桅桿結(jié)構(gòu)拉耳焊接結(jié)點(diǎn)“焊接-風(fēng)致”應(yīng)力場(chǎng)研究.pdf

1、桅桿結(jié)構(gòu)是一類(lèi)廣泛應(yīng)用于廣播電視、微波通信、氣象監(jiān)測(cè)等行業(yè)的高聳結(jié)構(gòu)。由于桅桿結(jié)構(gòu)桿身長(zhǎng)細(xì)比大，整體水平剛度較小，使其對(duì)風(fēng)荷載作用特別敏感。大量桅桿風(fēng)致事故調(diào)查報(bào)告表明：桅桿結(jié)構(gòu)倒塌事故多數(shù)是由于疲勞損傷后引起結(jié)點(diǎn)疲勞斷裂、結(jié)構(gòu)失穩(wěn)或構(gòu)件強(qiáng)度破壞而導(dǎo)致的。桅桿結(jié)構(gòu)發(fā)生疲勞累積損傷最為嚴(yán)重的位置在桿身弦桿與纖繩連接的拉耳焊接結(jié)點(diǎn)處，研究該焊接結(jié)點(diǎn)疲勞損傷問(wèn)題的核心前提就在于獲得風(fēng)荷載作用下拉耳焊接結(jié)點(diǎn)局部的隨機(jī)疲勞荷載譜，即局部實(shí)際動(dòng)應(yīng)力

2、場(chǎng)。為此本文對(duì)桅桿結(jié)構(gòu)拉耳焊接結(jié)點(diǎn)的“焊接-風(fēng)致”應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行了分析研究。
　　拉耳焊接結(jié)點(diǎn)“焊接-風(fēng)致”應(yīng)力場(chǎng)研究工作的難點(diǎn)在于：較高且復(fù)雜的焊接殘余應(yīng)力在桅桿結(jié)構(gòu)服役前已經(jīng)存在于拉耳焊接結(jié)點(diǎn)；服役過(guò)程中焊接殘余應(yīng)力又由于風(fēng)荷載引起的復(fù)雜工作應(yīng)力而發(fā)生松弛，使得拉耳焊接結(jié)點(diǎn)局部最終形成更加復(fù)雜的“焊接-風(fēng)致”實(shí)際應(yīng)力場(chǎng)。考慮到研究工作的復(fù)雜性和直接進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究的可行性低與經(jīng)濟(jì)性差，本文采用了下述由簡(jiǎn)到繁的研究思路。首先對(duì)簡(jiǎn)單對(duì)接焊

3、平板進(jìn)行焊接殘余應(yīng)力及其松弛行為的數(shù)值分析，然后再對(duì)對(duì)接焊平板的焊接殘余應(yīng)力及其松弛行為進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究并驗(yàn)證模擬結(jié)果的正確性和可行性，最后運(yùn)用該數(shù)值模擬技術(shù)對(duì)復(fù)雜桅桿結(jié)構(gòu)拉耳焊接結(jié)點(diǎn)的“焊接-風(fēng)致”應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行了分析和研究。
　　運(yùn)用熱-結(jié)構(gòu)順序耦合的方法對(duì)兩類(lèi)坡口對(duì)接焊平板的整個(gè)焊接過(guò)程進(jìn)行了有限元數(shù)值模擬。焊接溫度場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)的模擬充分反映了焊接實(shí)際中熱輸入的局部集中性，電弧沿焊縫行走的移動(dòng)性，焊接熔合區(qū)材料焊接加熱和焊后冷卻的高瞬

4、時(shí)性和材料物理屬性隨溫度變化的強(qiáng)非線性。縱向焊縫對(duì)接焊平板焊接殘余應(yīng)力的數(shù)值模擬結(jié)果表明：縱向焊接殘余應(yīng)力在中心橫斷面上表現(xiàn)為壓-拉-壓的分布規(guī)律，而在縱斷面上有很長(zhǎng)的穩(wěn)定區(qū)；縱向焊接殘余應(yīng)力峰值接近材料的屈服強(qiáng)度，整體數(shù)值較大且比橫向焊接殘余應(yīng)力大很多。比較縱向焊縫和橫向焊縫兩類(lèi)對(duì)接焊平板上的焊接殘余應(yīng)力的模擬結(jié)果，選擇縱向焊接殘余應(yīng)力數(shù)值較大且分布穩(wěn)定的縱向焊縫對(duì)接焊平板為本文研究的簡(jiǎn)單對(duì)象。
　　基于焊接殘余應(yīng)力松弛的宏觀力

5、學(xué)條件，運(yùn)用彈塑性有限元方法分別模擬了坡口對(duì)接焊平板焊接殘余應(yīng)力在靜載作用下和循環(huán)荷載作用下的松弛行為。模擬結(jié)果表明：兩種加載條件下焊接殘余應(yīng)力的宏觀松弛條件一致，即對(duì)接焊平板橫斷面上部分區(qū)域的材料發(fā)生塑性變形；松弛規(guī)律也同樣表現(xiàn)出，隨著（循環(huán)）工作應(yīng)力（峰值）加大焊接殘余應(yīng)力松弛程度變大的特點(diǎn)。等幅循環(huán)荷載作用下循環(huán)次數(shù)和循環(huán)應(yīng)力比對(duì)焊接殘余應(yīng)力的松弛程度沒(méi)有影響，松弛行為僅僅發(fā)生在循環(huán)加載的第一次循環(huán)。變幅循環(huán)作用下應(yīng)力循環(huán)加載順序

6、只影響焊接殘余應(yīng)力的松弛過(guò)程，不影響最終的松弛程度。
　　對(duì)坡口對(duì)接焊平板試件焊接殘余應(yīng)力及其松弛行為進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值結(jié)果對(duì)比分析表明：焊接殘余應(yīng)力的模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果在分布規(guī)律上基本一致，數(shù)值上更接近工程實(shí)際的應(yīng)力水平。對(duì)于靜載作用和循環(huán)荷載作用下焊接殘余應(yīng)力的宏觀松弛條件和松弛規(guī)律，數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本一致；實(shí)驗(yàn)中循環(huán)荷載作用下焊接殘余應(yīng)力隨循環(huán)次數(shù)增加表現(xiàn)的不安定性行為在模擬結(jié)果中并沒(méi)有體現(xiàn)，但晶格層面的不

7、安定性行為引起的焊接殘余應(yīng)力松弛程度很小，故忽略其影響從宏觀層面出發(fā)的模擬結(jié)果基本反映了循環(huán)荷載作用對(duì)焊接殘余應(yīng)力松弛的影響。
　　建立桅桿結(jié)構(gòu)結(jié)點(diǎn)（實(shí)體）-桿身（梁）-纖繩（拉桿）的結(jié)構(gòu)多尺度有限元模型，并在多尺度模型上實(shí)現(xiàn)了整體尺度桅桿結(jié)構(gòu)風(fēng)振響應(yīng)與局部尺度拉耳焊接結(jié)點(diǎn)“焊接-風(fēng)致”響應(yīng)的協(xié)同計(jì)算。模擬結(jié)果表明：由于焊接殘余應(yīng)力的存在和焊接殘余應(yīng)力在風(fēng)荷載引起的工作應(yīng)力作用下的松弛，拉耳焊接結(jié)點(diǎn)危險(xiǎn)點(diǎn)的實(shí)際應(yīng)力時(shí)程表現(xiàn)出接近材