基于體-殼混合單元結構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構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。工程上對焊接結構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，但由于實際結構幾何形狀的復雜性，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-殼混合單元結構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機車轉向架焊接構架的三維模型，將模型離散為體-殼混合單元結構。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，接口處應力擾動顯著減小，計

3、算精度較高。
　　工程上應用最為廣泛的名義應力法不考慮焊接接頭自身應力集中效應，導致焊趾位置的應力計算結果與實際出現(xiàn)偏差。論文采用美國焊接結構研究中心的董平沙等人提出的基于主S-N曲線的等效結構應力法，考慮了焊接接頭的應力集中效應，具有對網格尺寸和形狀不敏感性的特點?；跀嗔蚜W理論，結合了大量的疲勞試驗、實際運營數據，得出了較為嚴謹的單一通用的主S-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)點力矩是等效結構應力法的難點，使得該方法在工程上難以得到廣泛應用。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，經坐標轉換得到局部坐標系下的節(jié)點力和節(jié)點力矩;根據標準ASME規(guī)范和董平沙提出的基于主S-N曲線等效結構應力法，推導了4節(jié)點殼單元和8節(jié)點實體單元的以結構應力σs為控制參數的等效結構應力Ss，并結合主S-N曲線完成焊接結構焊縫的疲勞強度評估。
　　通過與傳統(tǒng)名義應力法的疲勞強度評估結果對比，研究結果表明:基于體-殼混合單元結構的等效結構應力法與名義應力法所得到的結構危險區(qū)域略有差異，但整體分布