大型游乐设施结构件焊缝设计计算研究

宋伟科 阳先波

(中国特种设备检测研究院 北京 100029）

大型游乐设施结构件焊缝设计计算研究

宋伟科 阳先波

(中国特种设备检测研究院 北京 100029）

本文以大型游乐设施焊接结构件中最常见的直角角焊缝为研究对象，在垂直拉力和水平推力载荷工况下，研究直角角焊缝不同焊脚高度、不同焊接型式（未焊透和全焊透）和不同熔透率条件下的应力分布和应力集中规律，并通过理论计算和有限元仿真两种不同计算方式对比其优缺点。研究发现，有限元计算更能反映焊缝的真实应力状态；全焊透结构有利于改善焊缝的应力集中；不同载荷工况下焊缝的应力集中位置不同。

角焊缝 全焊透 应力集中 熔透率

1 研究背景

大型游乐设施具有结构形式多样、受力复杂、安全要求高的特点，其中焊接是结构的主要连接方式，焊接质量好坏直接关系到设备安全可靠性[1]。目前针对承压类特种设备的相关焊接标准要求及计算方法相当完善，但针对机电类特种设备的相关焊接标准要求和计算方法有待完善。机电类特种设备，尤其是大型游乐设施，其结构焊缝主要承受交变动载荷，受力工况较承压类特种设备更加复杂和多样。目前现有的焊缝设计和计算无论是手工校核还是有限元建模仿真均不能合理的指导焊缝的优化设计，如对重要焊缝进行手工计算时无法计算应力集中大小及位置，而有限元建模大多采用整体建模，不考虑具体焊缝的焊透情况和焊脚高度，因此造成焊缝仿真应力和实际应力存在差别。

本文以游乐设施结构件中常见的典型直角角焊缝为研究对象，利用相关应力计算公式和ANSYS分析软件计算分析直角角焊缝在轴向拉力和弯矩单独作用下应力变化规律，以分析焊缝公式计算和软件计算的差异，分析焊脚尺寸、焊缝熔透率对计算结果的影响规律以及焊缝对轴向拉力和弯矩作用下的应力集中敏感性，以指导复杂结构焊缝设计及计算。

2 直角角焊缝强度理论计算

大型游乐设施结构件受力情况比较复杂，焊缝接头型式多样，而直角角焊缝为游乐设施结构件最常见的焊接型式，如飞行塔的旋转支架、过山车的轮架、摩天轮的支撑框架等。直角角焊缝采用垂直立板与水平底板焊接，典型的受力结构如图1所示，立板受垂直焊缝方向拉力Ny和平行焊缝方向Nx，焊缝计算公式[2-5]如下：

图1 立板和底板焊缝结构图

式中：

σN——角焊缝拉应力；

σM——角焊缝弯曲应力；

he——角焊缝的计算厚度，对直角角焊缝为0.7hf，hf为焊脚尺寸；

τf——角焊缝剪切应力；

lw——角焊缝的计算长度；

Nx——立板顶部水平力；

Ny——立板垂直向拉力或压力；

M——焊缝截面抗弯模量，参考机械设计手册选取；

T——未焊透间隙长度；

W——焊缝弯矩。

实例计算中取立板高L=100mm，板厚t1=t2=10mm，焊缝长度lw=100mm，取焊缝焊脚尺寸hf分别为5mm、7mm、10mm、13mm，对未焊透焊缝取T=10mm，对全焊透焊缝取T=0，垂直力Ny=100000N，水平力Nx=10000N，Ny和Nx分别单独施加在立板顶部。对焊缝截面分别在不同焊脚尺寸、不同T值，不同受力情况下进行计算，结果见表1。

表1 不同焊接结构条件下的焊缝应力值 MPa

图2 焊缝截面应力随焊脚尺寸的关系

从以上计算结果可知，焊缝不论是受垂直拉力还是水平弯矩，全焊透结构的应力明显小于未焊透结构。并且随着焊脚高度的增加，焊缝应力呈现递减趋势。相比较全焊透焊缝应力，非焊透焊缝应力受焊脚高度变化的影响更大。

3 直角角焊缝强度有限元计算

3.1 全焊透焊缝仿真

采用ANSYS软件对以上模型进行建模计算[6]，约束底板，将Ny和Nx分别施加在立板顶部，当T=0时，焊缝为全焊透结构，焊缝截面应力分布区域如图3、图4所示。

图3中A区为立板本体截面应力区，仿真计算结果为100MPa，与公式计算结果一致，B区应力略小于A区，C区应力小于B区，D区为焊缝与立板处交汇处应力集中区。

图4中A区为立板本体截面应力区，应力从立板两侧向中心逐渐减小，立板外侧与焊缝截面交汇处形成应力集中区，应力集中位置与图3一致，B区应力小于A区外侧，大于C区， C区向两侧应力逐渐减小。

图3 Ny作用下焊缝截面应力分布

图4 Nx作用下焊接截面应力分布

对全焊透焊缝，在垂直拉力和水平弯矩作用下应力集中区计算结果如图5所示。

图5 D区应力随焊脚尺寸变化结果

从以上计算结果可以看出，焊缝全焊透时，在拉力作用下，D区集中应力变化随焊脚尺寸增大而减小的幅度不明显，这说明焊缝全熔透时，焊脚尺寸对焊缝拉力的集中应力影响较小；以焊高5mm为例对比图2和图5，在垂直拉力（Ny）作用下，焊缝有限元计算结果（160MPa）大约是理论计算结果（59MPa）的2.7倍；焊缝受弯矩时，有限元计算的弯曲应力（780MPa）大约是理论计算结果（208MPa）的3.7倍；无论焊脚尺寸多少，焊缝与立板交汇处总存在应力集中，焊缝应力从应力集中点往下逐渐减小。

3.2 非全焊透焊缝仿真

模型尺寸同上，但T=10mm，焊缝未焊透，未焊透部位长度与立板厚度相等，在垂直向拉力Ny和水平力Nx分别单独作用下，焊缝截面应力分布区域如图6所示：

图6 Ny作用下焊缝截面应力分布

图7 Nx作用下焊接截面应力分布

图6中A区为立板本体截面应力区域，仿真计算结果为100MPa，与公式计算结果一致，F区为焊缝外侧应力集中区，G区为未焊透内侧缝隙两端应力集中区，其他区域为应力过渡区。

图7中A区，C区为未焊透部位外围，应力高于B区，F、G区为焊缝内外应力集中区，E区为立板截面弯应力变化区域，从立板外侧向内逐渐减小。

对比图6和图7，两种焊缝受拉和受弯下焊缝应力集中区域位置相同，两个区域应力变化结果见图8。

从图8可以看出，拉应力作用下，F区和G区集中应力随焊高增加减小约47%和51%，减小幅度基本一致，但弯应力作用下，F区减小25%，G区减小74%。这说明弯曲应力作用下，焊缝外侧应力集中区域应力变化随焊脚高度变化不是十分敏感，而焊缝内侧应力集中区域应力随焊脚高度变化十分敏感，焊脚高度增加可以有效减小未焊透部位的集中应力。在拉力作用下，焊缝未焊透部位内侧应力大于外侧应力集中区域，如果焊缝失效，将首先从焊缝内部开始，无法从外侧发现；而弯应力作用下外侧集中应力大于内侧集中应力，焊缝失效从外侧开始。

图8 未焊透焊缝应力集中区应力随焊脚尺寸变化结果

3.3 不同熔透率下焊缝集中应力仿真

本文所描述“熔透率”主要体现材料焊透区域长度与材料本体厚度比值，取焊脚尺寸hf=10mm，分别取未焊透部位长度T为10mm、7mm、5mm、2mm，即熔透率分别为0、30%、50%、80%，其他尺寸取值同上文一致。在垂直拉力Ny和水平力Nx分别单独作用下，焊缝截面两应力集中区域变化如图9、图10所示。

从图9可以看出，G区弯应力和拉应力随未焊透尺寸增加而显著增大，这说明焊缝熔透率越小，焊缝内部集中应力越大。从图10可以看出，F区应力变化很小，拉应力减小15%，弯应力基本没变，这说明弯矩作用下焊缝表面集中应力大小与焊缝熔透率没有直接关系。

图9 G区应力变化结果

图10 F区应力变化结果

4 结论

通过对不同焊脚尺寸和不同熔透率焊缝在拉力或弯矩作用下进行公式计算和仿真计算对比分析，可以得出如下结论：

1）焊缝的应力集中总是存在，且远大于公式计算结果，重要焊缝的计算应考虑集中应力的影响，不能对焊缝建模进行简化处理，并通过结构优化，转移应力集中点或减小集中应力；

2）对直角焊缝，熔透率低的焊缝在垂直拉力作用下其失效位置容易从焊缝内部开始，无法检测发现，提高焊缝熔透率和增加焊脚高度有利于减小焊缝内部应力集中，重要焊缝要采用全焊结构；

3）对于直角焊缝，弯应力作用下焊缝失效容易从焊缝外部开始；

4）未熔透焊缝焊脚高度不应小于材料本体厚度。

目前现行的GB 8408—2008 《游乐设施安全规范》8.6焊缝一节和8.13检验一节中，对焊缝的设计和检验提出了具体要求。8.6.7明确直接承受变载荷的角焊缝应采用全熔透结构，8．13．5明确涉及人身安全的重要焊缝应进行100%的磁粉或渗透探伤。对于8.6.7条款，如果焊缝结构型式无法实现全熔透结构，应明确尽量提高焊缝熔透率和增加焊脚高度，且焊脚高度不得小于材料本体厚度。对于8.13.5条款，对于涉及人身安全的重要非全熔透焊缝，如果主要承受垂直拉力，应增加内部探伤要求。

[1] 林伟明．典型游乐设施复杂工况下风险评估及故障预防研究[D]．北京：北京化工大学出版社，2013．[2] EN 13814—2004， Fairground and amusement park machinery and structure-safety[S]．

[3] GB 50017—2003 钢结构设计规范[S]．

[4] GB 8408—2008 游乐设施安全规范[S]．

[5] 成大先．机械设计手册（第五版）[M]．北京：化学工业出版社，2007．

[6] 张朝晖．ANSYS结构分析工程应用实例解析（第二版）[M]．北京：机械工业出版社，2010．

[基金支持：本项目由国家质检总局质检公益性行业科研专项项目“公共安全突发事件一线处置应对标准体系与32项关键技术标准研究”（编号：201510211-6）和国家重点研发计划项目“游乐园和景区载人设备全生命周期检测监测与完整性评价技术研究”（2016YFF0203100），课题3“基于本质安全的游乐设施设计与建造关键技术研究”（2016YFF0203103）资助]

Research on Welding Calculation of Amusement Ride Structure

Song Weike Yang Xianbo
（China Special Equipment Inspection and Research Institute Beijing 100029）

The fillet welding as the most common structure to connect different parts of amusement rides is researched in this paper. On the load conditions of vertical tension force and lateral thrust force, the stress distribution and stress concentration is researched considering different weld leg, different weld form (incomplete or full penetration welding) and different penetration rate. The theory calculation and fnite element analysis have been compared. The results illustrate that finite element analysis is more accurate to express the stress distribution; full penetration welding can decrease the stress concentration; the location of stress concentration is different depending on the load condition.

Fillet welding Full penetration welding Stress concentration Penetration rate

X941

B

1673-257X(2016)12-0007-04

10．3969/j．issn．1673-257X．2016．12．002

宋伟科(1983～)，男，博士，高级工程师，从事大型游乐设施安全保障技术研究工作。

2016-11-14）