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焊接鋼管節點熱點應力分析 版權信息
- ISBN：9787030742087
- 條形碼：9787030742087 ; 978-7-03-074208-7
- 裝幀：一般膠版紙
- 冊數：暫無
- 重量：暫無
- 所屬分類：>
焊接鋼管節點熱點應力分析 內容簡介
本書在總結國內外學者關于焊接鋼管節點熱點應力研究成果的基礎上，著重介紹了作者在該領域開展的系統研究，全書共分為八章，分別為：（1）概述；（2）管節點物模試驗方法；（3）管節點數值仿真方法；（4）多平面管節點熱點應力計算方法；（5）SCF和MIF極值計算公式；（6）SCF和MIF分布計算公式；（7）基于人工神經網絡的計算方法；（8）實際工程應用示例。全書基于物模試驗和數值分析方法，論述了作者在該領域的研究成果
焊接鋼管節點熱點應力分析 目錄
目錄
前言
第1章 概述 1
1.1 管節點熱點應力問題 1
1.2 管節點研究基礎 3
1.3 熱點應力計算方法 9
1.4 國內外研究現狀 12
1.4.1 HSS研究方法 12
1.4.2 SCF極值研究 15
1.4.3 SCF分布研究 20
1.5 SCF公式匯總 21
第2章 管節點物理模型試驗方法 25
2.1 空間結構復雜荷載試驗系統 25
2.2 試件設計及處理 26
2.3 測點布置與試驗工況 32
2.3.1 測點布置 32
2.3.2 試驗工況 36
2.4 試驗結果分析 40
2.4.1 試驗數據處理 40
2.4.2 SCF分布規律分析 44
2.4.3 SCF關鍵點值分析 51
2.4.4 試驗值與規范對比 53
2.4.5 試驗經驗總結 56
第3章 管節點數值仿真方法 58
3.1 焊縫體數學模型 58
3.2 含焊縫管節點數值模型 68
3.3 數值仿真方法驗證 74
第4章 多平面管節點熱點應力計算方法 77
4.1 復雜荷載作用下的熱點應力 77
4.2 多平面相互作用研究 87
4.3 空間管節點熱點應力計算公式 91
第5章 SCF和MIF極值計算方法 95
5.1 SCF和MIF極值規律概覽 95
5.2 多維非線性擬合方法 95
5.3 基本荷載作用下極值公式 97
5.4 極值公式準確性評估 103
第6章 SCF和MIF分布計算方法 111
6.1 分布響應規律概覽 111
6.2 確定分布公式形式 111
6.3 基本荷載作用下分布公式 112
6.4 分布公式說明 118
6.5 分布公式準確性評估 120
第7章 基于人工神經網絡的計算方法 127
7.1 人工神經網絡方法 127
7.2 人工神經網絡原理 128
7.3 人工神經網絡設計 130
7.4 人工神經網絡計算效果評估 134
第8章 實際工程應用示例 138
8.1 引言 138
8.2 工程概況 139
8.3 熱點應力計算 145
8.4 計算方法評價 148
參考文獻 150
附錄 AAWS規范中焊接坡口圖 162
附錄 B有限元與試驗應變對比圖 164
附錄 CSCF和MIF分布公式系數 169
附錄 D神經網絡模型權重值 180
前言
第1章 概述 1
1.1 管節點熱點應力問題 1
1.2 管節點研究基礎 3
1.3 熱點應力計算方法 9
1.4 國內外研究現狀 12
1.4.1 HSS研究方法 12
1.4.2 SCF極值研究 15
1.4.3 SCF分布研究 20
1.5 SCF公式匯總 21
第2章 管節點物理模型試驗方法 25
2.1 空間結構復雜荷載試驗系統 25
2.2 試件設計及處理 26
2.3 測點布置與試驗工況 32
2.3.1 測點布置 32
2.3.2 試驗工況 36
2.4 試驗結果分析 40
2.4.1 試驗數據處理 40
2.4.2 SCF分布規律分析 44
2.4.3 SCF關鍵點值分析 51
2.4.4 試驗值與規范對比 53
2.4.5 試驗經驗總結 56
第3章 管節點數值仿真方法 58
3.1 焊縫體數學模型 58
3.2 含焊縫管節點數值模型 68
3.3 數值仿真方法驗證 74
第4章 多平面管節點熱點應力計算方法 77
4.1 復雜荷載作用下的熱點應力 77
4.2 多平面相互作用研究 87
4.3 空間管節點熱點應力計算公式 91
第5章 SCF和MIF極值計算方法 95
5.1 SCF和MIF極值規律概覽 95
5.2 多維非線性擬合方法 95
5.3 基本荷載作用下極值公式 97
5.4 極值公式準確性評估 103
第6章 SCF和MIF分布計算方法 111
6.1 分布響應規律概覽 111
6.2 確定分布公式形式 111
6.3 基本荷載作用下分布公式 112
6.4 分布公式說明 118
6.5 分布公式準確性評估 120
第7章 基于人工神經網絡的計算方法 127
7.1 人工神經網絡方法 127
7.2 人工神經網絡原理 128
7.3 人工神經網絡設計 130
7.4 人工神經網絡計算效果評估 134
第8章 實際工程應用示例 138
8.1 引言 138
8.2 工程概況 139
8.3 熱點應力計算 145
8.4 計算方法評價 148
參考文獻 150
附錄 AAWS規范中焊接坡口圖 162
附錄 B有限元與試驗應變對比圖 164
附錄 CSCF和MIF分布公式系數 169
附錄 D神經網絡模型權重值 180
展開全部
焊接鋼管節點熱點應力分析 節選
第1章概述 1.1管節點熱點應力問題 縱觀*早起源于兩河流域的人類文明史不難發現，相較于五千多年前，近三百年來人類科學技術的發展呈騰飛態勢，其重要原因在于幾次重大的工業革命。從18世紀60年代開始的蒸汽技術革命，到19世紀70年代開始的電力技術革命，再到20世紀40年代的信息技術革命，每一次工業革命，都是以能源作為源動力，從煤炭拓展至石油，再從石油拓展至原子能，能源來源的突破是每一次技術革命的強勁推力[1]。時至今日，第四次技術革命已來臨，發展新能源是第四次技術革命的核心任務[2]。能源工業未來的方向是從能源資源型走向能源科技型，清潔、可再生等特性成為新能源工業的基本要求[3]。從戰略的眼光來看，促進新能源經濟的發展，可以推進能源結構乃至經濟結構的轉變，對國民經濟產生深遠的影響，也是未來世界各國的競爭重點，并且新能源本身就是一個經濟發展方向[4，5]。 風能作為典型的清潔可再生能源，近年來在世界各地都得到了大力推廣[6-8]。風機主要由轉子、塔筒、基礎結構和地基等組成，其中基礎結構和地基的設計為土木工程領域問題[9，10]。海上風機有別于陸地風機，一方面，海上風機的體量更為巨大，由于尺度效應的存在，產生了很多技術難題，對結構設計提出了更高的要求[9，10]；另一方面，海上風機服役期承受的荷載更為復雜，其中包括風荷載、波浪荷載、海流荷載、水位變化、海生物附著生長和沖刷淘蝕等，特殊海域需要考慮海冰荷載，極端工況下還需要考慮地震荷載[11，12]。這些荷載多為循環荷載，使得疲勞問題成為海上風機基礎結構設計的關鍵問題[13]。 海上風機基礎結構形式按照其適用的水深不同，分為固定式基礎和浮式基礎兩大類[14，15]。在水深小于50m的近海海域，通常采用固定式基礎。固定式海上風機基礎結構的類型主要有重力式、單樁式、多樁式和導管架式等，各類型結構適用的水深逐漸增加，如圖1.1所示。 相較于重力式和單樁式基礎結構，多樁式和導管架式基礎結構中存在各種鋼管節點，由于幾何變化不連續，以及焊接初始缺陷的存在，管節點桿件相貫部位會發生明顯的應力集中，在循環荷載作用下，管節點比結構其他部位更易發生疲勞開裂破壞[16]。近幾十年來，隨著鋼管結構在建筑、橋梁、海洋等工程中的廣泛應用，管節點疲勞破壞發生的頻率之高，使之成為備受關注的熱點問題。因此，焊接鋼管節點是鋼管結構疲勞設計的關鍵[17]，采用合適的、易于工程使用的方法準確地計算出管節點疲勞壽命，是保證海上風機整體結構正常穩定工作的必要條件。 在工程設計中，管節點的主流疲勞設計方法是基于熱點應力（hotspotstress，HSS）的S-N曲線法，熱點應力的計算可以由名義應力與應力集中系數（stressconcentrationfactor，SCF）相乘得到。焊接鋼管節點熱點應力問題十分重要，現有針對HSS和SCF的研究成果十分豐富，但是仍然存在一些值得補充和挖掘的地方。本書以海上風機三樁基礎結構疲勞分析關鍵管節點—三平面Y型管節點為研究對象，從以下幾個方面系統闡述采用物模試驗、數值仿真和人工智能等方法探究管節點熱點應力。 （1）管節點的物模試驗大多是針對海洋平臺中的管節點，與海上風機多樁基礎結構管節點相比，一方面是管節點的幾何參數范圍不同，另一方面是節點的形式有所不同。涉及空間管節點的試驗更加復雜，既難以在多個平面同時施加荷載，又難以在某個平面同時施加復雜荷載。本書第2章詳細介紹作者所在團隊針對空間管節點開發的復雜荷載加載試驗系統、海上風機三樁基礎結構關鍵管節點的試驗方法和試驗結果。 （2）綜合考慮研究的可靠性、成本及效率，通常采用物模試驗和數值仿真相結合的方法研究管節點熱點應力問題。有限元模擬方法具有成熟的理論基礎及豐富的應用經驗。本書第3章從數學模型、仿真平臺、有限元模型等方面詳細介紹管節點數值仿真方法的建立及驗證。 （3）管節點的實際工作情況是復雜荷載同時作用于各撐桿，雖然規范中建議復雜荷載作用時熱點應力可通過簡諧插值疊加，但是荷載間的相互作用仍然值得更加深入的定量研究。對于空間管節點，撐桿分布于多個平面，既影響管節點的整體剛度，也影響相鄰撐桿的受力性能，因此空間管節點的多平面相互作用不可忽視。本書第4章系統闡述關于荷載相互作用和多平面相互作用的研究，進而給出復雜荷載作用下空間管節點的熱點應力計算公式。 （4）在以往研究中尚未對三平面Y型管節點進行系統研究，該類型管節點是海上風機三樁基礎結構疲勞分析中的關鍵管節點，其具有典型的空間管節點特性，尚未有高效可靠的方法計算其在復雜荷載作用下的熱點應力。本書第5章和第6章分別介紹三平面Y型管節點SCF及相互作用因子（mutualinfluencefactor，MIF）的極值公式和分布公式，結合本書第4章介紹的管節點熱點應力計算公式，可以方便快捷地求出該管節點在復雜荷載作用下的熱點應力。 （5）為了進一步提高預測精度，本書第7章以作者所在團隊建立的三平面Y型管節點數值模型庫及SCF（MIF）數據庫為基礎，介紹采用人工神經網絡（artificialneuralnetwork，ANN）預測三平面Y型管節點在基本荷載作用下SCF（MIF）沿焊縫分布的方法。本書第8章以實際工程應用為例，詳細闡述綜合應用本書給出的各公式計算焊接鋼管節點熱點應力的過程。值得說明的是，雖然本書以三平面Y型管節點為重點研究對象，但是本書介紹的研究方法可以應用于各種工程結構中的焊接鋼管節點。 1.2 管節點研究基礎 1.管節點分類 管節點可分為平面管節點和空間管節點兩大類。平面管節點是指所有桿件軸線處于同一個平面內的管節點，桿件軸線不全位于同一平面內的管節點則為空間管節點[13]。在節點處貫通的鋼管稱為弦桿（或主管），其余則稱為撐桿（或支管）。 平面管節點按其受力情況可分為T、Y、K、X和KT等類型[14]。撐桿傳遞的沖剪荷載全部由弦桿中剪力平衡的節點為T或Y型節點，其中，弦桿和撐桿軸線垂直的節點為T型節點，其余為Y型節點，如圖1.2（a）所示；撐桿傳遞的沖剪荷載由該撐桿同側撐桿承擔的節點為K型節點，如圖1.2（b）所示；撐桿傳遞的沖剪荷載由弦桿另一側撐桿承擔的節點為X型節點，如圖1.2（c）所示；撐桿傳遞的沖剪荷載由弦桿和同側撐桿共同承擔的節點為KT型節點，如圖1.2（d）所示。 近十幾年來，隨著鋼管結構在大型工程中的廣泛應用，原有的平面管節點已經不能滿足工程需求，很多形式的空間管節點應運而生[15]。如圖1.3所示，常見的空間管節點有DK型節點、DX型節點、DKT型節點、三平面KT型節點等。 圖1.3僅給出了代表性的軸力荷載工況，實際上空間管節點的受力情況十分復雜，其除了承受軸力荷載，還承受彎矩、剪力和扭矩等，因此其應力分布和疲勞分析也更為復雜。 圖1.1（d）所示的導管架式基礎結構中主要有DK型節點和平面X型節點等，這些節點的尺寸比多樁式基礎結構中的管節點小，國內外有很多可供參考的相關研究成果[20-22]。圖1.1（c）所示的多樁式基礎結構為三樁基礎結構，其廣泛應用于近海風電開發中。三樁基礎結構的關鍵管節點為風機塔筒與基礎結構相連的法蘭點正下方的三平面Y型管節點，已有研究[23，24]指出，采用規范中提供的平面Y型管節點熱點應力計算公式會產生很大的誤差，從而大大減小疲勞壽命評估的準確性。因此，本書介紹的HSS、SCF和MIF計算公式非常有必要，可供基于熱點應力法的疲勞評估方法使用，使快速給出工程評價成為可能。 2.關鍵幾何參數 弦桿長細比α、撐-弦桿直徑比β、弦桿徑厚比γ、撐-弦桿壁厚比τ和撐-弦桿夾角θ是影響平面管節點熱點應力的關鍵幾何參數，標準[25]和文獻[26]、[27]中給出的管節點SCF計算公式均以上述無量綱幾何參數為自變量，而不考慮管節點幾何尺寸的絕對值。圖1.4（a）給出了一典型平面Y型管節點幾何尺寸定義，L為弦桿計算長度，D為弦桿外直徑，T為弦桿壁厚，l為撐桿計算長度，d為撐桿外直徑，t為撐桿壁厚。由幾何尺寸可計算得到幾何參數： （1.1） （1.2） （1.3） （1.4） 如圖1.4（b）所示的撐桿與弦桿相交線，在節點處貫通者為弦桿，因此弦桿與撐桿的相交線位于弦桿外表面；撐桿有壁厚，因此弦桿表面有兩條相交線，撐桿外表面與弦桿外表面相交線稱為外相交線，撐桿內表面與弦桿外表面相交線稱為內相交線。撐桿與弦桿的相交線是十分重要的輔助線，撐桿與弦桿間的焊縫曲線將由此推導得到（推導過程見3.1節）。為了便于定位，采用撐-弦桿相交線極角標識相交線上的點，逆時針為正，處為冠踵，處為冠趾，冠趾和冠踵統稱為冠點，和處為兩側鞍點。 3.焊趾處應力構成 由于焊接缺陷和殘余應力不可避免，焊接構件焊趾處應力沿鋼板壁厚方向的分布是不均勻的，如圖1.5所示[28]。焊趾處總應力稱為局部切口應力，記為σns，其主要應力組成為沿壁厚均勻分布的膜應力σm、沿壁厚方向線性變化的彎曲應力σb和由焊趾切口效應產生的自平衡非線性峰值應力σnlp。膜應力與彎曲應力之和稱為結構應力，通常記為σhs，結構應力σhs由焊接構件的幾何尺寸決定。非線性峰值應力的影響因素很多，如焊縫尺寸、焊接缺陷、初始裂紋和殘余應力等。 由上述分析可知，管節點外表面焊趾處（壁厚t=T處）的應力如圖1.6所示[28]。名義應力σ是指撐桿橫截面上遠離焊縫區域而均勻分布的應力，不考慮結構不連續性和局部影n響。當外荷載一定時，名義應力由構件的截面特性決定[29]。熱點應力還需要考慮構件的幾何尺寸，熱點應力與名義應力的比值定義為SCF。需要說明的是，管節點的焊縫是一條空間曲線，可以認為焊趾處的熱點應力有無數個，在管節點疲勞評估時，往往取焊趾曲線上*大的熱點應力作為該管節點的熱點應力，為了指代明確，在本書中將焊趾曲線上各點處的熱點應力稱為結構應力（圖1.5中膜應力與彎曲應力在t=T時之和），而將焊趾曲線上結構應力*大值稱為熱點應力。 由上述說明可知，在試驗或數值仿真時，焊縫處直接測得或提取的應力為局部切口應力，為了排除非線性峰值應力的影響，焊縫處的結構應力需要通過外推插值法計算得到。
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