基于有限元法的空心截面圆管—方管接头的研究—无量纲几何参数分析和疲劳设计

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金属材料的空心截面接头经常会被应用到工程结构当中,而圆管结构以其卓越的力学性能和极具魅力的艺术美感,已在国内外的海洋平台、高耸结构、建筑结构中得到了广泛的应用。相对于纯圆管结构,主管用方形空心截面管,支管仍保持圆形空心截面管,既继承了圆管结构的优点,又具有了自己的风格。由于试验接头的数量毕竟有限,仅依靠试验结果无法获得令人信服的归纳结果,回归公式更是困难。本文通过使用有限元分析软件ANSYS对空心截面圆管-方管T型接头在不同的几何参数下,遭受相同轴向载荷情况下的热点应力情况进行了大量的有限元分析,并通过图表形式对结果进行了总结,整理了其受力变形特性。本文研究了遭受相同轴向载荷的情况下具有不同无量纲参数的空心截面圆管-方管T型接头的热点应力集中因子。为了使用ANSYS软件去分析空心截面圆管-方管接头,文中首先针对一些文献中已经做过试验的试件,对其进行有限元建模,并将计算结果与试验数据进行对比,以确定利用有限元建模进行计算的可行性和有效性。之后本文又选定了β、2γ、τ三个主要影响应力集中因子的参数,并确定其常用范围。按照一定规律,本文选定了一系列的无量纲几何参数,再将它们进行全排列组合,使参数组合点均匀分布在整个参数空间内,之后建立每一个参数组合的有限元模型。在此基础上最大热点应力值的无量纲几何参数被发现,不同无量纲几何参数下应力集中现象的变化规律也被归纳出,用以指导生产实践。本文还针对焊脚尺寸进行了特别的研究,发现焊脚尺寸对应力集中因子的影响也是不可忽略的,在工程应用中应考虑不同焊脚尺寸对应力集中因子的影响,但本文只是要考察三个主要的无量纲几何参数β、2γ、τ对热点应力集中因子的影响,有鉴于此,本文针对焊脚尺寸,在进行有限元建模时,遵循有关规范的基础上仅对焊脚尺寸进行了特别的规定,尽量消除它对其它三个无量纲参数分析时的干扰,并使之能够适应建模需要。本文最后基于已有试验的疲劳数据回归出了适用于空心截面圆管-方管T形接头的S-N曲线。
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