铸钢节点外形美观、造型灵活、设计自由度大,各支管之间光滑过渡。节点整体浇铸而成,具有各向同性、均质性好等优点,可以避免焊缝引起的热影响区,缓解应力集中,改善构件的力学性能。因其自身的优势,近年来铸钢节点逐渐成为工程领域新兴的节点形式。由于涉及到铸件生产中合金成分、浇注工艺、铸件与铸型形状、散热条件等因素的影响,节点不可避免的在浇铸完成后会存在诸如裂纹、冷隔等平面型初始缺陷与诸如气孔、夹砂、缩松、缩孔等非平面型初始缺陷,这对于工程结构中承受较大内力和交变荷载的铸钢构件是较为危险的。在设计和生产中虽然努力消除各种铸造缺陷,但在现有的工艺条件下,很难达到完全不产生缺陷。宏观缺陷虽然可以避免和修补,但是细观微观缺陷仍然存在;且现有的铸钢节点质量评定标准仅将缺陷分为平面型和非平面型缺陷两大类,按照缺陷的大小进行铸造质量等级评定,评级方法较为笼统,未考虑缺陷处的内力大小,未对具体的缺陷种类和位置制定详细的评定方法。本文研究了铸件铸造过程的数值模拟、铸造缺陷的分布和带初始缺陷的铸钢节点的力学性能。首先运用铸造过程模拟仿真软件,通过对十字板铸件的浇铸过程进行数值模拟,研究了铸件厚宽比、浇注速度等铸造随机参数对铸造过程的影响:其次对K型铸钢节点浇注系统进行设计、模拟浇铸过程、分析初始缺陷的位置;然后探讨了铸造初始缺陷在有限元中的建模方法,以及初始缺陷对K型铸钢节点静力学性能与疲劳力学性能的影响;最后根据研究结论对现有铸钢节点质量评级方法的局限性提出相关修改建议。本文主要研究内容如下:(1)简要阐述了铸钢件生产工艺流程、铸件在成型过程中金属液流动及凝固的理论基础、铸造模拟软件运行流程以及初始缺陷判据。通过对十字板铸件的铸造模拟,研究了初始缺陷的尺寸、位置和分布。与文献中的浇铸试验结果进行比较,验证铸造模拟软件在本文的适用性。探讨了铸件厚宽比、浇铸速度两类铸造随机参数对铸件缩孔缩松缺陷的影响。(2)对工程中典型的K型铸钢节点进行了浇注系统、冒口、铸型的设计与建模,并依据实际工程浇铸要求与浇铸实例,确定浇注方式、浇注时间、浇注速度、浇注温度、散热方式等初始条件,优化设计,减少缺陷数量,保证浇铸质量。通过铸造过程模拟软件对K型铸钢节点的铸造过程进行了模拟分析,根据模拟结果研究了冲砂、缩松、热裂三类缺陷的大小尺寸、位置、分布情况。(3)分别探讨了冲砂缺陷场、热裂缺陷场、缩松缺陷场发生的判据及在铸钢节点有限元模型中的模拟方法,具体有:根据速度场随时间的变化形式,分析冲砂缺陷发生的部位。根据金属液流动速度及冲砂作用时间,判断冲砂缺陷严重程度;将热裂场中热裂指数大于0.035的区域视为真实热裂缺陷,在有限元模型中建立裂纹;K型铸钢节点的缩松缺陷呈现出一种场分布形式,因缩松率较小,在有限元缺陷建模中对相应区域做弹性模量折减,用弹性模量场表示缩松缺陷场。(4)通过有限元分析对比了无初始缺陷的K型铸钢节点与含初始缺陷的K型铸钢节点的静力学性能。分析发现:K型铸钢节点的破坏形式均为斜撑腹杆管壁应力首先达到屈服点而破坏,节点本身具有较高的安全度;由于初始缺陷较小,对节点刚度基本没有影响;对强度有一定影响,会造成局部的应力集中现象。(5)通过有限元分析对比了无初始缺陷的K型铸钢节点与含初始缺陷的K型铸钢节点的疲劳力学性能。分析发现:加载方式不同,初始缺陷对铸钢节点的疲劳力学性能的影响也不相同,其原因在于,不同的加载方式使得缺陷所在区域的应力场是不同的。初始缺陷对铸钢节点局部疲劳性能有较大的影响,尤其是在主管的高应力区域,初始缺陷的存在会使局部疲劳安全系数小于许用安全系数;在支管低应力区域,初始缺陷对疲劳安全系数有一定影响,但仍高于许用安全系数。(6)全文研究发现现行铸钢节点质量等级评定方法不够全面,仅根据缺陷大小对铸钢件进行质量评级是具有局限性的,缺陷的种类、大小、位置均对节点力学性能有不同影响。因此工程中铸钢节点的质量等级评定应根据检测结果中缺陷的种类、大小、位置等因素结合力学分析结果进行综合评判。