对接接头工作应力分布及其应力集中系数的研究

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1、交通科学第29卷第1期武汉理工大学学报(与工程版)Vol.29No.12005年2月JournalofWuhanUniversityofTechnologyFeb.2005(TransportationScience&Engineering)对接接头工作应力分布及其应力集中系数的研究于有生卢伟(武汉理工大学材料科学与工程学院武汉430063)摘要:通过数值模拟软件ANSYS分析对接接头的工作应力分布,找出了对接接头的几何参数对应力集中系数的影响.为合理地选择焊接接头截面形状和尺寸,提高焊接结构的使用寿命和安全稳定性以及焊接结构的设计和制造提供了一定的理论依据.关键词:对接接头;应力集

2、中系数;工作应力中图法分类号:TG404对接接头由焊缝金属、熔合区、热影响区和邻ANSYS计算模型.通过有规律地改变这些参数近的母材所组成.焊接接头中的化学成分、金相组值,可以获得所需不同的ANSYS分析结果,并把织和力学性能一般是不均匀的.由于焊接接头截这些结果进行整理,绘成图表供分析和使用,大大面几何形状的突变性,造成焊接接头工作应力的地提高了分析效率和分析能力.分布也是不均匀的.其最大应力比平均应力高,称[1,2]之为应力集中.焊接接头形状复杂,难以用弹性力学的解析方法求解,一般采用实验方法求取,但因实验工作量较大,且因实验方法不同存在一定的实验误差,目前实验方面的数据还比较缺

3、少.文中借助于数值模拟软件ANSYS进行对接接头的建模、计算图1对接接头的ANSYS计算模型和分析,研究对接接头在承载时的工作应力分布2接头的工作应力分布和接头截面几何参数与应力集中系数K的关系.在进行对接接头应力集中系数的ANSYS分析计算时,首先要利用ANSYS的参数化程序设1对接接头的ANSYS计算模型计语言APDL建立计算模型、然后进行网格划分和加载计算.在接头截面变化急剧的地方(正面焊在进行ANSYS建模时,要考虑模型能够正缝和反面焊缝焊趾处),也就是应力集中发生的部确地反映焊接生产实际情况.在焊接生产实际中位,有限元网格应该划分得密一些.考虑到AN-对接接头的截面形状如图

4、1所示.接头的几何参SYS分析计算的主要目的是求出模型的应力分数有板厚D、焊缝正面熔宽B1、焊缝反面熔宽B2、布情况、最大应力发生的部位和求取对接接头应焊缝正面加强高E1、焊缝反面加强高E2和试件力集中系数,因此模型加载时取平均应力R=10计算长度L.在建立对接接头的ANSYS计算模MPa.通过不断地、有规律地改变接头几何参数并型时采用ANSYS的参数化程序设计语言进行对接接头的ANSYS分析和计算,可以得到[3]APDL.因此把接头几何参数D,B1,B2,E1,E2大量的计算结果,其中图2所示是典型接头(D=和L设计成APDL程序的参数,并按图1建立的16mm,B1=28mm,B2

5、=14mm,E1=4mm,E2收稿日期:20041124于有生:男,52岁,副教授,主要研究领域为焊接工艺与设备武汉理工大学学报(交通科学与工程版)2005年第29卷=1mm,L=100mm.)的工作应力分布云图,可见最大应力发生在MX处,即正面焊缝的焊趾处,因此在该处产生较大的应力集中.图3是从焊缝中心沿接头上表面并经过正面焊缝的焊趾在长度方向上的应力分布曲线;图4是从焊缝中心沿接头下表面并经过反面焊缝的焊趾在长度方向上的应力分布曲线.上述ANSYS分析计算结果说图3焊缝上表面沿长度方向的应力曲线明对接接头的工作应力分布是非常不均匀的,这[4]与实验结果基本一致.图4焊缝下表面沿长

6、度方向的应力曲线图表,图5给出其中一组典型的应力集中系数K图2工作应力分布云图与焊缝正面加强高E1之间的关系曲线.图5a)是D=10mm、B2=6mm,E2=1mm时的E1与3对接接头的应力集中系数K之间的关系;图5b)是D=20mm,B2=10mm,E2=1mm时E1与K之间的关系;图5c)是为了得到不同情况下的应力集中系数,通过D=30mm,B2=16mm,E2=1mm时E1与K之不断地改变接头的几何参数进行ANSYS分析计间的关系.上述结果说明E1是影响焊接接头应力算.根据每次ANSYS分析计算得到的平均应力集中系数的重要因素,随着E1的增加,K增加.Rm和最大应力Rmax,整

7、理出应力集中系数的计算图5应力集中系数曲线圆角r.由于光弹实验的模型与ANSYS的几何模4ANSYS计算结果与光弹实验结型完全一致,因此光弹实验的结果与ANSYS计算结果具有可比较性.图7是该模型在r=1mm,果的对比D分别为10mm和40mm时光弹实验的结[4～5]果与ANSYS在同样情况下计算出的应力集焊接接头应力集中系数以往都是通过电测或中系数K与加强高E之间的关系的对比.由此可光弹实验获得,但每次实验仅能获得一个结果,数见在模型一致的情况下,两者K