铸钢节点环形对接焊缝的疲劳力学性能研究

由铸造工艺生产的铸钢节点，形式灵活，力学性能优良，正逐渐广泛应用于大跨空间结构中，并开始应用于承受疲劳载荷的结构中。其环形对接焊缝是整个节点疲劳问题的关键，对节点的疲劳行为起控制作用。作为新材料、新结构型式，目前关于这种环形对接焊缝的疲劳力学性能的研究还极少，疲劳数据远远不能满足工程需要。本项目首先解决此类焊缝的疲劳数据缺乏问题，研究此类焊缝的疲劳试验方法，进行大量基础疲劳试验，测出各种典型焊接细节的环形对接焊缝的S-N曲线。其次对热点应力法在此类焊缝疲劳计算中的应用进行研究，通过有限元技术与光弹试验技术相结合，解决热点应力法分析此类焊缝的关键问题，包括焊缝局部有限元网格尺寸；各种焊接细节的热点的位置和应力计算；给出工程应用的热点应力幅寿命曲线.本项目拟实现积累数据和建立数值分析方法的目标，以解决工程中急需的基础力学问题，推广铸钢节点这一新型工程材料和结构形式的应用，改善结构的疲劳性能。

铸钢节点形式灵活，受力合理，目前已广泛应用于工程结构中，但关于其疲劳问题的研究还很少。铸钢节点的疲劳问题包含两部分内容：铸钢本身的疲劳和铸钢与钢管连接的环形对接焊缝的疲劳，因为铸钢部分的疲劳强度高于焊缝的疲劳强度，焊缝是整个节点疲劳问题的关键。本项目针对铸钢节点疲劳问题中的关键问题，即环形对接焊缝的疲劳强度试验和热点应力法计算进行研究。. （1）典型环形对接焊缝形式的疲劳试验。. 根据国内常用的铸钢节点焊接形式，设计了两种不同的焊接细节进行了小试件疲劳试验。小试件为从铸钢与钢管环形对接构件中截取的一部分带焊缝的弧形试件。两种细节的焊缝试件共试验了21个应力级别的24根试件。根据Miner线性积累损伤准则和最小二乘法，拟合了两种铸钢节点环形对接焊缝的疲劳试验数据，得出两种焊缝细节的S-N曲线和P-S-N曲线。总结出了两种焊接细节的疲劳设计准则表，其中分别给出了两种焊接细节的疲劳极限和寿命曲线，并给出了焊接的具体构造形式及焊接过程中的质量要求。所获得的疲劳强度数据为工程中焊缝抗疲劳设计提供了参考。. 试件疲劳断裂的断面分析结果显示，绝大部分试件的疲劳破坏均从焊根位置开始，与传统焊缝在焊趾位置起裂的破坏方式完全不同，这是由于焊缝两边铸钢与钢管的显著的厚度差造成的，这一结果为工程中铸钢节点环形对接焊缝的细节设计提供了参考。. （2）热点应力法在铸钢节点环形对接焊缝疲劳计算中的关键问题研究。. 针对五种铸钢节点焊缝细节形式，进行了精细有限元分析，确定所有焊缝细节的应力值最大点均位于焊根处。. 通过计算确定了不同焊缝形式的合理计算模型尺寸和合理模型网格尺寸。. 基于国际通用的热点应力法和铸钢节点焊缝的有限元分析结果，推导了适用于计算焊根热点应力值的表面外推法和直接计算法。并对两种方法的计算结果进行了比较。. 对热点应力法进行了参数分析，结果显示在相同边界条件和加载情况下，五种类型焊缝的焊根热点应力值均随着钢管壁厚和构件半径的减小而增加，并且几乎不随着垫板与焊缝间间隙大小的变化而改变。. 计算了不同细节焊缝的焊根热点应力集中系数，并通过试验证明了其有效性。然后与本项目的铸钢节点焊缝疲劳试验结合，得到了两种类型焊缝的焊根热点应力寿命曲线（Shot-N）及其表达式。