单侧搭接接头焊趾应力集中系数有限元分析

戴秋萍

（江苏省水利工程建设局，江苏南京210029）

单侧搭接接头焊趾应力集中系数有限元分析

戴秋萍

（江苏省水利工程建设局，江苏南京210029）

摘要:在焊接结构中 ，由于接头几何参数的影响，易在焊趾处形成应力集中现象，进而对结构疲劳寿命产生重要影响。为了研究几何参数对接头焊趾处应力集中系数的影响，以单侧搭接接头横向承载焊缝为研究对象，采用了有限元方法计算了焊趾处的应力集中系数，研究的主要几何参数包括盖板厚度、主板厚度、焊缝接触角以及焊趾过渡圆弧半径等。结果表明，在保持相关几何参数不变的情况下，通过增加盖板厚度、减小焊趾接触角以及增大过渡圆弧半径等措施，可显著降低焊趾处的应力集中系数。

关键词:应力集中系数；焊趾；单侧搭接接头；有限元分析

搭接接头是钢结构中焊接连接接头通常采用的一种方式，其焊缝采用角焊缝形式，通常是受力薄弱环节。钢结构的疲劳、断裂等破坏大多发生在焊缝的焊趾处［1］，其原因除了焊接缺陷会诱发疲劳裂纹进行扩展以外［2］，焊缝外形在焊趾处产生的应力集中也是一个重要影响因素［3］。应力集中的严重程度可以用应力集中系数Kt来表达，即焊趾处应力峰值SP与施加在无缺口截面上的名义应力Snet之比［3］。在进行钢结构设计时，一般会尽量降低焊缝的坡度，以减小焊趾处的应力集中。然而，上述措施还只是基于对焊缝应力集中影响的定性认识，仍需进行深入研究。

用于估算应力集中系数的方法有试验法［4-5］、解析法［6］和有限元法［7-14］等。采用有限元方法对应力集中系数进行计算是容易实施且比较有效的方法，目前应用较为广泛，相关研究包含了不同类型接头中几何参数对应力集中系数的影响，如对接接头［7-8］、Y 形接头［9］、K 形接头［10-11］、T形接头［12］等。对于搭接接头，文献［13］研究了双侧焊接的搭接接头中应力集中系数受搭接长度、焊缝宽度等因素的影响；文献［14］以单侧搭接接头作为某种桁架节点的力学模型，研究了焊缝熔深、弦杆厚度等因素对焊缝几何应力集中系数和热点应力集中系数的影响；文献［15］重点研究了焊缝焊脚、加强高等工艺参数对单侧搭接接头应力集中系数的影响。本文以单侧搭接接头作为力学模型，研究了某种舟桥的单双耳接头［16］尾部的应力集中情况，依据实际结构对模型边界条件进行了处理，研究了盖板厚度、主板厚度、焊缝接触角以及焊趾过渡圆弧半径等参数对应力集中系数的影响情况，为实际结构的工程设计提供了技术支持。

1　算例研究

为验证采用有限元方法计算应力集中系数 Kt的准确性，选取一种较为理想的双侧焊接搭接接头作为算例［3］，主要几何尺寸为:主板厚度 T、盖板厚度 t、焊脚长度 l以及接触角θ。如图1所示。

图1　双侧焊接搭接接头示意图

图1所示的结构是对称的，可用1/4模型进行研究。在建立有限元模型时，焊趾处单元尺寸及形状对计算结果有着重要的影响。划分的单元必须足够小，以至于能反映出焊趾处的应力集中特性，但又不能太小，否则会产生数值奇异性。采用Ansys软件进行分析，有限元模型采用了三角形平面应变单元plane2，焊趾附近单元最小尺寸为0.15 mm。有限元模型、约束及加载均如图2所示。

图2　有限元计算模型

表1为不同几何参数下试验结果［3］与有限元计算结果的对比。由表1可以看出，有限元计算结果与光弹试验结果数据吻合度较好，虽然个别情况下二者的相对误差可达到6.1%，但考虑到试验过程的复杂性，可以认为有限元模型是合理的 ，采用有限元法对Kt进行计算是较为准确的。

表1　测试结果与有限元计算结果对比情况

2　实例研究

2.1计算模型

对如图3所示单侧焊接搭接接头的横向承载焊缝进行应力集中系数有限元分析，计算模型如图4所示。假设结构处于平面应变状态，并且不考虑焊趾处咬边、夹杂等焊接缺陷以及焊接残余应力的影响。盖板厚度 t和主板厚度T的初始几何尺寸为15 mm，焊脚长度 l为10 mm，接触角θ为45°。有限元模型采用三角形平面应变单元plane2，焊趾端部最小尺寸为0.15 mm。模型采用的钢板及焊缝的弹性模量 E=2.1×105MPa，泊松比 μ=0.3。

图3　单侧焊接搭接接头

图4　单侧焊接搭接接头有限元分析模型

2.2计算结果及分析

保持焊缝现有几何尺寸不变，改变盖板厚度 t与主板厚度T的比值，研究应力集中系数Kt的变化情况 ，如图5所示。由图中可以看出，当 t/T＜1.5时，Kt随着t/T的增加而迅速降低；而当 t/T＞1.5以后 ，Kt降低趋势放缓。此外，在保持 t/T不变的情况下，Kt也会随着主板厚度T的增加变大，这主要由于在焊缝尺寸不变的情况下，增加 T会降低l/T的值，使得焊趾处的应力集中更为明显。

图5　t/T对Kt的影响

图6为保持接触角θ尺寸不变，改变焊脚尺寸l与主板厚度T之比时Kt的变化情况。为便于研究，主板厚度 t取60 mm。显然，增加 l/T的值会降低焊趾处的Kt，尤其当 l/T的数值较小时，Kt随l/T的增加而减小的程度就越大。此外，当 l/T保持不变时，Kt会随着主板板厚T的增加而减小，这主要由于随着焊脚尺寸 l的增加，焊缝内的总体应力会有所降低，因而焊趾处的应力集中状态会有所缓解。

图6　l/T对Kt的影响

图7为保持盖板厚度 t、主板厚度 T和焊缝垂直边长不变，应力集中系数Kt随接触角θ变化的情况。由图7中可以看出，降低焊缝的接触角 θ会显著减小焊趾处的应力集中程度，并且 Kt与θ之间的变化近似呈线性关系。

图7　θ对Kt的影响

图8　ρ/T对Kt的影响

在有限元计算中，除了考虑盖板厚度 t、主板厚度T、焊缝的接触角θ以及焊脚长度l等几何参数外，还对焊趾处的过渡圆弧半径ρ对Kt的影响进行了分析。图8为当焊脚长度 l取不同数值时，改变ρ/T对Kt的影响。显然，增加ρ会显著改善焊趾处的应力集中程度，尤其当过渡圆弧半径 ρ较小时（ρ/T≤0.2），效果更为明显。

根据图8中的相关数据进行线性回归，可得出以下的拟合公式:

3　结 论

本文首先对双侧焊接的搭接接头应力集中系数进行了有限元分析，经过与试验结果对比，证明了有限元模型的合理性和计算结果的准确性 ，然后对钢结构中常用的单侧焊接搭接接头进行了分析，结果表明:

（1）当盖板厚度 t超过主板厚度T的1.5倍以后，再增加 t值时对降低焊趾处应力集中系数影响很小；

（2）增加焊脚尺寸 l或者焊趾处过渡圆弧半径ρ，可显著改善焊趾处的应力集中程度；

（3）焊趾处应力集中系数 Kt随着接触角θ的减小而降低，并且二者近似呈线性关系。

参考文献:

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［16］ 王 琮.通载浮桥的水弹性响应及其桥垮接头疲劳性能研究［D］.上海:上海交通大学，2007.

中图分类号:TU391

文献标识码:A

文章编号:1672—1144（2015）01—0144—04

DOI:10.3969/j.issn.1672-1144.2015.01.030

收稿日期 :2014-10-17修稿日期:2014-11-11

作者简介 :戴秋萍（1982—），女 ，江苏镇江人 ，硕士 ，工程师 ，主要从事项目建设管理工作。E-mail:slgcjsj@163.com

Finite Element Analysis on Stress Concentration Factor at Weld Toe of Single Overlap Joint

DAI Qiu-ping
（Jiangsu Hydraulic Engineering Construction Bureau，Nanjing，Jiangsu 210029，China）

Abstract:In welded structures，the stress concentration at the weld toe is prone to occur under the effect of geometrical parameters of the welded joint，which has great influence on the fatigue life of the joint.In order to study the influence of the geometrical parameters on the stress concentration factor，the transverse loading weld of the single overlap joint was studied.The finite element analysis was adopted to calculate the stress concentration factor at weld toe，and the effects of some geometrical parameters such as thickness of the cover plate and the main plate，the contact angle and the arc radius of the weld toe were studied.The results indicate that when the value of some parameters are kept certain，the stress concentration factor can be reduced evidently by increasing the thickness of the cover plate，decreasing the contact angle and improving the arc radius of the weld toe.

Keywords:stress concentration factor；weld toe；single overlap joint；finite element analysis