大型游樂(lè)設(shè)施焊縫強(qiáng)度校核計(jì)算分析

趙九峰

大型游樂(lè)設(shè)施焊縫強(qiáng)度校核計(jì)算分析

趙九峰

（河南省特種設(shè)備安全檢測(cè)研究院，河南 鄭州 450000）

焊接是大型游樂(lè)設(shè)施的主要連接方式，焊縫設(shè)計(jì)計(jì)算直接關(guān)系到游樂(lè)設(shè)施的正常運(yùn)行和乘客的生命安全。本文以大型游樂(lè)設(shè)施中的焊縫為例，對(duì)焊縫部位的應(yīng)力，分別按照力學(xué)理論計(jì)算和有限元分析計(jì)算，給出對(duì)接焊縫和角焊縫的計(jì)算公式和校核評(píng)價(jià)方法，并對(duì)有限元計(jì)算建模時(shí)，是否考慮焊縫材料進(jìn)行了分析比較。研究表明，焊縫的校核計(jì)算應(yīng)該按照名義計(jì)算應(yīng)力進(jìn)行校核評(píng)價(jià)，不宜用有限元法去校核評(píng)價(jià)的游樂(lè)設(shè)施焊縫。研究方法和結(jié)果為大型游樂(lè)設(shè)施結(jié)構(gòu)件焊縫的校核計(jì)算提供參考性建議和依據(jù)。

對(duì)接焊縫；有限元；名義計(jì)算應(yīng)力；應(yīng)力集中；大型游樂(lè)設(shè)施

游樂(lè)設(shè)施金屬結(jié)構(gòu)所采用的連接方式主要為螺栓緊固和焊接[1]，游樂(lè)設(shè)施很多零部件都是通過(guò)焊接來(lái)進(jìn)行連接緊固的[2]。隨著游樂(lè)設(shè)施朝著更快、更高的方向發(fā)展，其結(jié)構(gòu)焊縫主要承受交變動(dòng)載荷，從焊縫連接構(gòu)造和強(qiáng)度計(jì)算特點(diǎn)出發(fā)，游樂(lè)設(shè)施中的焊縫分為對(duì)接焊縫和角焊縫。對(duì)于T型接頭和角接接頭，對(duì)接焊縫與角焊縫的主要區(qū)別在于焊縫是否能夠在板邊整個(gè)厚度上連續(xù)焊透，焊透了為對(duì)接焊縫，如不焊透則為角焊縫[3]?！队螛?lè)設(shè)施安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》[4]規(guī)定：角焊縫承受動(dòng)載荷的，應(yīng)采用全焊透結(jié)構(gòu)。由于游樂(lè)設(shè)施主要承受動(dòng)載荷，因此游樂(lè)設(shè)施中的重要焊縫，不管是對(duì)接焊縫還是角焊縫，大多采取全焊透焊縫。

本文以游樂(lè)設(shè)施的對(duì)接焊縫和角焊縫為例，分別利用應(yīng)力計(jì)算公式和有限元軟件分析計(jì)算焊縫部位的應(yīng)力，為游樂(lè)設(shè)施結(jié)構(gòu)焊縫的計(jì)算提供參考。

1 對(duì)接焊縫強(qiáng)度理論算例

由文獻(xiàn)[4]可知，對(duì)接焊縫的計(jì)算要求為：承受軸向拉力或壓力的對(duì)接焊縫，應(yīng)計(jì)算其縱向拉、壓應(yīng)力；承受彎矩和剪力聯(lián)合作用的對(duì)接焊縫，應(yīng)計(jì)算其危險(xiǎn)點(diǎn)的最大正應(yīng)力和最大剪切應(yīng)力；對(duì)角焊縫的計(jì)算要求為：角焊縫應(yīng)計(jì)算其抗剪強(qiáng)度，當(dāng)角焊縫受復(fù)合內(nèi)力作用時(shí)，應(yīng)計(jì)算出合應(yīng)力。根據(jù)規(guī)范要求按照破斷拉力與最大計(jì)算應(yīng)力的比值來(lái)校核焊縫。

為了說(shuō)明焊縫理論計(jì)算和有限元計(jì)算的區(qū)別，下面舉例說(shuō)明。

圖1中節(jié)點(diǎn)板和預(yù)埋鋼板間的T型對(duì)接焊縫。承受拉力作用，焊縫等級(jí)為Ⅰ級(jí)，偏心力＝120000 N，鋼材為Q235B，手工焊，焊條為E43型。按照文獻(xiàn)[8]計(jì)算焊縫應(yīng)力值。并結(jié)合文獻(xiàn)[4]對(duì)焊縫進(jìn)行校核評(píng)價(jià)。

圖1 焊縫受力示意圖

首先對(duì)力在焊縫部位進(jìn)行分解，分解為水平方向的拉力和豎直方向的剪切力[5]：

式中：為水平方向的拉力，N；為豎直方向的剪切力，N。

計(jì)算得：＝72000；＝96000。

由于水平拉力未通過(guò)焊縫的形心，在焊縫部位產(chǎn)生一個(gè)附加彎矩[5]：

＝（3）

式中：為彎矩，N·mm；為拉力與焊縫的形心的距離，mm，＝20。

計(jì)算得：＝1440000。

對(duì)接焊縫，根據(jù)構(gòu)件截面計(jì)算焊縫應(yīng)力[6]。焊縫下端點(diǎn)最危險(xiǎn)，該點(diǎn)各項(xiàng)應(yīng)力為[5]：

則：

理論計(jì)算焊縫的合應(yīng)力為[5]：

由文獻(xiàn)[4]可知，對(duì)接焊縫按照最大正應(yīng)力和最大剪應(yīng)力分別評(píng)價(jià)，焊縫等級(jí)為Ⅰ焊縫，則：

焊縫的分析結(jié)果表明，焊縫合應(yīng)力的安全系數(shù)小于5.0，不滿足安全規(guī)范要求。

2 對(duì)接焊縫有限元計(jì)算

由圖1構(gòu)建精細(xì)化的三維模型，構(gòu)建兩種模型，其幾何形狀分別見(jiàn)圖2，圖2（a）不考慮焊縫材料，圖2（b）考慮焊縫材料，采用實(shí)體單元進(jìn)行分析比較。

圖2 幾何模型

在載荷和約束不變的情況下，通過(guò)不同的網(wǎng)格尺寸，計(jì)算零件的最大應(yīng)力值。為了比較不同模型和網(wǎng)格尺寸對(duì)結(jié)果的影響，分別對(duì)無(wú)圓角和有圓角的模型在主體網(wǎng)格單元尺寸分別是10 mm、5 mm和3 mm等算例進(jìn)行計(jì)算。通過(guò)不考慮焊縫材料和考慮焊縫材料，即無(wú)圓角和有圓角在不同網(wǎng)格的計(jì)算結(jié)果如圖3所示。

計(jì)算結(jié)果曲線圖如圖4所示。

對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行匯總，結(jié)果如表1所示。

由圖4可知，不考慮焊縫材料（不帶圓角），由于連接區(qū)域應(yīng)力奇異，不收斂，所以網(wǎng)格越細(xì)應(yīng)力就會(huì)越大（如果網(wǎng)格持續(xù)加密，應(yīng)力值會(huì)持續(xù)增大），有限元得到的結(jié)果是不可信的，會(huì)使焊縫部位的應(yīng)力計(jì)算結(jié)果偏大；考慮焊縫材料（帶圓角）的計(jì)算結(jié)果趨于穩(wěn)定，結(jié)果可接受。

表1 計(jì)算結(jié)果匯總（單位：MPa）

在游樂(lè)設(shè)施有限元設(shè)計(jì)計(jì)算中，國(guó)內(nèi)大多廠家常常將焊縫簡(jiǎn)化并忽略，從以上計(jì)算可以看出，不考慮焊縫材料，會(huì)使焊縫附近的應(yīng)力計(jì)算結(jié)果偏大，出現(xiàn)虛假的應(yīng)力，即應(yīng)力奇異。事實(shí)證明，對(duì)焊縫進(jìn)行簡(jiǎn)化或忽略會(huì)造成計(jì)算結(jié)果的偏差，對(duì)游樂(lè)設(shè)施中重要部位的焊接，如果要知道焊縫部位的實(shí)際應(yīng)力值，要將焊縫的結(jié)構(gòu)建立出來(lái)，把模型做精細(xì)，該倒角的就倒角，把有過(guò)渡的部份都做出來(lái)再做分析。

3 應(yīng)力集中的影響

由以上分析可知，焊縫部位實(shí)際應(yīng)力約為159 MPa，而名義計(jì)算應(yīng)力的值101 MPa，仿真計(jì)算的結(jié)果和理論計(jì)算的結(jié)果差異很大。局部焊縫有應(yīng)力偏大的情況，這是受到應(yīng)力集中的影響。因?yàn)槊x計(jì)算應(yīng)力沒(méi)有考慮應(yīng)力集中的影響，所以仿真結(jié)果和名義計(jì)算應(yīng)力有大的差異。焊縫部位的應(yīng)力集中系數(shù)為159/101＝1.6。

接工藝過(guò)程對(duì)接頭質(zhì)量的影響因素很多，因此，若要按實(shí)際應(yīng)力狀態(tài)精確計(jì)算焊縫的強(qiáng)度是很困難的，目前焊接接頭的靜強(qiáng)度計(jì)算都是在一定的假設(shè)條件下進(jìn)行的，由文獻(xiàn)[3]可得焊接接頭靜強(qiáng)度計(jì)算的假設(shè)如下：

（1）略去焊接殘余應(yīng)力及焊縫根部和焊趾區(qū)的應(yīng)力集中對(duì)焊接接頭強(qiáng)度的影響；

（2）對(duì)接焊縫的計(jì)算厚度按被連接的兩板中較薄板的厚度計(jì)算，不考慮焊縫的增高；

（3）接頭的工作應(yīng)力是均布的，以平均應(yīng)力計(jì)算[2]。

圖4 不同模型計(jì)算結(jié)果曲線圖

由以上規(guī)定可知，焊縫的計(jì)算時(shí)不考慮應(yīng)力集中的影響，而有限元計(jì)算，不可避免的加入了應(yīng)力集中因素?，F(xiàn)有的焊縫評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)沒(méi)有考慮焊縫部位的應(yīng)力集中，采用較大的安全系數(shù)，來(lái)涵蓋應(yīng)力集中、殘余應(yīng)力等因素的影響，同時(shí)，通常游樂(lè)設(shè)施結(jié)構(gòu)復(fù)雜，關(guān)鍵焊縫較多，若全部通過(guò)構(gòu)建焊縫材料，模型規(guī)模太大。

因此有限元計(jì)算結(jié)果不適合現(xiàn)有的焊縫評(píng)價(jià)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，這也是為什么同一部位，有限元計(jì)算結(jié)果偏大（包含應(yīng)力集中影響），而焊縫的名義計(jì)算應(yīng)力結(jié)果偏小的原因（忽略應(yīng)力集中影響）。然而大多數(shù)廠家在進(jìn)行游樂(lè)設(shè)施的焊縫計(jì)算時(shí)，由于沒(méi)有構(gòu)建焊縫材料模型，焊縫部位的應(yīng)力過(guò)大，導(dǎo)致焊縫結(jié)果不符合規(guī)范要求，于是常見(jiàn)取距離焊縫一定距離（焊縫高度）的節(jié)點(diǎn)值，作為焊縫應(yīng)力去評(píng)價(jià)，這種評(píng)價(jià)方法是不嚴(yán)謹(jǐn)?shù)摹?/p>

4 節(jié)點(diǎn)值作為焊縫應(yīng)力是否合理

一般在靜載情況下，焊材的強(qiáng)度會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高出母材，文獻(xiàn)[4]按照等強(qiáng)度理論做分析是一種保守的做法，游樂(lè)設(shè)施焊縫強(qiáng)度計(jì)算的正確做法是：按照理論計(jì)算公式，根據(jù)焊接類(lèi)型、熔深、焊縫大小，焊縫長(zhǎng)度等，得出焊縫計(jì)算應(yīng)力（不考慮應(yīng)力集中影響），再去評(píng)價(jià)焊縫[7]。

然而在一些企業(yè)的游樂(lè)設(shè)施計(jì)算書(shū)中，經(jīng)常會(huì)遇到取距離焊縫一定距離（焊縫高度）的節(jié)點(diǎn)值作為焊縫應(yīng)力去評(píng)價(jià)，為了說(shuō)明節(jié)點(diǎn)值作為焊縫應(yīng)力值是否合理，以第1節(jié)對(duì)接焊縫強(qiáng)度理論算例的例子進(jìn)行說(shuō)明，在通過(guò)最大應(yīng)力值的有限元模型上建立一條路徑，如圖5所示。

圖5 應(yīng)力線性化位置圖

由圖6可知，距離最大應(yīng)力值一定距離上，應(yīng)力值急劇變化，從394 MPa瞬間降到0，距焊縫12 mm的節(jié)點(diǎn)應(yīng)力值為84 MPa，距焊縫15 mm的節(jié)點(diǎn)應(yīng)力值73 MPa，則對(duì)應(yīng)的安全系數(shù)（Q235B的抗拉強(qiáng)度為375 MPa）分別為4.5和5.1，這樣同一條焊縫就可得出兩種評(píng)價(jià)結(jié)論（節(jié)點(diǎn)位置僅差3 mm，焊縫安全系數(shù)是否滿足要求的臨界值為5.0）。

圖6 應(yīng)力線性化曲線

在距離焊縫一定位置上（全憑工程師手動(dòng)操作）取值，可取的范圍很大，稍微移動(dòng)一點(diǎn)距離，應(yīng)力值就相差很大，焊縫的計(jì)算是嚴(yán)謹(jǐn)?shù)?，這樣取值稍微有偏差，可能會(huì)得出完全不同的評(píng)價(jià)結(jié)果。因此，忽略焊縫材料的影響，取距離焊縫一定距離的節(jié)點(diǎn)值作為焊縫應(yīng)力值是不確定的，也是不科學(xué)、不合理的。

5 角焊縫計(jì)算

正應(yīng)力會(huì)使材料拉伸或壓縮，剪應(yīng)力會(huì)使材料發(fā)生剪切變形。由文獻(xiàn)[8]得：

如果存在合應(yīng)力，則角焊縫的計(jì)算公式為（游樂(lè)設(shè)施按照焊縫承受動(dòng)載荷計(jì)算）：

焊接接頭強(qiáng)度計(jì)算的假設(shè)為[2]：

（1）正面角焊縫與側(cè)面角焊縫的強(qiáng)度沒(méi)有差別；

（2）角焊縫是在切應(yīng)力的作用下破壞的，按切應(yīng)力計(jì)算強(qiáng)度；

（3）角焊縫的破斷面（計(jì)算斷面）在角焊縫截面的最小高度上；

（4）加厚高和少量的熔深對(duì)接頭的強(qiáng)度沒(méi)有影響。

角焊縫連接的破壞形式和焊縫截面應(yīng)力分布較復(fù)雜，為簡(jiǎn)化計(jì)算，假定角焊縫發(fā)生剪切破壞，切應(yīng)力沿焊縫長(zhǎng)度方向均勻分布[5]。工程實(shí)踐證明，按名義計(jì)算剪應(yīng)力來(lái)計(jì)算角焊縫既可靠又簡(jiǎn)便[3]。

綜上可知，角焊縫雖可能承受各種應(yīng)力，但最后都是以等效剪切應(yīng)力去評(píng)價(jià)校核。但游樂(lè)設(shè)施對(duì)角焊縫的校核評(píng)價(jià)，不采用鋼結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)中給出的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，而是采用安全系數(shù)法校核評(píng)價(jià)，即Ⅰ級(jí)和Ⅱ級(jí)焊縫的安全系數(shù)≥5[4]。

6 結(jié)論

焊縫從原理上說(shuō)不是一個(gè)零件，是兩個(gè)零件融合在一起的一個(gè)特殊狀態(tài)區(qū)，受到殘余應(yīng)力、應(yīng)力集中等因素的影響，研究焊接殘余應(yīng)力，必須模擬焊縫熔池金屬和母材金屬?gòu)娜刍侥獭⒗鋮s為常溫的全過(guò)程，而各種焊縫的約束條件又是不一樣的。熔化、冷卻、凝固、繼續(xù)冷卻整個(gè)熱力學(xué)過(guò)程的各項(xiàng)參數(shù)難以確定，因此理論計(jì)算中忽略了焊縫的殘余應(yīng)力、缺口應(yīng)力集中等效應(yīng)，按照相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，理論計(jì)算焊縫，并進(jìn)行校核評(píng)價(jià)[9]。

正如以上所述，焊縫的應(yīng)力狀態(tài)是相當(dāng)復(fù)雜的，對(duì)接焊縫與角焊縫的應(yīng)力狀態(tài)又是不同的，若要對(duì)各種受力類(lèi)型的焊縫進(jìn)行精確的計(jì)算是相當(dāng)困難的[10]。因此，對(duì)游樂(lè)設(shè)施焊縫的計(jì)算應(yīng)按照以下原則進(jìn)行：

（1）焊縫的校核計(jì)算應(yīng)該按照名義計(jì)算應(yīng)力計(jì)算，并按照文獻(xiàn)[4]進(jìn)行校核評(píng)價(jià)；

（2）有限元計(jì)算結(jié)果考慮了應(yīng)力集中的影響，不能按照現(xiàn)有的焊縫評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)體系去評(píng)價(jià)焊縫；

（3）取距離焊縫一定距離的節(jié)點(diǎn)應(yīng)力，存在很大的不確定性，且沒(méi)有相應(yīng)的理論支撐，不能作為焊縫應(yīng)力去評(píng)價(jià)；

（4）角焊縫的名義計(jì)算應(yīng)力僅考慮剪切應(yīng)力，當(dāng)受復(fù)合內(nèi)力作用時(shí)，按照剪切應(yīng)力的合應(yīng)力去校核焊縫，焊縫計(jì)算的破斷應(yīng)力由角焊縫的抗剪條件確定[11]。

有限元應(yīng)力分析僅有計(jì)算云圖和計(jì)算結(jié)果是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，分析者必須具有判斷計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確性的能力，除了具有熟練的軟件應(yīng)用能力，還需掌握力學(xué)理論和有限元理論。

[1]趙九峰. 基于ANSYS Workbench自控飛機(jī)回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)功率的計(jì)算及電機(jī)選型[J]. 機(jī)械，2019（4）：30-33.

[2]王文先，王東坡，齊芳娟，等. 焊接結(jié)構(gòu)[M]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2012.

[3]董達(dá)善. 起重機(jī)械金屬結(jié)構(gòu)[M]. 上海：上海交通大學(xué)出版社，2011.

[4]GB 8408－2018，大型游樂(lè)設(shè)施安全規(guī)范[S].

[5]范欽珊. 工程力學(xué)(靜力學(xué)和材料力學(xué))[M].北京：高等教育出版社，2007.

[6]徐格寧. 機(jī)械裝備金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

[7]崔玉淼. T形接頭的焊縫靜載強(qiáng)度計(jì)算公式推導(dǎo)及應(yīng)用[J]. 焊接技術(shù)，2015（7）：11-13.

[8]GB 50017－2017，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)[S].

[9]曹華，李自梁，劉美紅，等. 蝸殼-座環(huán)連接焊縫焊接殘余應(yīng)力的測(cè)試與分析[J]. 熱加工工藝，2019（5）：203-205.

[10]陳太軍，賴傳理，杜顯祿，等. 帶堆焊層和復(fù)合層角焊縫超聲波檢測(cè)應(yīng)用[J]. 機(jī)械，2018（10）：49-55.[11]宋偉科，陽(yáng)先波. 大型游樂(lè)設(shè)施結(jié)構(gòu)件焊縫設(shè)計(jì)計(jì)算研究[J].中國(guó)特種設(shè)備安全，2016（12）：7-10.

Strength Check Calculation and Analysis on Welding of Large-Scale Amusement Device

ZHAO Jiufeng

( Special Equipment Safety Inspection and Research Institute of Henan Province,Zhengzhou 450000, China )

Welding is the main connection method of large-scale amusement device. The weld design calculation is directly related to the normal operation of the equipment and the safety of the passengers. Taking the welds of large-scale amusement device as an example in this paper, the stress of the weld is calculated according to theory calculation and finite element analysis. The calculation formulas and evaluation methods of butt welds and fillet welds are given, and a comparison analysis is made on whether or not to consider the weld materials when modeling. The research shows that the calculation of weld should be evaluated according to the nominal calculated stress. it is not appropriate to use the finite element method to check the welds of amusement device. The research methods and results provide the reference recommendations and reference for the design and calculation of welds of amusement device.

butt welding；finite element analysis；nominal calculated stress；stress concentration；large-scale amusement device

TS952.82

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2020.04.005

1006－0316 (2020) 04－0027－07

2019－06－14

趙九峰（1981－），男，河南平頂山人，碩士研究生，工程師，主要從事游樂(lè)設(shè)備設(shè)計(jì)計(jì)算、特種設(shè)備結(jié)構(gòu)仿真與載荷響應(yīng)研究工作。