摘 要

焊接结构在我国的工业发展和国民经济建设中承担着着不可或缺的重任，在材料加工的各个领域被普遍使用。焊接接头作为焊接结构的脆弱部分，经常由于应力集中造成结构的疲劳断裂和静载断裂，产生巨大经济损失。因此探讨焊接接头形状影响因素与焊缝部位应力集中程度的关系，有助于精确分析焊趾处应力分布状态、预测焊接接头疲劳强度和脆性断裂发生情况，对增强寿命估测准度有重要的意义。

本文通过文献调研了国内外关于焊接接头有限元分析的研究现状和发展趋势，介绍了焊接接头应力集中的相关理论，分析了焊接头应力集中的影响因素，并利用ANASYS软件对对接接头承载时的工作应力分布和应力集中进行有限元分析，探讨焊接接头形状影响因素与焊缝部位应力集中程度的关系，具体研究了焊趾过渡圆弧半径、焊板的厚度、焊缝加强高、焊缝熔宽等形状变量对应力集中的影响，以求为焊接接头外形设计提供一定理论依据。

研究结果表明：焊趾过渡圆弧半径的变小会使应力集中系数增加；焊缝加强高与应力集中系数呈正相关；焊板的厚度增加，应力集中系数变大；焊缝熔宽对应力集中系数的影响不单调，在一定范围内，应力集中系数随焊缝熔宽增加而增加，超过该范围，应力集中系数随焊缝熔宽增加反而变小。

关键词：焊接接头；有限元分析；应力集中；对接接头

Abstract

The welding structure is indispensable in the industrial development and national economic construction of our country, and it is widely used in various fields of material processing. As a vulnerable part of all kinds of welding structure, Welded joint often caused by stress concentration phenomenon of the structure of the fracture and fatigue fracture and static load have a huge economic losses. Therefore, it is important to explore the relationship between the stress of the welded joint and the stress concentration of the weld. It is helpful to accurately analyze the stress distribution at the toe and to predict the fatigue strength and the brittle fracture of the welded joint.

This paper investigates the research status and development trend of finite element analysis of welded joints at home and abroad, introduces the theory of stress concentration in welded joints, analyzes the influencing factors of the stress concentration of welded joints, and analyzes the stress distribution and stress concentration of the butt joints by ANASYS software. The finite element analysis of the stress and the stress of the welded joints is discussed. The influence of geometrical parameters such as arc radius, thickness, weld height and weld width on the stress concentration is studied in order to provide a theoretical basis for the design of welded joint.

The results of the study show that the stress concentration coefficient increases with the increase of the radius of the arc. The larger the stress concentration factor is, the larger the stress concentration coefficient is. The larger the thickness is, the larger the stress concentration coefficient is. In a certain range, the stress concentration factor ，With the increase of the width of the weld, beyond this range, the stress concentration coefficient increases with increasing width.

Key Words：Welded joints; finite element analysis; stress concentration; butt joints.

目 录

第1章 绪论 1

1.1 研究意义 1

1.2 国内外研究概况 1

1.3 本文研究内容 2

第2章 焊接接头应力集中的相关理论 3

2.1 焊接接头应力集中 3

2.1.1 焊接接头基本概念 3

2.1.2 应力集中 4

2.2 焊接接头应力集中产生原因 6

2.3 典型焊接接头的应力分布、应力集中及影响因素 7

2.3.1 对接接头 7

2.3.2 十字（T形）接头 8

第3章 对接接头有限元模型的建立 10

3.1 对接接头有限元建模 10

3.1.1 对接接头模型选择及简化处理 10

3.1.2 实体模型的建立 10

3.1.3 材料属性确定 11

3.1.4 网格划分 11

3.1.5 加载与求解 11

3.2 ANSYS计算结果与光弹实验结果对比 12

第4章 对接接头应力集中影响因素的分析 14

4.1 实验结果 14

4.2 结果分析 20

4.2.1 焊趾过度圆弧半径对应力集中系数的影响 20

4.2.2 焊趾接头板厚对应力集中系数的影响 20

4.2.3 焊接接头正面加强高对应力集中系数的影响 21

4.2.4 焊接接头正面熔宽对应力集中系数的影响 21

第5章 总结与展望 22

5.1 主要研究工作总结 22

5.2 展望 22

参考文献 23

致 谢 25

附录 命令流 26

第1章 绪论

1.1 研究意义

焊接方法作为一种先进制造方法，在我国的工业发展和国民经济建设中承担着不可或缺的重任，在材料加工的各个领域被普遍使用。自上世纪七八十年代以来，在铁道车辆、船舶制造、铁路铁轨、压力容器、航空航天及核动力设备等工业金属结构领域，焊接技术凭借其接头强度高、结构设计灵活、接头密封性好、准备工作简单、结构易于变更改型和成品率高等优点，逐渐取代铆接等传统连接工艺。目前，我国钢产量的大部分被用在焊接结构中，焊接技术广泛应用于制造业的各个领域，在工程结构中应用广泛。但焊接结构也存在一些不足之处，其一便为对应力集中敏感。焊接连接部位即焊接接头的组成部分包括四种即焊缝金属、热影响区、熔合区和邻近的母材^【1.2】。由于焊接接头焊缝截面部位外部形状存在一定的突变性，导致焊接接头承载时应力的分布情况变得不均匀，其最大应力比平均应力高,称之为应力集中^[3]。应力集中系数被用来衡量应力集中现象破坏的轻重。应力集中系数为截面中最大应力值与截面中平均应力值之商。应力集中在当代工程结构中普遍存在，常造成一些不利影响。具体表现在两方面，其一为应力集中可以造成结构出现疲劳性裂纹，降低焊接接头的疲劳强度^[4]。目前研究学者提出了一个确切公式，即疲劳缺口系数（疲劳应力集中系数）为光滑试样的疲劳强度与缺口试样的疲劳强度之商^[5]。其二为可以造成脆性结构零件发生静载断裂^[6]，导致焊接结构的脆性断裂。上世纪30年代，阿尔拜特采用全焊结构建造的50余座威廉德式桥梁由于严重应力集中，在气候骤冷条件下，焊接裂纹引起脆性断裂，造成严重人力物力损失^[7]。焊接接头应力集中影响因素较多，主要有焊接接头形式、焊缝几何参数、焊接残余应力和焊接工艺缺陷等^[8]。探讨焊接接头形状影响因素与焊缝部位应力集中程度得关系，有助于精确分析焊趾处应力分布状态、预测焊接接头疲劳强度和脆性断裂发生情况，对增强寿命估测准度有重要的意义。

1.2 国内外研究概况

采用ANSYS有限元方法对典型焊接接头应力分布情况进行深入研究，考察影响焊缝外形的几何参数与应力集中程度的关系，我国和国际上都有相关研究^[9-13]。文献^[13]采用的研究对象为具有单侧加强高的对接接头，主要研究了焊趾倾角大小和焊趾处过渡圆弧半径大小同应力集中系数的关系，求出了用于估计的经验公式，但研究的几何参数范围较少，并没有考虑板厚的大小与应力集中系数的关系。文献^[14]研究了对接接头的主要焊缝几何参数同应力集中系数的关系，经数学统计剖析，在有限几何参数范围里，求出了用于估计采用双侧对称加强高形式的对接接头应力集中系数的经验公式，但几何参数取值范围比较小，没有考虑焊缝熔宽同应力集中系数的关系。佐藤邦言^[15]研究了对接接头焊缝根部应力分布情况，考虑开坡口形式、焊板厚度、焊根角度等因素同应力集中的关系。文献^[16]研究了k形接头的应力集中系数的影响因素，但所研究几何参数较少，且几何参数取值范围较小。汪建华等^[17]研究了对接接头、十字接头、搭接接头焊缝处的应力集中情况，计算出了应力集中系数范围。李和曹^[18]的研究模型为具有单侧加强高地对接接头，具体分析并得出焊趾过度圆弧半径和焊趾倾角同应力集中系数地关系，求出了用于估计采用双侧对称加强高形式的对接接头应力集中系数的经验公式。文献^[19]深入探讨了焊趾倾角的大小同十字接头角焊缝应力集中程度的关系，给出了联系焊缝受力情况好于工作焊缝的结论，并说明了联系焊缝存在的最优尺寸。文献^[20]深入探讨了广泛用于船舶工业的十字焊接接头工作在不同线失准情况下的应力集中现象，并考虑了焊角尺寸与应力集中系数的关系，具有重要的实用意义，为线失准标准作了规范。Brennan等人^[21]研究对象为T型接头，对焊缝处的应力分布情况进行了分析，分析了焊缝倾角大小、过渡圆弧半径大小与板厚比在不同力载荷下同应力集中系数的关系，求出用于估计T形接头应力集中系数的相关公式。我国和国外很多前辈做了非常繁杂的工作，得出了一系列理论和计算公式，但是其中部分公式实用性不高，而且有些研究者研究的几何参数以及参数取值范围有限，所得出的公式并不能够普遍适用。

1.3 本文研究内容

本课题依托有限元仿真工具ANSYS研究常见焊接接头的工作应力分布情况，对常见焊接接头应力集中进行有限元分析。研究中不考虑残余应力和气孔、咬边、未焊透、位错等焊接缺陷，主要探讨在拉伸载荷作用下，焊接接头几何形状和几何参数范围（如焊缝加强高，焊缝熔宽，焊趾过渡圆弧半径和板厚等）与应力集中系数之间的关系。具体流程为：实体模型建立、单元设置与网格划分、边界条件确立、加载求解和实验结果获取及分析。建模时，为获得精确应力集中系数，网格划分应尽可能精细。为具有实际指导意义，几何参数取值范围应参照实际接头尺寸选取并适当放大。

第2章 焊接接头应力集中的相关理论

2.1 焊接接头应力集中

焊接在我国工业基础建设中应用广泛。焊接接头作为焊接结构薄弱环节，在复杂工作环境下，经常发生应力集中现象，使结构发生疲劳断裂和静载断裂，研究焊接接头应力集中的影响因素对于规避这种破坏至关重要。

2.1.1 焊接接头基本概念