（船舶與海洋結(jié)構(gòu)物設(shè)計(jì)制造專(zhuān)業(yè)論文）kk型管節(jié)點(diǎn)應(yīng)力集中系數(shù)研究.pdfVIP

中文摘要 在設(shè)計(jì)階段，管節(jié)點(diǎn)最大應(yīng)力通常通過(guò)s - n 方法來(lái)評(píng)估海洋平臺(tái)焊接管節(jié)點(diǎn) 疲勞壽命。所以應(yīng)力集中系數(shù)的正確確定對(duì)平臺(tái)結(jié)構(gòu)的安全性至關(guān)重要?，F(xiàn)有經(jīng) 驗(yàn)公式如k u a n g 公式、n o r s o k 公式僅適用于簡(jiǎn)單管節(jié)點(diǎn)如k 、x 、y 、t x 等 形式，對(duì)空間的復(fù)雜管節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力集中系數(shù)的計(jì)算未涉及。通常把復(fù)雜的管節(jié)點(diǎn) 的應(yīng)力集中系數(shù)看成是簡(jiǎn)單管節(jié)點(diǎn)應(yīng)力集中系數(shù)的疊加。對(duì)本文研究的k k 型管 節(jié)點(diǎn)來(lái)說(shuō)，與相同尺寸的k 型管節(jié)點(diǎn)，應(yīng)力集中系數(shù)通常要大出許多，所以傳 統(tǒng)的計(jì)算簡(jiǎn)單管節(jié)點(diǎn)應(yīng)力集中系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)公式并不適合計(jì)算復(fù)雜管節(jié)點(diǎn)應(yīng)力集 中系數(shù)，因此建立復(fù)雜管節(jié)點(diǎn)應(yīng)力集中系數(shù)參數(shù)方程是非常有必要的。 本文在以前對(duì)簡(jiǎn)單管節(jié)點(diǎn)研究基礎(chǔ)上，運(yùn)用軟件a n s y s ，用薄壁殼單元分 析建立上千個(gè)用在平臺(tái)結(jié)構(gòu)中的承受軸向力、平面內(nèi)彎矩和平面外彎矩三種荷 載作用的k k 型節(jié)點(diǎn)，得出的結(jié)果數(shù)據(jù)，通過(guò)不定尺寸的節(jié)點(diǎn)幾何比例反，) ，f ，f 和臼建立函數(shù)通過(guò)回歸分析得出一系列新的參數(shù)方程。這些參數(shù)方程可以 用來(lái)計(jì)算得出k k 型復(fù)雜管節(jié)點(diǎn)撐桿和弦桿處圍繞交界處的最大應(yīng)力。 本文并進(jìn)一步，通過(guò)圖、表形式分別分析a ，) ，孝，盧，f 和0 各個(gè)參數(shù)對(duì)k k 型節(jié)點(diǎn)在三種荷載作用下?lián)螚U和弦桿s c f 的影響，各個(gè)參數(shù)對(duì)對(duì)有限元計(jì)算的 k k 型節(jié)點(diǎn)與對(duì)相同尺寸的k 型節(jié)點(diǎn)經(jīng)驗(yàn)公式所得撐、弦桿的s c f 差距的影響。 本文對(duì)復(fù)雜k k 型管節(jié)點(diǎn)應(yīng)力集中系數(shù)參數(shù)方程的研究對(duì)以后研究其它復(fù)雜 節(jié)點(diǎn)s c f 和管節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)有一定參考價(jià)值。 關(guān)鍵詞：管節(jié)點(diǎn)，應(yīng)力集中系數(shù)，有限元，參數(shù)方程 a bs t r a c t t h em a x i m u ms t r e s si sv e r yi m p o r t a n ti ne s t i m a t i n gt h ef a t i g u el i f eo fo f f s h o r e x - j o i n t sb ya ns - na p p r o a c h t h e r e f o r e ，s t r e s sc o n c e n t r a t i o nf a c t o r ( s c f ) i sc r u c i a l f o rt h es a f e t yo fo f f s h o r ep l a t f o r m s t h ee x i s t i n ge m p i r i c a lf o r m u l a ss u c ha sk u a n g f o r m u l aa n dn o r s o kf o r m u l aa r es u i t a b l eo n l yt os i m p l et u b u l a r j o i n t si n c l u d i n gk 、x 、ya n dt xe t cj o i n t s s c ff o rc o m p l e xs p a t i a lt u b u l a rj o i n t sh a sn o tb e e n r e f e r r e di nt h ee x i s t i n ge m p i r i c a lf o r m u l a s i n s t e a d ，s c ff o rc o m p l e xt u b u l a rj o i n t si s u s u a l l yc o n s i d e r e db yt h em e t h o df o rs i m p l et u b u l a rj o i n t s c o m p a r i n gt ot h er e s u l t s f o rs i m p l ek j o i n tw i t ht h es a m ed i m e n s i o n s ，i t ss h o w ni nt h i sp a p e rt h a ts c ff o rk k t u b u l a rj o i n t si sf r e q u e n t l yh i g h e r , t h ee x i s t i n ge m p i r i c a ls c ff o r m u l a sf o rs i m p l e t u b u l a rj o i n t sa r en o ts u i t a b l ef o rc o m p l e xt u b u l a rj o i n t s ，t h e r e f o r e ，i ti se s s e n t i a lt o e s t a b l i s hs c fp a r a m e t r i ce q u a t i o n sf o rc o m p l e x k k - j o i n t s b a s e do nf o r m e rr e s e a r c ho ns i m p l et u b u l a ri o i n t s ，t h i n s h e l le l e m e n ta n a l y s e s h a v eb e e nc o n d u c t e df o rt h o u s a n d so fk k j o i n tf r e q u e n t l yu s e di no f f s h o r es t r u c t u r e s t h e s ek kj o i n t sa r es u b j e c t e dt ot h r e ek i n d so fl o a d i n g s ，i n c l u d i n ga x i a ll o a d ， i n - p l a n em o m e n ta n do u t - p l a n em o m e n t b yu s eo fr e g r e s s i o na n a l y s i s ，t h ea b o v e r e s u l t sa r et h e nu s e dt od e r i v ean e ws e to f p a r a m e t r i ce q u a t i o n s 。i nt e r m so fs e v e r a l n o n - d i m e n s i o n a lg e o m e t r i cr a t i o s0 【，丫，毛，p ，ta n d0 t h e s ep a r a m e t r i ce q u a t i o n sc o u l d b eu s e dd i r e c t l yt oc a l c u l a t et h em a x i m u ms t r e s sa r o u n dt h ei n t e r f a c eb e t w e e nb r a c e a n dc h o r do fk kt u b u l a rj o i n t s f u r t h e ri nt h e s ep a p e r , s e p a r a t ea n a l y s e sh a sb e e nc o n d u c t e df o rt h ei n f l u e n c eo f a ，丫，芎，p ，1 7a n d0o nb r a c ea n dc h o r ds c f si nk kj o i n ts u b j e c t i n gt ot h et h r e ek i n d so f l o a d i n ga n do nt h ed i f f e r e n c eo fs c f si nk kj o i n ta n ds c f sf o rkj o i n tf r o m e m p i r i c a lf o r m u l a s t h er e s u l t sa r eg i v e nt h r o u g hb o t ht a b l e sa n df i g u r e s t h es c fr e s u l t sf o rk k j o i n tg i v e ni nt h i sp a p e rc o u l da c ta sag o o dr e f e r e n c ef o r b o t hf u r t h e ra c a d e m i cs t u d i e so ns c fo fo t h e rc o m p l e xj o i n t sa n de n g i n e e r i n g d e s i g n i n gw o r k s k e yw o r d s ：t u b u l a r j o i n t s ，s t r e s sc o n c e n t r a t i o nf a c t o r , f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ， p a r a m e t r i ce q u a t i o n 獨(dú)創(chuàng)性聲明 本人聲明所呈交的學(xué)位論文是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作和取得 的研究成果，除了文中特別加以標(biāo)注和致謝之處外，論文中不包含其他人已經(jīng) 發(fā)表或撰寫(xiě)過(guò)的研究成果，也不包含為獲得苤盜盤(pán)堂或其他教育機(jī)構(gòu)的學(xué) 位或證書(shū)而使用過(guò)的材料。與我一同工作的同志對(duì)本研究所做的任何貢獻(xiàn)均己 在論文中作了明確的說(shuō)明并表示了謝意。 學(xué)位敝儲(chǔ)張彳寸掙履簽字吼聊年，月礦日 學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書(shū) 本學(xué)位論文作者完全了解苤洼盤(pán)堂有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定。 特授權(quán)苤盜盤(pán)堂可以將學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行檢 索，并采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存、匯編以供查閱和借閱。同意學(xué) 校向國(guó)家有關(guān)部門(mén)或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和磁盤(pán)。 ( 保密的學(xué)位論文在解密后適用本授權(quán)說(shuō)明) 學(xué)位論文作者簽名： 簽字日期：叼年 導(dǎo)師簽名： 于f 習(xí)反，、 簽字日期：巧年 月謬日 天津大學(xué)碩士學(xué)位論文第一章緒論 1 1 課題背景 第一章緒論 許多形式的海洋平臺(tái)是由焊接在一起的圓管構(gòu)件組成的各種形式節(jié)點(diǎn)( 如k 、x 、y 、t x 等形式) 。圓管結(jié)構(gòu)構(gòu)件具有高的強(qiáng)重比，在抗拉、抗壓、抗彎、 抗扭方面，具有卓越的性能。海洋平臺(tái)的壽命依賴(lài)于管節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)整體性。 管節(jié)點(diǎn)的疲勞破壞主要是由于外界載荷周期性重復(fù)作用的結(jié)果。例如樁基平 臺(tái)在波浪載荷作用下，盡管在進(jìn)行整體結(jié)構(gòu)分析時(shí)，所求的應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于材料的 屈服強(qiáng)度，但在管節(jié)點(diǎn)處存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，局部高應(yīng)力的存在，就有可能在波 浪反復(fù)作用下，管節(jié)點(diǎn)形成微小的疲勞開(kāi)裂，最后導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)破壞。 疲勞破壞被認(rèn)為是影響節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度降低的最重要的因素之一，由于波浪載荷引 起的高水平的循環(huán)疲勞破壞，而節(jié)點(diǎn)交界焊縫處由于應(yīng)力集中造成有很低的抗疲 勞強(qiáng)度。因此，在海洋平臺(tái)的使用其間，為保證其結(jié)構(gòu)的整體性，周期性的檢測(cè) 是需要的。 為便于監(jiān)測(cè)、檢修、保證平臺(tái)節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度，提供準(zhǔn)確的斷裂力學(xué)模型來(lái)預(yù)知焊 接管節(jié)點(diǎn)疲勞裂縫產(chǎn)生，增長(zhǎng)行為是有必要的。疲勞強(qiáng)度是由局部高應(yīng)力控制 的，因此很好的知道節(jié)點(diǎn)應(yīng)力分布情況，尤其是裂縫產(chǎn)生發(fā)展的區(qū)域，對(duì)發(fā)展斷 裂力學(xué)以便預(yù)知疲勞壽命是需要的。節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力信息如應(yīng)力集中系數(shù)s c f ，應(yīng)力 沿管厚分布( 表明彎曲的程度) 和應(yīng)力在相交區(qū)域分布是斷裂力學(xué)方法分析的重 要元素。管節(jié)點(diǎn)在各桿相交區(qū)域應(yīng)力分布是不均勻的，在一些點(diǎn)出現(xiàn)很高的應(yīng)力 分布，有些比名義應(yīng)力高出2 0 倍，因此這些交界處的高應(yīng)力對(duì)節(jié)點(diǎn)的疲勞壽命 有很大的影響。 在海洋焊接管節(jié)點(diǎn)中，疲勞特性對(duì)初始設(shè)計(jì)也有重要影響，疲勞特性一般通 過(guò)根據(jù)疲勞壽命方法確定的s n 曲線來(lái)描述，它表示在給定的實(shí)際應(yīng)力循環(huán)幅值 下，導(dǎo)致破壞所需的循環(huán)次數(shù)。而應(yīng)力集中系數(shù)決定了實(shí)際應(yīng)力循環(huán)幅值。對(duì)焊 接管節(jié)點(diǎn)，應(yīng)力集中系數(shù)和名義應(yīng)力來(lái)計(jì)算局部應(yīng)力的幅值，這就是熱點(diǎn)應(yīng)力幅 值( h s s ) 。h s s 是焊接管節(jié)點(diǎn)用s n 方法估計(jì)疲勞強(qiáng)度的代表應(yīng)力幅值。在壽 命期內(nèi)，對(duì)水下構(gòu)件的檢查因?yàn)槌杀竞芨?，不能檢查所有水下構(gòu)件。所以，檢查 只在有選擇的關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行。節(jié)點(diǎn)對(duì)疲勞破壞的承受能力取決于熱點(diǎn)應(yīng)力幅值，所 以正確預(yù)測(cè)熱點(diǎn)應(yīng)力幅值是很重要的，因此有許多研究是針對(duì)著管節(jié)點(diǎn)的s c f 天津大學(xué)碩士學(xué)位論文第一章緒論 的確定進(jìn)行的。 還有研究是針對(duì)著簡(jiǎn)單節(jié)點(diǎn)沿厚度方向和交界處的應(yīng)力分布展開(kāi)研究的，為 預(yù)知焊接管節(jié)點(diǎn)疲勞壽命進(jìn)行斷裂力學(xué)計(jì)算，研究在預(yù)期斷裂路徑上應(yīng)力的幅值 和分布，而不單單針對(duì)一個(gè)位置的最高應(yīng)力。 前人的研究都是針對(duì)簡(jiǎn)單的管節(jié)點(diǎn)展開(kāi)研究的，如k 、x 、t 、y 、t x 、t k 等平面簡(jiǎn)單形式，而實(shí)際的平臺(tái)管節(jié)點(diǎn)都是幾個(gè)簡(jiǎn)單管節(jié)點(diǎn)組成的復(fù)雜的空結(jié)點(diǎn) 形式，傳統(tǒng)的如管節(jié)點(diǎn)的強(qiáng)度、校核分析是將復(fù)雜節(jié)點(diǎn)根據(jù)受力大小決定由一系 列簡(jiǎn)單管節(jié)點(diǎn)所占比例大小不同的一系列簡(jiǎn)單節(jié)點(diǎn)的組合，而應(yīng)力集中系數(shù)值是 簡(jiǎn)單管節(jié)點(diǎn)進(jìn)行強(qiáng)度分析、校核公式的一個(gè)重要因素。在形式上由簡(jiǎn)單節(jié)點(diǎn)組合 的復(fù)雜管節(jié)點(diǎn)，由于要比組成它的單個(gè)簡(jiǎn)單管節(jié)點(diǎn)復(fù)雜的多，應(yīng)力系數(shù)也會(huì)高出 簡(jiǎn)單管節(jié)點(diǎn)許多，復(fù)雜節(jié)點(diǎn)s c f 按簡(jiǎn)單管節(jié)點(diǎn)s c f 一定比例疊加形式計(jì)算得出 結(jié)果在某種形式上會(huì)小多。這對(duì)管節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)、強(qiáng)度校核是不安全的。所以有必 要對(duì)復(fù)雜的管節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力集中系數(shù)進(jìn)行分析，本文正是針對(duì)復(fù)雜的空間k k 節(jié)點(diǎn) 的應(yīng)力集中系數(shù)進(jìn)行研究的，針對(duì)海洋結(jié)構(gòu)中常用的管節(jié)點(diǎn)形式，按照參數(shù)變化 和幾何尺寸變化建立上千個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行應(yīng)力集中系數(shù)的參數(shù)分析。 1 2 管節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象的原因 管節(jié)點(diǎn)的分類(lèi)：部分搭接管節(jié)點(diǎn)、完全搭接管節(jié)點(diǎn)、間隙管節(jié)點(diǎn)。 在這兒有必要再簡(jiǎn)單介紹一下應(yīng)力集中現(xiàn)象產(chǎn)生的原因。管節(jié)點(diǎn)所以產(chǎn)生應(yīng) 力集中現(xiàn)象，是由幾下原斟l j ： ( 1 ) 從荷載傳遞情況分析當(dāng)撐桿承受軸向拉力時(shí)，由于它的軸向剛度較 大，而弦桿管壁是柔性的，所以可近似地認(rèn)為沿?fù)螚U與弦桿交接線上弦桿的位移 相等。由于弦桿頂部垂直方向的剛度，所以在冠點(diǎn)處( 撐桿與弦桿交接線上相對(duì) 撐桿末端最近的點(diǎn)) 弦桿對(duì)撐桿的反作用也小；交接線越向下，弦桿的垂直方向 剛度越大，在最深的鞍點(diǎn)處剛度最大，所以在鞍點(diǎn)弦桿對(duì)撐桿的反作用力也最大。 因此，撐桿加給弦桿的垂直載荷沿交接線的分布是不均勻的。頂部冠點(diǎn)處最小， 鞍點(diǎn)處最大。 ( 2 ) 從弦桿的橫斷面的變形分析當(dāng)撐桿承受軸向拉力時(shí)，弦桿受向一卜的作 用力而變形，由于撐弦桿之間的約束作用，會(huì)沿交接線處產(chǎn)生附加應(yīng)力，對(duì)弦桿， 鞍點(diǎn)處產(chǎn)生正的附加應(yīng)力，而冠點(diǎn)處產(chǎn)生負(fù)的附加應(yīng)力，這將使鞍點(diǎn)所受的拉應(yīng) 力加大，而冠點(diǎn)的拉應(yīng)力減小，甚至由原來(lái)的拉應(yīng)力變?yōu)閴簯?yīng)力。 ( 3 ) 從撐桿的橫斷面的變形分析 當(dāng)撐桿承受軸向拉力時(shí)，撐桿直徑將有 縮小的趨勢(shì)，但受到弦桿的約束，因而撐桿將產(chǎn)生彎曲應(yīng)力，使撐桿管壁外表面 天津大學(xué)碩士學(xué)位論文第一章緒論 拉應(yīng)力加大，撐桿這一局部彎曲作用當(dāng)然也要影響到弦桿。 ( 4 ) 從弦桿管壁變形分析 由于弦桿管壁具有柔性，在撐桿作用下，弦桿 管壁沿交接線將有局部彎曲的趨勢(shì)，所產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力也是很大的。 1 3 管節(jié)點(diǎn)方面的研究現(xiàn)狀 1 3 1 國(guó)內(nèi)對(duì)管節(jié)點(diǎn)方面的研究現(xiàn)狀 國(guó)內(nèi)對(duì)管節(jié)點(diǎn)的研究一般偏向研究簡(jiǎn)單管節(jié)點(diǎn)的承載力的影響因素和簡(jiǎn)單 管節(jié)點(diǎn)的加強(qiáng)。如文獻(xiàn)【2 】研究t x 和t t 型圓管節(jié)點(diǎn)軸向承載力的因素分析，采用 有限元軟件a n s y s ，選用殼單元建模計(jì)算，并考慮焊縫的影響，分析了荷載路 徑、弦管軸向應(yīng)力對(duì)t x 型圓管節(jié)點(diǎn)軸向承載力的影響，以及弦管長(zhǎng)度和邊界條 件對(duì)t t 型圓管節(jié)點(diǎn)軸向承載力的影響。指出對(duì)撐桿同時(shí)加載和順序加載兩種荷 載路徑下t x 節(jié)點(diǎn)承載力非常接近。弦桿應(yīng)力對(duì)t x 節(jié)點(diǎn)軸向承載力的影響，當(dāng)拉 應(yīng)力較小時(shí)，對(duì)承載力影響很小，當(dāng)拉應(yīng)力較高時(shí)，承載力降低：弦桿壓應(yīng)力 總是降低承載力。文獻(xiàn)【3 】研究加強(qiáng)t 型管節(jié)點(diǎn)，主要分析指出管節(jié)點(diǎn)適合在撐弦 管交界處用套管加強(qiáng)，同時(shí)評(píng)估了套管與管節(jié)點(diǎn)的參數(shù)對(duì)極限強(qiáng)度的影響。國(guó)內(nèi) 對(duì)管節(jié)點(diǎn)的研究偏向簡(jiǎn)單管節(jié)點(diǎn)，對(duì)空間的復(fù)雜管節(jié)點(diǎn)的研究很少。 1 3 2 國(guó)外對(duì)管節(jié)點(diǎn)方面的研究現(xiàn)狀 國(guó)外對(duì)管節(jié)點(diǎn)的研究很多，大多也是圍繞簡(jiǎn)單未加強(qiáng)節(jié)點(diǎn)、加強(qiáng)節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力 集中系數(shù)展開(kāi)的。k u a n g 4 1 ( 1 9 7 5 ) 公式是基于有限元建立薄壁殼單元得出簡(jiǎn)單管節(jié) 點(diǎn)的s c f ，開(kāi)創(chuàng)了對(duì)管節(jié)點(diǎn)s c f 進(jìn)行有限元大量分析計(jì)算的先鋒。建立的模型為 沿桿件厚度中心的平面模型，并且忽略了焊縫單元。 文獻(xiàn)【5 】通過(guò)殼單元建立3 3 0 個(gè)x 和d t 節(jié)點(diǎn)得到在六種荷載工況下的s c f 參數(shù) 方程。這些方程能算出撐桿和弦桿在每種載荷下冠趾、冠根、鞍點(diǎn)和熱點(diǎn)位置的 s c f ，并且還得到方程能算出交界出熱點(diǎn)的角度位置，這比單純的研究簡(jiǎn)單管節(jié) 點(diǎn)撐弦桿的s c f 參數(shù)方程又進(jìn)了一步。該文章指出，對(duì)以延長(zhǎng)壽命期為出發(fā)點(diǎn)考 慮的斷裂力學(xué)的研究，研究在帶裂縫工作的節(jié)點(diǎn)在壽命期內(nèi)，沿預(yù)期的斷裂路徑 的應(yīng)力的幅值和分布信息是必要的，而不儀儀只需研究一個(gè)位置的最高應(yīng)力。該 文建立s c f 參數(shù)方程所需有限元數(shù)據(jù)的有效性確定是通過(guò)鋼和丙烯酸模犁的實(shí) 驗(yàn)結(jié)果和已存在的參數(shù)公式的計(jì)算值比較得到的。同文獻(xiàn)【5 j 出自同一作者的文獻(xiàn) 1 6 1 主要針對(duì)y 或t 節(jié)點(diǎn)得出了s c f 參數(shù)方程，同文獻(xiàn)【5 】相同，這些方程能算出撐桿 天津大學(xué)碩士學(xué)位論文第一章緒論 和弦桿在幾種載荷下冠趾、冠根、鞍點(diǎn)和熱點(diǎn)位置的s c f ，從而能得出沿交界的 應(yīng)力分布。文獻(xiàn)【7 】，【8 】【9 1 為m o r g a n 等人研究的k 節(jié)點(diǎn)在軸向力、平面內(nèi)彎矩、平面 外彎矩下的應(yīng)力集中系數(shù)。 為了加強(qiáng)管節(jié)點(diǎn)，內(nèi)部加強(qiáng)環(huán)被運(yùn)用，內(nèi)部加強(qiáng)環(huán)曾被認(rèn)為是最有效，所需 成本最小的加強(qiáng)海洋結(jié)構(gòu)管節(jié)點(diǎn)的方法u e g ( 1 9 8 5 ) 【1 0 】，它能提供必要的剛度和強(qiáng) 度，而不需要桿件過(guò)量增大厚度，因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)在使用期內(nèi)，對(duì)內(nèi)部加強(qiáng)環(huán)節(jié)點(diǎn)的檢 測(cè)和維護(hù)有一定困難，另外，小直徑管的運(yùn)用也限制了內(nèi)部加強(qiáng)環(huán)節(jié)點(diǎn)的發(fā)展。 為此，對(duì)位于弦撐桿之間的外部加強(qiáng)板的運(yùn)用開(kāi)始，文獻(xiàn)【l l 】研究加強(qiáng)板t 節(jié)點(diǎn)的 s c f ，研究在軸向壓力、軸向拉力、平面內(nèi)彎矩和平面外彎矩作用下加強(qiáng)板t 節(jié) 點(diǎn)的s c f ，通過(guò)建立全比例的鋼模型，測(cè)量撐弦桿交界處應(yīng)變得到的試驗(yàn)結(jié)果， 與有限元方法結(jié)果比較，來(lái)證實(shí)有限元模型方法的有效性。并分析了各個(gè)參數(shù)如 f 、盧、) ，對(duì)加強(qiáng)板t 節(jié)點(diǎn)對(duì)s c f 的影響。計(jì)算簡(jiǎn)單間隙管節(jié)點(diǎn)s c f 的公式也有許多， 如包括本文用來(lái)和k k 節(jié)點(diǎn)s c f 比較的k 節(jié)點(diǎn)s c f 公式的k u a n g 公式和n o r s o k 公 式，公式中對(duì)各類(lèi)型的簡(jiǎn)單管節(jié)點(diǎn)在各種荷載形式下的s c f 都有描述。 在對(duì)簡(jiǎn)單間隙管節(jié)點(diǎn)加強(qiáng)研究的同時(shí)，對(duì)搭接管節(jié)點(diǎn)的研究也一直在進(jìn)行 著，e r h y m i o u 和d u r k i n t l 2 1 ( 1 9 8 5 ) 對(duì)簡(jiǎn)單部分搭接管節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力分布進(jìn)行了詳盡 的研究。對(duì)指出對(duì)受非平衡軸向荷載的搭接k 節(jié)點(diǎn)，其s c f 比平衡軸向荷載的搭 接k 節(jié)點(diǎn)大出五六倍，當(dāng)僅有一根撐桿受力時(shí)，s c f 同t 節(jié)點(diǎn)s c f 相當(dāng)。進(jìn)一步， m o e t l 3 ( 1 9 8 7 ) 齊j ：q z 衡軸向荷載的部分搭接k 節(jié)點(diǎn)進(jìn)行應(yīng)力分析和疲勞測(cè)試表明， 與k u a n g 公式的間隙k 節(jié)點(diǎn)的s c f 比較，平衡軸向荷載下的搭接k 節(jié)點(diǎn)的s c f 比 k u a n g 公式的間隙k 節(jié)點(diǎn)的s c f d x ，而非平衡軸向荷載下的搭接k 節(jié)點(diǎn)的s c f 比 k u a n g 公式的間隙k 節(jié)點(diǎn)的s c f 要高出很多。g h o t l 4 ( 2 0 0 1 ) 硼：究了完全搭接k 節(jié)點(diǎn) 在軸向荷載下的應(yīng)力集中系數(shù)和應(yīng)變集中系數(shù)，指出最大的應(yīng)變出現(xiàn)在與搭接撐 桿相交附近的直通撐桿上，并且研究指出直通撐桿與搭接撐桿的參數(shù)直徑比、厚 度比對(duì)s c f 起到很大作用。并將完全搭接k 節(jié)點(diǎn)與t 的s c f l l 較，駁斥了傳統(tǒng)上 將完全搭接k 節(jié)點(diǎn)看成兩個(gè)t 的看法。在此文獻(xiàn)是通過(guò)建立有限元t 模型和 t y 試驗(yàn)?zāi)Ｐ停容^t 有限元模型和試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，有限元模型和已有的的公式結(jié) 果，因?yàn)椴顒e都很小，以此證明州有限元模型建立的有效性。 在過(guò)去的幾十年里，對(duì)節(jié)點(diǎn)模型的建立標(biāo)準(zhǔn)一直有許多人在研究，并且眾說(shuō) 不一。2 d 殼單元和3 d 塊單元通常用來(lái)進(jìn)行管節(jié)點(diǎn)的有限元研究，單元類(lèi)型的選 擇要看節(jié)點(diǎn)的形狀和研究的內(nèi)容。同時(shí)必須保證選擇的單元在計(jì)算的準(zhǔn)確性和計(jì) 算時(shí)間方面有很好的折衷。3 d 塊單元能用來(lái)模擬整個(gè)管節(jié)點(diǎn)，用3 d 塊單元能比 簡(jiǎn)單的2 d 殼單元計(jì)算得出的節(jié)點(diǎn)交界處應(yīng)力更準(zhǔn)確。對(duì)斷裂力學(xué)的研究，研究 焊縫附近和沿桿件厚度的應(yīng)力這些更為詳細(xì)的應(yīng)力信息，3 d 塊單元是必要的。 天津大學(xué)碩士學(xué)位論文第一章緒論 r o m e i j n t l 5 】分析了建立管節(jié)點(diǎn)進(jìn)行有限元s c f 計(jì)算的幾個(gè)方面，指出管節(jié)點(diǎn)進(jìn)行 有限元s c f 計(jì)算時(shí)，建立2 0 個(gè)節(jié)點(diǎn)固體單元，在考慮焊縫模型的情況下，用于 計(jì)算s c f 的應(yīng)力應(yīng)通過(guò)插值得到垂直焊趾位置的應(yīng)力，在未考慮焊縫建模的情況 下，應(yīng)力不能通過(guò)虛擬焊趾位置來(lái)獲得，這樣得到的弦桿處的應(yīng)力偏小。r o m e i j n 分析的建立模型、提取應(yīng)力的方法一直被認(rèn)為是進(jìn)行管節(jié)點(diǎn)有限元s c f 計(jì)算的最 準(zhǔn)確的方法。在用試驗(yàn)方法進(jìn)行管節(jié)點(diǎn)s c f 分析時(shí)也大多采用插值獲得焊趾位置 的應(yīng)力作為熱點(diǎn)應(yīng)力。在不能模擬焊縫進(jìn)行有限元分析中，如用薄壁殼單元分析， 怎樣獲得熱點(diǎn)應(yīng)力得至i j s c f ，一直是深入分析研究的目標(biāo)。h e a l y 弄l l b u i t r a g o t l 6 通 過(guò)用殼單元建立沿中心平面的二維模型，比較了四種提取應(yīng)力的方法，指出對(duì)復(fù) 雜的管節(jié)點(diǎn)不能將固體焊縫單元模擬出來(lái)，將中平面交界處的節(jié)點(diǎn)平均應(yīng)力來(lái)計(jì) 算應(yīng)力從而得至i j s c f 是最為可靠的辦法。這種方法同考慮焊縫的固體模型結(jié)果相 比較，計(jì)算的弦桿處的應(yīng)力較準(zhǔn)確，而撐桿處的應(yīng)力較保守。文獻(xiàn)【l7 】建議用殼單 元在未考慮焊縫建模時(shí)，不應(yīng)對(duì)口超過(guò)0 8 的管節(jié)點(diǎn)進(jìn)行分析。用3 d 塊單元進(jìn)行 管節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力的參數(shù)分析，在計(jì)算上用時(shí)過(guò)長(zhǎng)，許多研究是選2 d 殼單元研究的， 生成2 d 殼單元單元網(wǎng)格比較容易，在計(jì)算的準(zhǔn)確性和計(jì)算時(shí)間方面有很好的折 衷。根據(jù)以上的建議，本文的研究采用管體中平面在撐弦桿的交界區(qū)域的節(jié)點(diǎn)的 最大主應(yīng)力用來(lái)計(jì)算應(yīng)力集中系數(shù)s c f ，在本文的k k 節(jié)點(diǎn)的s c f 分析中，采用節(jié) 點(diǎn)的不大于0 6 。 1 4 本文主要研究?jī)?nèi)容及研究意義 綜合前人的研究，在簡(jiǎn)單的管節(jié)點(diǎn)應(yīng)力集中系數(shù)方面研究較多，也比較深入， 而對(duì)復(fù)雜的管節(jié)點(diǎn)應(yīng)力集中系數(shù)方面研究較少，本文在以前對(duì)簡(jiǎn)單管節(jié)點(diǎn)研究基 礎(chǔ)上，運(yùn)用有限元軟件a n s y s ，用薄壁殼單元分析建立上千個(gè)適用于平臺(tái)結(jié)構(gòu)中 的k k 型節(jié)點(diǎn)，分析其在承受軸向力，平面內(nèi)彎矩和平面外彎矩三種荷載工況下 的撐、弦桿的最大主應(yīng)力，得出s c f 的一系列結(jié)果數(shù)據(jù)，通過(guò)不定尺寸的節(jié)點(diǎn) 幾何比例伉) ，孝盧f 和0 建立函數(shù)通過(guò)回歸分析得出k k 型節(jié)點(diǎn)撐、弦桿s c f 的一系列的參數(shù)方程。這些參數(shù)方程可以用來(lái)計(jì)算得出k k 型復(fù)雜管節(jié)點(diǎn)撐桿和 弦桿處圍繞交界處的最大應(yīng)力。 本文并進(jìn)一步，通過(guò)圖、表形式分別分析及，) ，孝，聲f 和秒各個(gè)參數(shù)對(duì)k k 型節(jié)點(diǎn)在三種荷載工況下?lián)螚U和弦桿s c f 的影響和各個(gè)參數(shù)對(duì)k k 型節(jié)點(diǎn)與對(duì) 相同尺寸的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算的k 型節(jié)點(diǎn)s c f 差距的影響。本文并計(jì)算了在三種荷 載作用下的8 0 0 個(gè)k 節(jié)點(diǎn)，以此與k k 節(jié)點(diǎn)s c f 比較，指出它們之間的差距， 天津大學(xué)碩士學(xué)位論文第一章緒論 從而進(jìn)一步驗(yàn)證研究復(fù)雜k k 節(jié)點(diǎn)的意義。 本文由于要進(jìn)行上千個(gè)k k 節(jié)點(diǎn)的有限元分析，所以在建立模型分析時(shí)用到 了a n s y s 批處理操作，建立通過(guò)a n s y s 的命令流，用a p d l ( a n s y sp a r a m e t r i c d e s i g nl a n g u a g e ，參數(shù)化設(shè)計(jì)語(yǔ)言) 進(jìn)行對(duì)模型的建立與運(yùn)算循環(huán)操作，從而大 大節(jié)約時(shí)間。從而也為以后研究管節(jié)點(diǎn)s c f 進(jìn)行大量有限元分析建立模型提供 參考模型。 本文對(duì)復(fù)雜k k 型管節(jié)點(diǎn)應(yīng)力集中系數(shù)參數(shù)方程的研究對(duì)以后研究其它復(fù)雜 節(jié)點(diǎn)s c f 和管節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)有一定參考價(jià)值。本文指出用于單k 節(jié)點(diǎn)的經(jīng)驗(yàn)公式并 不適用于k k 節(jié)點(diǎn)，為了估計(jì)管節(jié)點(diǎn)的疲勞壽命，用k 節(jié)點(diǎn)代替k k 節(jié)點(diǎn)是不安 全的。本文通過(guò)分析各個(gè)參數(shù)對(duì)k k 型節(jié)點(diǎn)s c f 與對(duì)相同尺寸的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算 的k 型節(jié)點(diǎn)s c f 差距的影響，從而使我們更加了解參數(shù)的變化對(duì)k k 節(jié)點(diǎn)用k 節(jié)點(diǎn)來(lái)代替時(shí)的不安全因素的影響，為管節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)、校核提供指導(dǎo)。 天津大學(xué)碩士學(xué)位論文第二章k k 型管節(jié)點(diǎn)力學(xué)模型建立 第二章k k 型管節(jié)點(diǎn)力學(xué)模型建立 本章主要介紹k k 型管節(jié)點(diǎn)模型參數(shù)選取，k k 型管節(jié)點(diǎn)有限元模型的建立， 并以1 0 0 0 個(gè)k k 節(jié)點(diǎn)的s c f 計(jì)算為例，將a n s y s 中的輸入的命令流文件列出。 該命令流文件運(yùn)用a p d l ( a n s y sp a r a m e t r i cd e s i g nl a n g u a g e ，參數(shù)化設(shè)計(jì)語(yǔ)言) ， 從而能實(shí)現(xiàn)對(duì)k k 節(jié)點(diǎn)循環(huán)建模和計(jì)算。 2 1k k 型管節(jié)點(diǎn)模型參數(shù)選取 2 1 1k k 型管節(jié)點(diǎn)模型及參數(shù)符號(hào)定義 本文研究的典型的k k 型復(fù)雜管節(jié)點(diǎn)由兩個(gè)完全相同的k 型管節(jié)組成，認(rèn)為 k k 節(jié)點(diǎn)與k 節(jié)點(diǎn)有相同幾何尺寸。兩個(gè)k k 管節(jié)點(diǎn)撐桿平面互相垂直，k k 節(jié) 點(diǎn)參數(shù)符號(hào)同k 節(jié)點(diǎn)參數(shù)符號(hào)，如圖2 1 所示。k k 節(jié)點(diǎn)的幾何模型如圖2 - 2 所 示。 定義及取值：d 一撐桿直徑，d 卜一弦桿直徑，己弦桿長(zhǎng)度，卜撐桿 壁厚，卜弦桿壁厚，廣撐桿在與弦桿相交處的間距，卜_ 撐桿中心末端 到塞板中心的長(zhǎng)度 f l = d d ，a = 2 l d ，y = d 2 t , r = t t , 乒- g d 。彈性模量 e = 2 1 0 g p a ，泊松比v = 0 3 。在本研究中，k 節(jié)點(diǎn)與k k 節(jié)點(diǎn)的每個(gè)撐桿參數(shù)相 同，即有同樣的聲、r 、，兩個(gè)平面上的撐桿的間距g 相同。 | 生 一1 圖2 1k 型管節(jié)點(diǎn)的幾何參數(shù)符號(hào) 天津大學(xué)碩士學(xué)位論文 第二章k k 型管節(jié)點(diǎn)力學(xué)模型建立 z y x z y t 卜一 圖2 2k k 型管節(jié)點(diǎn)的幾何模型 2 1 2k k 型管節(jié)點(diǎn)模型的參數(shù)數(shù)據(jù) 為了得到參數(shù)方程，幾何節(jié)點(diǎn)參數(shù)取值范圍必須有一定代表性，并且適應(yīng)規(guī) 范【1 8 】的要求。k k 節(jié)點(diǎn)在三種荷載作用下建立的s c f 參數(shù)方程的適用范圍 9 z - - a _ 18 ，3 5 0 0 5 _ 7 5 0 ，10 a _ f l ：_ 3 0 ，5 0 m m g ，0 5 0 m m d 毒_ 0 5 ，0 3 _ f l 0 6 ，0 4 r 5 0 8 ( 1 ) k k 型節(jié)點(diǎn)在軸向荷載下用有限元分析時(shí)在參數(shù)的變化范圍內(nèi)均勻覆蓋， 參數(shù)按如下數(shù)值變化共建立3 0 0 0 個(gè)k k 節(jié)點(diǎn)模型。 a = 1 2 ，0 = 3 5 0 、4 5 0 、5 5 0 、6 5 0 、7 5 。，) ，= 1 0 、1 5 、1 8 7 5 、2 5 、3 0 ，孝= o 0 5 、 0 1 、0 1 5 、0 2 、0 3 、0 4 ，夕= 0 3 、0 4 、0 5 、0 6 ，r = 0 4 、0 5 、0 6 、0 7 、 o 8 ( 2 ) k k 型節(jié)點(diǎn)在平面內(nèi)彎矩和平面外彎矩作用下用有限元分析時(shí)，參數(shù)按如 下數(shù)值變化共建立4 0 0 0 個(gè)k k 節(jié)點(diǎn)模型。 當(dāng)僅= 1 2 ，0 = 3 5 0 、4 5 0 、5 5 0 、6 5 0 、7 5 0 ，) ，= 1 0 、1 5 、1 8 7 5 、2 5 、3 0 ，f = 0 1 、 o 2 、o 3 、o 4 、0 5 ，夕= 0 3 、0 4 、0 5 、0 6 ，r = 0 4 、0 5 、0 6 ，0 7 、0 8 建立2 5 0 0 個(gè)k k 節(jié)點(diǎn)模型。 當(dāng)a = 9 、1 5 、1 8 ，0 = 3 5 。、4 5 。、5 5 。、6 5 。、7 5 。，) ，= 1 0 、1 5 、2 0 、2 5 、，3 0 ， 孝= 0 1 、0 2 、0 3 、0 4 、0 5 ，= 0 3 、0 4 、o 5 、0 6 ，r = 0 4 、0 5 、0 6 、0 7 、 0 8 建立1 5 0 0 個(gè)k k 節(jié)點(diǎn)模犁。 8 一 洳 輦 o 8 o o o ooo o o o o o o o o o o o o o o o oo i nv 、i nnd 一 h _- 一 ，一 h hn 卜o o h 崎 葛 寸n i n n也o ni n 中nni nn n o o o o o o ooo o oo 6 o o o o o o o o o o oo 、n 、nl n q n q ni n_ n o i m 、n n o o n 一 hhh h 一 hf 叫_ ，一 h_ _ n n i n 十 、 心 l nl n 卜0亂岔口寸 i n 口 i n 卜卜凸 i n 饕 i ni nl ni ni ni ni nl nni nv 1 卜卜卜卜卜卜卜卜卜卜卜卜 片i ni ni ni ni ，、l nl nt nnnl n 心口心也、o口 i ni ，1 l ni ni nt nl ni ni nl nn l n- nni ni nl nl ni ni nni n i ni nv 1i ni ni nl nv 、nnn 寸寸寸中寸寸中寸十寸寸 nl ni ni ，、i nl ni ni ni nn i n 器n nn n n n n n n n n n 心 n n 寸 心 i n n 夠 o oc , oo oo 。o 。o 。o o。o o qo o o o o o o o o o o 卜 卜 卜卜卜卜卜卜卜卜卜卜卜 o qo 。o o。o。o。o。 o 哆 嗎口心口口 o qo o o o o o o o o o o 疑 i n 乜 l nl nl ni nnl nl nni nl ni n oqoo o o o o o o o o o 十 寸 寸寸 t弋r寸寸 寸寸寸寸寸 o。o。o o。o o。o。 崢 口口心口 口心 o qo o o o o o o o o o o n i nt nl n t n l nl ni ni n t ni nl n 黿ii o c t o o o o o o o o o o o 寸 節(jié) 、中寸寸 中、中中寸寸中寸 中 oqo o o o o o o o o o o 、 1 、n n、n n n n n h n qo 。o o o o o o o o o o o v 、 叼 i ni ni n oqo o o 寸 寸 寸 中寸 o qo o o 、 1 n、f 、 帚 oqo o o r q q n n n o qo o o 一 h n n、nnn n n h j -o。o oo o oo o o o oo h i n 卜 斧 o 竺 o oi no oi noi no ol no 、 _ n n _ _ 一n nn 一 n 驀 i 忐 n 竺 n n ni ni n i n 一 小 凸凸岔凸 一 回星餐羞鏟她貳 。垃埭謎丕喉斟 墮岬妲蝴卜丑畏_n僻 曙籟燕 琳$冥截逖科議糯惻瞰樞k 瓢娶伊眨霹已g鏟g譬卜 旺世 鼴價(jià)春 睜冥最靜長(zhǎng)曙籟籟弧娶伊嘭暈rlrg鏟星留塔求氓醛 蛭鏟 忙星卜 玨世 爵澎2 i _ n 親梏蛭鏟 犯稈 舉籟搽祗冥伊眨毫rlr星梧卜ei世輯蝗妻川掛唾鏟姐尉螢卜壬黑n文，h式懈器轄求贐h罐挺瘊似螻剃輜鏟星匿罷茛蓉琳磚氓醛忙悄倒話厘譬fl山u螺鏟狀 科裂剝輜撲r咂鏟靴副量料二躲 杈秘革粹f隧?yè)鋕轂帳 o一。 o 輦 8 o o o o o o o o oo 口口n i n h 口寸寸 n n 9 o o o o 。o o o o q q t q i nl n 一 h h h叫 q nt q 一卜岔昏 ；2 l ni ni ni n 卜t - -卜卜 抖 i nt ni nl n 嚀 口 口 咕 次 i ni nv 、v 、 t t - j ni n l n nnv 、n 寸 尊 寸寸 吣翟 i ni nl nn n n n n o 。 啦 o oo o 6o。 o o 卜卜卜卜 q。 6。o 哼 崎心 也 o o o o l n ni n 麓 qo o o o 節(jié) 寸寸 寸寸 。o 崢 口 崢 心o qo 。o o l n 托 nl n qo 。 oo 辭 寸 寸寸寸寸 o o o o 1 n 1 n n q。 o o o o 寸 寸寸寸寸 qo 。oo 贍 n 叩 n n qo o o o qn t q nn qoo o o i n nl n l n 點(diǎn) o o o o 帚 o 一一 qo o o o 呂 ni ni nn o 9 o o ：= i c ；o o o o n 卜 斧 t o n o 、 2r - - i_ i qn 量 毽i i n n n n n 鞲豁蒹孤娶伊?xí)炓裧蛭鏟g蓉卜暖世赫梧暹暴話鏟她爵螢n-乙 o 鎏 o o o o o o o o o o o 2 o o o o 一 _ _h 一 中 卜。o h 寸 i n n口o t - ini n 葛 nnn o o oo o o c ；o o oo o o o n n n ml n q n i n o q n m n h h hhhhh 昀 n h 2 n nd q昏 h - _h叫 v 、i ni ，、 i n ni ，、- n 卜卜卜 t 卜卜卜 i ni ni n ：合 ni ni n 心口心 討n l n l n - nnl n i nl ni n 寸寸 十 ni ni n l ni nv 、 n n n n l ni nn i ，、t n 寸寸寸 吣 t ni ni n n n n o 。o o。o 啦 o o ooo qo o o 卜卜 卜 卜 卜 卜卜 o o oq。 o。 o 哆 心口 o o o c ： o o o 譬 i n v 、 t n 乜 i nl ni n o o oqo oo 寸寸寸 寸 寸寸 寸 o。o。o 、o心口 坦 心 o ooqo o o i nnt n nt ni n 睪 o o o qo o o 寸寸寸 寸 寸x 中寸 o o oqo o o n n n 1 、n qooo 。o o o 帚 n、n 1 nn 、 h j -o o o 。o o o h 奔 o o i n o i n o 入 i n n - _ nn nn 驀 土 毽i t l n- n。o 。o 。o 一 一一一 一 悄矧剝輜粹r蛭孥牡剝螢料t二瓣 以磐蕓撲-i娶撲k憋帳 輦 o o o oo o 寸寸0 0 h 口寸 o o o o q t qn h h q n t q 卜卜 i nl t - , j 卜卜 i ni n 口 i nv 、 v 、l n i n 中寸 吣 l ni n 、n 0 00 0 o o 卜卜 。 口口 o o 麓 ni n o o t t中 o。 心口 o o i nl n 需 o o 寸寸 oo 、 qo o 寸 寸 o o nn o o nn o o i ni n 一 o 一一 帚 o o i nl n o o ： o o 舊斧 ，h 、 鑒 nt q 寒籟巔孤冥伊嘭辜娶鏟g苔轄求暇醛忙g卜旺世熏掛鏟她爵冒星鄹丑鏟缸爵螢岬靶劃 甲n 琳 悄裂副輜撲r竽馳酬螢料二躲 杈留拿釋i巨爐k蜒k 天津大學(xué)碩士學(xué)位論文第二章k k 型管節(jié)點(diǎn)力學(xué)模型建立 2 2 建立k k 型管節(jié)點(diǎn)有限元模型 現(xiàn)研究焊接管節(jié)點(diǎn)交界處的應(yīng)力分布的方法有多種，其中有p h o t o e l a s t i c 模 型，a c r y l i c 模型、全比例模型和縮小比例的鋼模型。因?yàn)槿壤Ｐ屯ǔＤ艿玫?比較準(zhǔn)確的結(jié)果，但是因?yàn)樗璩杀靖?，一是試?yàn)建立需要大空間，另外，還需 大的加載裝置使節(jié)點(diǎn)破壞和精密測(cè)量設(shè)備。并且研究參數(shù)對(duì)節(jié)點(diǎn)s c f 分析時(shí)， 因?yàn)樾杞⒌哪Ｐ秃芏?，需要上千個(gè)節(jié)點(diǎn)的模型的建立，試驗(yàn)分析是很難實(shí)現(xiàn)的。 有限元軟件的應(yīng)用可以對(duì)大量節(jié)點(diǎn)s c f 進(jìn)行分析，本文正是運(yùn)用有限元a n s y s 8 0 進(jìn)行節(jié)點(diǎn)s c f 的分析計(jì)算。關(guān)于有限元方法的原理在此不再贅述。 2 2 1 前處理階段 單元類(lèi)型 殼單元通常用來(lái)分析管節(jié)點(diǎn)應(yīng)力，通常有比較高的準(zhǔn)確性并且計(jì)算較簡(jiǎn)單。 殼單元是基于殼理論，當(dāng)殼尺寸厚度為殼整體尺寸的1 1 0 時(shí)，用二維理論來(lái)近 似三維連續(xù)體，這同樣適合于作為管節(jié)點(diǎn)的模型。殼單元分為薄壁殼單元和厚殼 單元。薄壁殼單元不傳遞剪應(yīng)力，而厚殼單元傳遞剪應(yīng)力。殼單元類(lèi)型的選擇受 結(jié)構(gòu)對(duì)剪力變形重要性的影響，隨著殼厚度與殼整體尺寸比例的增加，剪力變形 變得更重要。有研究指出用薄壁殼單元和厚殼單元來(lái)模擬管節(jié)點(diǎn)對(duì)計(jì)算結(jié)果影響 不大，因?yàn)閷?duì)平臺(tái)管節(jié)點(diǎn)桿件厚度與直徑比很小，換句話說(shuō)，管壁是薄型的。 用殼單元分析管節(jié)點(diǎn)應(yīng)力的缺點(diǎn)是管節(jié)點(diǎn)被模擬為在桿件厚度中心平面處 相交的二維圓管，這樣焊縫不能被模擬出來(lái)，導(dǎo)致熱點(diǎn)位置同真正的鋼模型不同， 尤其對(duì)撐桿。這也是有限元分析結(jié)果和鋼模型試驗(yàn)結(jié)果有差別的原因，尤其對(duì)撐 桿的差別更大一些。但是有文獻(xiàn)5 指出用有限元分析結(jié)果同同樣忽略焊縫應(yīng)變測(cè) 量的丙烯酸模型的差別一般是比較小的，薄壁殼單元在計(jì)算管節(jié)點(diǎn)應(yīng)力時(shí)提供在 的結(jié)果準(zhǔn)確和運(yùn)算方面很好的折衷。 本文采用a n s y s 程序，對(duì)k k 節(jié)點(diǎn)用彈性4 節(jié)點(diǎn)四邊形殼體單元s h e l l 6 3 進(jìn)行計(jì)算，s h e l l 6 3 具備彎曲和膜的特性，能承受平面內(nèi)和法線方向的荷載。這 個(gè)單元在節(jié)點(diǎn)上有六個(gè)自由度：節(jié)點(diǎn)x ，y ，z 方向的平動(dòng)和x ，y ，z 方向的旋轉(zhuǎn)。 該單元的優(yōu)點(diǎn)是可處理帶厚度的殼體，與采用實(shí)體單元相比對(duì)幾何模型進(jìn)行離散 時(shí)，有單元和節(jié)點(diǎn)數(shù)少而計(jì)算精度高的優(yōu)點(diǎn)，因而能節(jié)約計(jì)算時(shí)間。 天津大學(xué)碩士學(xué)位論文第二章k k 型管節(jié)點(diǎn)力學(xué)模型建立 2 2 2 網(wǎng)格產(chǎn)生 用有限元方法分析的主要一步是網(wǎng)格的生成，尤其是出現(xiàn)幾何不連續(xù)的區(qū)域 時(shí)應(yīng)力在這些區(qū)域產(chǎn)生急劇變化，對(duì)管節(jié)點(diǎn)的交界處就是這樣，在撐弦桿交界 處幾何不連續(xù)。這樣節(jié)點(diǎn)應(yīng)力梯度是不均勻分布的，圍繞交界處應(yīng)力梯度很大 在遠(yuǎn)離交界處梯度分布比較均勻。 為了使參數(shù)范圍能覆蓋海洋結(jié)構(gòu)的大多數(shù)管節(jié)點(diǎn)，必須進(jìn)行大量有限元分析。 在a n s y s 中，用a p d l 參數(shù)化設(shè)計(jì)語(yǔ)言) 建立的輸入文件程序，能自動(dòng)建立模 型并進(jìn)行網(wǎng)格劃分，直接進(jìn)行分析。如前所述，為了獲得準(zhǔn)確的計(jì)算結(jié)果，并避 免不必要的計(jì)算影響，必須在撐弦桿交界處產(chǎn)生好的較密單元，撐弦桿的末端單 元可相對(duì)粗糙。 并且，為了獲得建立最好剛度方程的條件和計(jì)算準(zhǔn)確性單元不應(yīng)該過(guò)量拉長(zhǎng) 和扭曲。本次用到網(wǎng)格劃分形式是對(duì)整體節(jié)點(diǎn)智能網(wǎng)格劃分后對(duì)攆桿與弦桿的交 界線附近細(xì)化加密，這樣既可以得到較為精確的結(jié)果，又能減少單元、節(jié)點(diǎn)數(shù)， 并且能適應(yīng)覆蓋各種不同參數(shù)的變化范圍。在這個(gè)輸入文件中，只需用戶進(jìn)行少 量在絕對(duì)尺寸或非尺寸的幾何比參數(shù)上的改變。 本文采用全模型進(jìn)行分析，如圖2 3 為劃分網(wǎng)格的全模型。 圖2 - 3 劃分時(shí)格的全模型似一1 2 ，04 5 。, y = l o ，f = 02 ，聲= o5 r - 0 4 ) 2 2 3 荷載和邊界條件 應(yīng)力集中系數(shù)s c f - d 。，本文取口呻為管體表面節(jié)點(diǎn)的最太主應(yīng)力， 以為名義應(yīng)力。在軸向荷載作用下名義應(yīng)力為軸向力除以槨桿的橫截面積。 在彎矩作用下的名義應(yīng)力為通過(guò)簡(jiǎn)支梁彎曲理論。為彎矩除以抗彎模量。為使后 處理簡(jiǎn)單化，加在撐桿末端的力和彎矩都設(shè)為單位名義應(yīng)力即名義應(yīng)力為單位 l 時(shí)的軸向力和彎矩，分別為2 州、z ，f ，這樣所得的展大應(yīng)力即為應(yīng)力集中系 數(shù)。圖2 _ 4 為k k 節(jié)點(diǎn)的三種荷載作用方式，圖2 - 5 為k 節(jié)點(diǎn)的三種荷載作用方式， 正確邊界條件可使有限元分析結(jié)果接近實(shí)的管節(jié)點(diǎn)應(yīng)力分布的各類(lèi)型管節(jié) 天津大學(xué)碩士學(xué)位論文 第二章k k 型管節(jié)點(diǎn)力學(xué)模型建立 點(diǎn)弦桿兩端六個(gè)自由度( 魄、鞏、覘、鍛，鞏、如) 全部約束。 ( a ) 軸向力作用 ( b ) 平面內(nèi)彎矩 ( c ) 平面外彎矩 圖2 - 4k k 節(jié)點(diǎn)的三種荷載作用方式 2 2 4 有限單元計(jì)算 ( a ) 軸向力作用 ( b ) 平面內(nèi)彎矩 ( c ) 平面外彎矩 圖2 5k 節(jié)點(diǎn)的三種荷載作用方式 有限元法計(jì)算應(yīng)力的原理是通過(guò)高斯點(diǎn)到所選單元的節(jié)點(diǎn)的線性插值得到 的，管體中平面在撐弦桿的交界區(qū)域的節(jié)點(diǎn)的最大主應(yīng)力用來(lái)計(jì)算應(yīng)力集中系數(shù) s c f 。因?yàn)樵谳斎胛募?，直接將單位名義應(yīng)力的載荷加在撐桿末端，從有限元 輸出文件中得到的撐弦桿交界區(qū)域的最大主應(yīng)力即為應(yīng)力集中系數(shù)s c f 。 天津大學(xué)碩士學(xué)位論文第二章k k 型管節(jié)點(diǎn)力學(xué)模型建立 a 網(wǎng)格的優(yōu)化選取 在參數(shù)研究分析前，為能得到較為準(zhǔn)確的撐弦桿的應(yīng)力集中系數(shù)，對(duì)網(wǎng)格劃 分運(yùn)算結(jié)果進(jìn)行比較分析，優(yōu)化選