的一种节点，钢管与球节点的连接环焊缝是全方位焊接、难度大、焊接环境较差，因此网架焊缝内不可避免存在各种焊接缺陷，其中根部钝边未焊透是球管焊缝中最常见的危险性缺陷，该缺陷直接影响到网架结构的承载能力。为了保证空心球节点的安全可靠，准确了解未焊透缺陷对空心球节点应力分布的影响是十分重要的课题。
本文在总结前人和剖析有限元理论的基础上，采用有限元软件ANSYS 6.1对焊接空心球—钢管节点进行了有限元分析。对焊接空心球节点整体模型进行应力计算分析；计算了空心球与钢管连接处在含有未焊透缺陷时的应力集中系数；研究了未焊透深度、补强环焊缝焊脚长度对球节点应力集中的影响；讨论了对含超标未焊透缺陷的空心球节点，采用角焊缝补强工艺的可行性；利用基于断裂力学理论发展起来的焊接结构安全评定方法，对该空心球节点中未焊透缺陷对网架结构断裂安全性的影响进行安全评定，证实了采用补强环焊缝的方法能保证焊接空心球节点的安全使用。
本文应用数值模拟方法计算分析了含未焊透缺陷的空心球节点的应力分布，克服了试验测量方法费时费力、受许多条件限制等缺点，反过来还能验证试验测试的结果。因此本文的研究成果对科学研究和工程实际都具有重要意义。
Presently, the welded empty sphere and steel tube joint is applied widely. The circle welding seam fractures of steel tube and empty sphere is welded in full orientation difficultly and the welding circumstance is bad. So there are kinds of welding defects unavoidable. Among these defects, incompletely filled groove defect is one of the most dangerous defects. Therefore, it is an important subject to accurately estimate the effect of incompletely filled groove on welded empty sphere joint's stress distribution, ensuring the joint's safety.
Based on summarizing the results of the former researchers and dissecting the theory of FEM (finite element method), the FEM software ANSYS 6.1 is conducted on the welded empty sphere and steel tube joint in this paper .The stress of whole calculating model is studied; stress concentration coefficient under incompletely filled groove defect around the joint of empty sphere and steel tube is calculated; effects of the incompletely filled groove depth and the leg length of reinforced circle welding seam on sphere joint's stress concentration is studied ; Discussion is done on the feasibility of reinforcing the super-scaled incompletely filled groove sphere joint with fillet weld, the methods for safety assessment for welded structure which based on the development of fracture mechanics are applied to assessing the safety of welded empty sphere joint with incompletely filled groove defect and ensuring the safety of welded empty sphere joint reinforced with fillet weld.
The stress distribution on welded empty sphere joint with incompletely filled groove defect is calculated in this paper through the FEM, which overcome the shortages of the test methods, and can testify the measuring results of the test methods as well. So it is important to science research or engineering application.
本文在总结前人和剖析有限元理论的基础上，采用有限元软件ANSYS 6.1对焊接空心球—钢管节点进行了有限元分析。对焊接空心球节点整体模型进行应力计算分析；计算了空心球与钢管连接处在含有未焊透缺陷时的应力集中系数；研究了未焊透深度、补强环焊缝焊脚长度对球节点应力集中的影响；讨论了对含超标未焊透缺陷的空心球节点，采用角焊缝补强工艺的可行性；利用基于断裂力学理论发展起来的焊接结构安全评定方法，对该空心球节点中未焊透缺陷对网架结构断裂安全性的影响进行安全评定，证实了采用补强环焊缝的方法能保证焊接空心球节点的安全使用。
本文应用数值模拟方法计算分析了含未焊透缺陷的空心球节点的应力分布，克服了试验测量方法费时费力、受许多条件限制等缺点，反过来还能验证试验测试的结果。因此本文的研究成果对科学研究和工程实际都具有重要意义。
Presently, the welded empty sphere and steel tube joint is applied widely. The circle welding seam fractures of steel tube and empty sphere is welded in full orientation difficultly and the welding circumstance is bad. So there are kinds of welding defects unavoidable. Among these defects, incompletely filled groove defect is one of the most dangerous defects. Therefore, it is an important subject to accurately estimate the effect of incompletely filled groove on welded empty sphere joint's stress distribution, ensuring the joint's safety.
Based on summarizing the results of the former researchers and dissecting the theory of FEM (finite element method), the FEM software ANSYS 6.1 is conducted on the welded empty sphere and steel tube joint in this paper .The stress of whole calculating model is studied; stress concentration coefficient under incompletely filled groove defect around the joint of empty sphere and steel tube is calculated; effects of the incompletely filled groove depth and the leg length of reinforced circle welding seam on sphere joint's stress concentration is studied ; Discussion is done on the feasibility of reinforcing the super-scaled incompletely filled groove sphere joint with fillet weld, the methods for safety assessment for welded structure which based on the development of fracture mechanics are applied to assessing the safety of welded empty sphere joint with incompletely filled groove defect and ensuring the safety of welded empty sphere joint reinforced with fillet weld.
The stress distribution on welded empty sphere joint with incompletely filled groove defect is calculated in this paper through the FEM, which overcome the shortages of the test methods, and can testify the measuring results of the test methods as well. So it is important to science research or engineering application.
引文
[1] 谭玉成，蓝倜恩，杨永德，钱若军．网架结构空心球节点承载能力的试验研究及合理设计．科学出版社，空间结构论文选集
[2] 邹浩．北京钢铁设计研究总院，空间网架结构在冶金工业建筑中的应用评述．地震出版社，第六届空间结构学术会议论文集
[3] 雷宏刚．网架焊接空心球节点的研究现状及动向．第六届空间结构学术会议论文集
[4] 沈祖炎，陈扬骥．网架与网壳．同济大学出版社
[5] 沈祖炎．直接焊接结构节点极限承载力计算．钢结构，1991，NO 4
[6] 詹琛，沈祖炎．圆钢管节点的强度计算公式．钢结构，1999，NO 4
[7] 王勖成，邵敏．有限元基本原理和数值模拟．北京：清华大学出版社，2000．
[8] 梁醒培，董汉丽．管节点有限元应力分析．海洋石油平台T型管节点疲劳强度研究技术文件，OTR-05-01，1986
[9] 王宽福．压力容器焊接结构工程分析．化学工业出版社，1996
[10] 霍立兴．焊接结构的断裂行为及评定．北京：机械工业出版社，2000
[11] 谢贻权．何福保。弹性和塑性力学中的有限元法．北京：机械工业出版社，1983
[12] T．R．格尔内．焊接结构的疲劳．周殿群译．北京：机械工业出版社，1988
[13] 霍立兴．焊接结构工程强度．北京：机械工业出版社，1995
[14] 田锡唐．焊接结构．北京：机械工业出版社，1982
[15] 姚发坤，王平校．广东省体委空间结构在广东省体育建筑中的发展．第六届空间结构学术会议论文集
[16] GBJ17-88钢结构设计规范．北京：中国计划出版社，1989
[17] 雷宏刚．网架焊接空心球节点静力及疲劳性能的系统研究．第五届空间结构学术交流会论文集，1990
[18] 谭玉成、蓝倜恩、杨永德、钱若军．网架结构空心球节点承载能力的试
验研究及合理设计．空间结构论文选集，科学出版社，1985
[19] 秦冬祺．网架结构空心球节点的有限元研究．工程力学，第一期，1990
[20] 魏文梅、胡维生．网架空心球容许承载力计算公式．第二届空间结构学术交流会论文集，1984
[21] 刘冲．受拉空心球节点的几个问题．第二届空间结构学术交流会论文集，1984
[22] 王志必．网架空心球节点的极限分析．第二届空间结构学术交流会论文集，1984
[23] 刘锡良、陈志华．空间网架焊接空心球节点破坏机理分析及承载能力实验研究．第五届空间结构学术交流会论文集，1990
[24] 陈扬骥．关于空心球节点角焊缝的计算．第三届空间结构学术交流会论文集，1986
[25] 万晋，林悦．压力容器大开口接管应力集中影响因素分析．福建化工，第一期，2000
[26] 姚念亮，董明，杨联萍等．带人工裂纹的焊接结构梁柱节点有限元应力分析．机械强度，2001,23(1)
[27] 罗永峰，郑科，董洁．薄壁空心球节点承载能力的非线性数值分析．建筑结构，2002，3
[28] 周敏惠，於美甫口．焊接缺陷与对策．上海：上海科学技术文献出版社
[29] 王光钦，雷斌隆．引水压力钢管表面凹坑缺陷应力扩大系数及其估算方法．西南交通大学学报．1997，2
[30] 李文娟，刘强．焊接缺陷对结构强度的影响．山东科学，2002，3
[31] 王嘉麟，侯贤忠．球形储罐焊接工程技术．北京：机械工业出版社
[32] 路克宽．网架结构球—管焊接新工艺．空间结构，1994，2
[33] 姜兰潮，高日，徐国彬．影响焊接空心球节点承载能力的几个因素的分析．北方交通大学学报，1998，4
[34] 娄忆清，陈江，翁晓红．低压供汽管道安装焊缝缺陷安全评定．浙江工业大学学报，2002，1
[35] 薛河，马宏伟，李明．工程结构缺陷安全评定研究的进展．西安矿业学院学报，1995，15
[36] 周学军，刘锡良，许立准．网架结构超大直径焊接空心球节点的工作性态研究．山东建筑工程学院学报，1997，2
[37] 施丽娟，崔维成．集装箱船舱口角隅应力集中系数的有限元分析的精度．中国造船，2003，1
[38] 王威强，姜辉琼，黄雪坤，蒋晓东．未焊透的弹塑性断裂失效分析研究．压力容器，1993，5
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[52] 胡传忻．断裂力学及其工程应用．北京：北京工业大学出版社，1989
[53] 王春光，李少甫，石久永．焊接钢管节点热点应力集中系数参数方程的适用性研究．工程力学，1999，16(6)
[54] 李泽震．焊接缺陷评定方法的进展—英国BS6493建议修订版简介．压力容器。1988，9，11期
[55] 王国强．实用工程数值模拟技术及在ANSYS上的实践．西安：西北工业大学出版社，2000
[56] 胡维生，黄蓓，胡海波．网架焊接空心球承载力计算式的研究．建筑科学，1995，3
[57] 中国建筑科学研究院，浙江大学．网架结构设计与施工规程(JGJ7-91)北京：中国工业出版社
[58] 薛曾通．焊接空心球节点网架中球节点角焊缝与钢管的等强条件．工业建筑，1995，25
[59] 湖北省计划委员会主编．钢结构工程施工与验收规范(GB50205-95)．北京：中国建筑工业出版社，2001
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[66] 李景涌．有限元法．北京：北京邮电大学出版社，1999
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