角焊缝剪切强度理论与尺寸设计准则研究

In order to solve welding distortion of sheet welded structures, welding procedures have been studied usually. In fact, excessively conservative weld size is another key reason for excessive welding distortion. So, this project plan to establish a high-procession weld sizing rule for modern sheet welded structures based on research on shear strength theory of fillet welds, and then, welding distortion could be relieved from weld sizing. . Because shear strength theory is not consummate, empirical equations based on massive amount of test data were used in current weld sizing rules, which are always not universal and conservative. In this project, a mesh-insensitive structural stress method was used for shear test data analysis, and a new shear strength definition is proposed. With the new definition, shear strength of filler welds could be calculated exactly, and the dangerous section of fillet welds under different loading conditions could be identified. Then, equal strength rule is used for establish the new weld sizing rule in order to improve the procession significantly. . At last, the influence of weld size on fatigue failure modes and life of fillet weld joints is studied based on structure stress method in this project, which could be used for weld sizing of fillet welds under dynamic load.

对于薄板焊接结构的焊接变形控制问题，人们通常从焊接工艺角度进行研究和解决。而事实上，焊缝设计过于保守也是产生过大焊接变形的重要原因。因此课题计划在对角焊缝剪切强度理论深入研究的基础上，建立适用于现代薄板焊接结构的高精度角焊缝尺寸设计准则，从而在设计环节缓解焊接变形问题。.由于角焊缝强度理论不完善，当前尺寸设计准则均使用基于大量试验数据的经验公式，通用性不强，且偏于保守。课题基于网格不敏感结构应力方法，结合AWS B4.0正面和侧面角焊缝剪切试验数据，建立新的剪切强度定义，解决了角焊缝的剪切强度计算问题，并能够判断不同受力条件下角焊缝的薄弱截面。同时对其它典型角焊缝接头进行了进一步研究。然后利用等强度原则，建立了新的角焊缝的尺寸设计准则，以显著提高设计精度。.最后，课题还基于结构应力方法，研究焊缝尺寸对角焊缝接头疲劳破坏模式和寿命的影响，为承受动荷载的角焊缝接头设计提供了理论依据。

由于结构轻量化的需要，高强度薄板材料得到广泛应用。然而，焊接结构中的薄板屈曲和过大焊接变形问题也因此越来越严重。分析表明，焊缝设计过于保守是问题产生的重要原因之一。本项目从角焊缝接头的静力和疲劳强度两个方面对焊脚尺寸进行优化，从而达到缓解焊接变形的目的。.首先，项目基于网格不敏感结构应力方法对角焊缝剪切强度理论进行深入研究。通过对AWS B4.0标准正面和侧面角焊缝剪切试验数据的分析，建立了使用剪切膜应力描述的焊缝剪切强度定义，给出了计算公式，解决了角焊缝的剪切强度计算问题，并对其它典型角焊缝剪切强度问题作了进一步研究。.然后，利用等承载能力原则，建立了新的角焊缝尺寸设计公式。公式使用新的焊缝剪切强度定义，与传统公式相比可以降低焊脚尺寸超过12%，这对缓解焊接变形问题有显著效果。.最后，项目研究了角焊缝尺寸对接头疲劳性能和失效模式的影响。试验和理论结果表明：对于承载角焊缝，焊脚尺寸越大，焊接接头的疲劳性能越高，并且随着焊脚尺寸的增大，焊接接头的破坏模式也从焊根失效转变为焊趾失效，而焊脚尺寸与板厚之比约为0.75是失效模式转换的临界值；对于非承载焊缝，焊接接头的失效模式为焊趾失效，焊脚尺寸的增大反而会带来疲劳性能的下降。这些结论为承受动荷载的角焊缝接头设计提供了理论依据。