焊接结构第7章 焊接结构力学特征及结构设计.ppt

本章学习要点,1/253,2/253,由于焊接结构的使用目的不同，所用的材料种类、结构形式、尺寸精度、焊接方法和焊接工艺也不相同，这就使得焊接结构种类颇多。但焊接结构的主要作用是一致的，那就是能够长时间承受自身重量及外部载荷而保持其形状和性能不变。本章只从大型焊接结构的角度考虑，讨论焊接结构的特点、类型、力学特征和设计思路，进一步对典型焊接结构产品进行力学特征和焊接接头设计分析。,前言,主要内容,3/253,7.1 焊接结构的特点及分类7.2 焊接结构力学特征7.3 焊接结构设计7.4 焊接结构实例分析,7.1 焊接结构的特点及分类,4/253,7.1.1 焊接结构的特点,焊接结构的原材料多为经过轧制的板材和各种断面形状的型材，这些材料的强度高、韧性好、易于加工，因此焊接结构工艺性能和力学性能都非常好，承受动载荷时的疲劳强度也令人满意。与铆接和栓接结构相比，焊接结构具有如下力学特点：,1.焊接结构的优点,5/253,铆接或栓接结构的接头须预先在母材上钻孔，钉孔削弱了连接接头的工作截面，连接接头的强度只有母材强度的80%左右。现代焊接技术已经能够使得焊接接头强度等于甚至高于母材的强度，也具有良好的疲劳性能和断裂韧性。焊接结构多为空心结构或框架结构，与铸造和锻造结构相比，当承受的载荷和工作条件相同时，焊接结构自重较轻、节省材料、所需截面较小，运输和架设也较方便。,（1）强度高、重量轻,6/253,轧制钢板具有良好的塑性，在一般情况下，不会因为局部超载造成突然断裂破坏，而是事先出现较大的变形预兆，以便采取补救措施。轧制钢板还具有良好的韧性，对作用在结构上的动载荷适应性强，为焊接结构的安全使用提供了可靠保证。,（2）塑性和韧性好,（3）整体性强、刚性大,焊接结构为一个整体，具有较大的抗变形,7/253,能力，因此可以长期保持原有设计形状不变。但是这一优点在结构失效时就变成了缺点，容易造成脆性断裂和整体断裂。,（4）结构计算准确可靠,钢板和型材的内部组织均匀，各个方向的力学性能基本相同，在一定的应力范围内，钢板和型材处于理想弹性状态，与工程力学所采用的基本假定较吻合，故焊接结构承载能力计算结果准确可靠。,8/253,（5）结构密封性好,采用焊接方法连接容易做到紧密不渗漏，密封性好，适用于制造各种容器，尤其是压力容器。,此外，大型焊接结构适用于工厂制造、工地安装的施工方法，结构部件形状尺寸精度高，铆焊和栓焊结构共同存在，使焊接结构综合力学性能得到最大限度的发挥。,9/253,2.焊接结构的不足之处,经过短时高温快速冷却的焊接热循环作用，使得焊接结构具有自身独特的力学特点。（1）较大的残余应力和变形（2）应力集中系数较大（3）焊接接头性能不均匀（4）对材料敏感性强，易产生焊接缺陷,10/253,只有正确认识并掌握了这些特点，做到合理的结构设计、正确的材料选择、优质的焊接设备、合理的焊接工艺和严格的质量控制，才能生产出综合性能优良的焊接结构。,11/253,7.1.2 焊接结构的分类,焊接结构类型众多，其分类方法也不尽相同，各分类方法之间也有交叉和重复现象。即使同一焊接结构之中也有局部的不同结构形式，因此很难准确和清晰地对其进行分类。通常可以从用途（使用者）、结构形式（设计者）和制造方式（生产者）来进行分类，见表7-1。,12/253,表7-1 焊接结构的类型,13/253,从使用者的角度考虑，主要按焊接结构用途进行分类。这样的分类方法不仅适合于专业技术人员，也适合于普通人员，可以使使用者清晰地了解焊接结构的形状尺寸、功能作用、承受载荷类型以及对焊接结构的要求，有利于所用材料的选择和结构设计。例如，提起交通运载工具，人们自然想到的是轻质、高速、安全、能耗等问题。这也是焊接结构设计者和制造者首先考虑的分类方法。,14/253,从设计者的角度考虑，主要按焊接结构形式进行分类。这样的分类方法主要适用于专业技术人员，有利于设计人员进行受力分析、结构设计、材料选择。主要结构形式有桁架结构、板壳结构和实体结构三种形式，其具体选择依赖于焊接结构的用途、承受载荷的能力和自身重量等。如板壳结构比桁架结构的承载能力大，而实体结构主要用于机器和机床机身等结构。,15/253,从生产者的角度考虑，主要按焊接结构制造方式进行分类。这样的分类方法主要适用于制造工艺人员，要从焊接结构的使用性能、形状大小、生产规模、制造成本以及材料的加工工艺性能等方面考虑，以便在保证满足使用性能的要求下，提高生产效率，降低制造成本。例如，桥梁多为栓焊结构，其梁柱构件均在工厂内采用焊接方法制造，在工地现场只进行螺栓联接。,16/253,铸焊结构和锻焊结构是指铸造或锻造部件通过焊接形成尺寸更大，不能一次铸造和锻造的结构，这些方法在大型厚壁重型结构中得到应用。随着焊接技术水平的不断提高，全焊焊接结构得到了快速发展，如船舶、压力容器和起重设备等等。,17/253,7.1.3 焊接结构涉及的力学性能,在自身重力载荷、外部载荷和自然力载荷的作用下，焊接结构应具有保持其自身形状不变的能力，即具有抵抗变形和破坏的能力，因此焊接结构必须具有满足使用要求的力学性能。主要考虑的力学性能见表7-2。,18/253,表7-2 焊接结构涉及的力学性能,（接下页）,19/253,（续上页）,20/253,7.2 焊接结构力学特征,7.2.1 桁架结构及其力学特征,可容纳6万观众的沈阳奥体中心钢结构工程主拱全长360米，为全国最大的管桁架结构。,沈阳奥体中心,21/253,神舟飞船发射塔架（100多米高）,22/253,1.桁架结构及适用范围,桁架结构又称为杆系结构，是指由长度远大于其宽度和厚度的杆件在节点处通过焊接工艺相互连接组成能够承受横向弯曲的结构，其杆件按照一定的规律组成几何不变结构。焊接桁架结构广泛应用于建筑、桥梁、起重机、高压输电线路和广播电视发射塔架等，如图7-1所示。根据承受荷载大小的不同，又可分为普通桁架(图7-1c)、轻钢桁架(图7-1a)和重型桁架(图7-1b,d,e)。,23/253,图7-1 基于用途的桁架种类a)屋盖桁架 b)桥梁桁架 c)拱形桥梁桁架 d)龙门起重机桁 e)悬吊组合桥桁架,24/253,网架结构是一种高次超静定的空间杆系结构（图7-2）。其空间刚度大、整体性强、稳定性强和安全度高，具有良好的抗震性能和较好的建筑造型效果，同时兼有重量轻、省材料、制作安装方便等优点，是一种适用于大、中跨度屋盖体系的结构形式。网架结构按外形可分为平板网架(简称网架，见图7-2a)和曲面网架(简称网壳，见图7-2b,c)。网架可布置成双层或三层，双层网架是最常用的一种网架形式。,25/253,图7-2 网架结构a)平面网架 b)球冠形网壳 c)曲面网壳1-内天沟 2-墙架 3-轻质条形墙板 4-网架板 5-悬挂吊车 6-混凝土柱 7-坡度小立柱 8-网架,26/253,附图1 曲面网架钢结构,与弧形网架类似，但曲面网架的空间构造更富有变化，也更复杂，由多个平面内的弧线或曲线构成的一个曲面，形成层次更丰富的外观造型。,27/253,球型钢网壳见附图1，建筑直径21m，建筑高度为20.5m，基本是整球，支座落地，球壳通过20个支点（每个支点设垂直和径向两个支座）支撑在直径10米的钢筋混凝土圆柱上。支座高度为20cm，因此球壳底边直径为10.4m。球壳周边为宽18m，深1m的环形水面，人通过球壳东西两侧水面下的两条通道进入球壳内部，通道两侧设有辅助用房。,28/253,球壳内部通过10m直径的钢筋混凝土圆筒（厚度为0.3m）建两层设备层，一层在地下，一层在地上，在3.2m标高处钢筋混凝土圆筒延与水平面成750角逐渐增大。上部设两层房屋，一层建筑面积为70m2，二层建筑面积为98m2，屋顶平台建筑面积为138m2，在房屋外侧设旋转楼梯可上到屋顶平台，平台周边设防护栏，在平台上可进行观光及联欢活动。在上半球设有活动马道，马道上端有旋转平台，人可以通过平台的爬梯及电动顶窗到球顶进行检修及维护。,29/253,附图2 大兴西红门直径21m短程线网壳设计,30/253,2.桁架结构组成及杆件截面形状,桁架结构由上弦杆、下弦杆和腹杆三部分组成。桁架结构中常用的型材有工字钢、T型钢、管材、角钢、槽钢、冷弯薄型材、热轧中薄板以及冷轧板等。图7-3给出了常用上弦杆的截面形式。上弦杆承受以压应力为主的压弯力，尤其上部承受较大的压应力，因此构件应具有一定的受压稳定性，结构部件必须连续，必要时加肋板（如图7-3d,e）。,31/253,图7-3 常用上弦杆的截面形式角钢 b)双角钢 c)角钢组焊的箱形 d)T形 e)槽钢组焊的T形 f)槽钢组焊的箱形 g)箱形 h)工字形,32/253,图7-4给出了常用的下弦杆的截面形式，下弦杆承受以拉应力为主的拉弯力，结构相对简单。可以看出，桁架结构中上、下弦杆截面形式基本相同，只是考虑到受力情况不同，主受力板位置有所变化。一般情况下，缀板加于受拉侧，肋板加于受压侧。腹杆截面形式与上、下弦杆截面形式也基本相同，腹杆主要承受轴心拉力或轴心压力，所以腹杆截面形式应尽可能对称。,33/253,图7-4 常用下弦杆的截面形式a)角钢 b)双角钢 c)T形 d)槽钢组焊的箱形 e)槽钢组焊的箱形 f)箱形 g)工字形,34/253,3.桁架结构的焊接节点形式,焊接节点是指用焊接方法将各个不同方向的型材组合成整体并承受应力的结构。图7-5a,b,c给出三种将型材直接焊接在一起的节点，这些焊接节点虽然具有强度高、节省材料、重量轻和结构紧凑等优点，但焊接节点处焊缝密集，焊后残余应力高，应力复杂，容易产生严重的应力集中。,35/253,如果结构承受的是动载荷，则焊接节点应尽量采用对接接头。管材焊接节点相贯较多，制造比较困难，可采用插入连接板(见图7-5d)或部分插入连接板(见图7-5e)。目前多用球形节点，即将各个方向的管材焊在一个空心钢球上，结构强度高，受力合理(见图7-5f)。,36/253,图7-5 桁架结构的焊接节点形式a)工字钢或T型钢节点 b)角钢桁架节点c)管材节点 d)插入连接板 e)部分插入连接板 f)球形节点,37/253,4.桁架结构的力学特征,桁架结构杆件承受有轴心拉力、轴心压力、拉弯力和压弯力四种载荷，而大部分杆件只承受轴心力的作用，其受力合理、自重轻、材料利用率高。腹杆布置应尽量避免非节点载荷引起受压弦杆局部弯曲，尽量使长腹杆受拉，短腹杆受压，腹杆数量宜少，总长度要短，节点构造要简单合理。外形轮廓越接近外载荷引起的弯矩图形，其弦杆受力越为合理。,38/253,桁架形式的确定一般与使用要求、桁架的跨度、载荷类型及大小等因素有关。焊接桁架的设计应满足刚度、强度和稳定性的要求。一般桁架的刚度多由桁架的高跨比控制，桁架结构的承载力主要靠各组成杆件的强度和稳定性以及节点的强度来保证，桁架的整体稳定性通过合理的布置支撑体系或横向联系结构来取得。桁架结构中焊缝强度计算比较简单，只需确定焊缝有效截面后，按照承受拉力和或压力计算公式，求出最大应力，满足许用应力的要求即可。,39/253,7.2.2 板壳结构及其力学特征,40/253,世界上最大的客机波音747（416人）、空客A380（840人）,41/253,空客A380比波音747客机面积多出40以上。,42/253,1.板壳结构分类及适用范围,板壳结构是由板材焊接而成的刚性立体结构，钢板的厚度远小于其它两个方向的尺寸，所以板壳结构又称薄壁结构。（1）按照结构中面的几何形状分类，板壳结构又分为薄板结构和薄壳结构，薄板结构是中面为平面，薄壳结构是中面为曲面。,43/253,（2）按照用途分类，板壳结构可分为储气罐、储液罐、锅炉压力容器等要求密闭的容器，大直径高压输油管道、输气管道等，冶炼用的高炉炉壳，交通运载工具的轮船船体、飞机舱体、客车车体等等。另外还有以钢板形式为主要制造原材料的箱体结构也属于板壳结构，如汽车起重机箱形伸缩臂架、转台、车架、支腿，挖掘机的动臂、斗杆、铲斗，门式起重机的主梁、刚性支腿、挠性支腿等。,44/253,（3）按照形状分类，板壳结构可分球形、圆筒型、椭圆型、箱型等。（4）按照厚度结构分类，板壳结构可分单层、双层、多层和板架结构等。,45/253,2.板壳结构的基本形式,（1）单壁结构,单壁结构只由一层钢板拼接而成，承受拉伸应力的能力较强，而承受压缩应力的能力较弱。对于有密封要求的压力容器，为了避免较大应力集中的作用，主体结构往往采用单壁结构，其连接处均采用对接接头。,（2）板架结构,为了提高板壳承受弯曲应力、扭曲应力和压缩应力的能力，提高结构刚度和稳定性，往往在,46/253,结构钢板的内侧加装有肋板支撑，形成板架结构（图7-6a），其骨架多为T形截面梁（图7-6b）。板架结构可以承受多种类型的复杂载荷。,图7-6 板壳结构的骨架形式a)板架结构 b)骨架形式,47/253,（3）箱形结构,箱型板壳结构主要是以板材经过冷或热加工后形成截面为方形、长方形、圆形，具有纵向焊缝的结构形式，也可以采用型材焊接而成，其抗弯能力和稳定性较强。在较大尺寸和特殊情况下，内部也可以加焊肋板以进一步提高其抗弯能力。,48/253,3.板壳结构的力学特征,板壳结构具有优异的综合力学特征，能够承受多方向的拉、压、弯、扭等形式的静载、动载和疲劳载荷，具有较强的形状稳定性和抗变形能力。板壳结构类型不同，其力学特征也不尽相同。,49/253,（1）压力容器 主要以单壁结构为主，承受较大的内部压力。在壳体壁板上形成以拉伸应力为主的多种应力，如：内部压力引起的薄膜应力、附加载荷引起的弯曲应力、几何形状不连续引起的二次弯曲应力、温度差引起的温度应力和焊接过程引起的残余应力。这些拉伸应力有可能使得局部应力达到材料的屈服强度和断裂韧性指标，造成变形和断裂。,50/253,（2）梁柱结构 典型的板壳焊接结构形式，为了减轻自身的重量，往往采用薄板制造。梁柱的截面形状大多数为箱形、工字形、圆形、T形等。一般的梁承受均布或集中横向弯矩力的作用。梁横截面上存在正应力和切应力两种应力，一般情况下，正应力是支配梁强度计算的主要因素，只有在某些特殊情况下，才需进行切应力强度校核。,51/253,在横向弯矩应力的作用下，横截面上的正应力由下列公式计算：,（7-1）,式中，为横截面上任意点处的正应力；M为横截面上的弯矩；y为横截面上任一点的纵坐标；为横截面对水平中性轴z的惯性矩。,52/253,由式(7-1)可知，横截面上的正应力沿截面高度方向呈线性分布，在中性轴处的正应力为零，中性轴的上、下两侧截面分别受拉和受压，在上、下边缘处的正应力最大。这些拉伸应力一般都远小于薄板的拉伸强度，不会使板材产生拉伸屈服或断裂，而有利的作用是使薄板更加平整和美观。,53/253,但压应力却会给薄板带来稳定性的问题，如果薄板构件所受轴向压应力小于临界失稳压应力，即acr，则可以认为薄板构件不会发生局部失稳，反之则薄板结构将发生失稳。轻者引起板材变形，重者导致薄板结构的失效。一般的柱主要承受轴向压力和受到偏心外力的弯曲力，应力是两者产生的应力之和。细长压杆的承载能力并不取决于轴向抗压强度，而取决于受压时是否能保持直线形态的平衡。,54/253,若将外加压力考虑成与轴线重合的理想长柱力学模型，则将长柱由直线稳定平衡转化为不平衡时所受到的轴向压力的极限值称为临界压力：,(7-2),式中，称为压杆的柔度或长细比，反应杆端约束情况、压杆长度、截面形状和尺寸等因素对临界失稳压应力的综合影响。,55/253,（3）板材 板材所具有的临界失稳压应力为：,（7-3）,式中，为板厚；B为板宽；K为与拘束情况有关的系数。,56/253,可见板的厚宽比越小，越易发生失稳。设计薄板结构最重要的问题是要保证其局部稳定性，提高局部稳定性的主要办法是：合理设计构件的截面形状、设置加强肋板、增加板厚或把薄板压制成为带凸肋和波纹形的构件，以期提高构件的临界失稳压应力cr。,57/253,7.2.3 实体结构及其力学特征,58/253,1.实体结构分类及适用范围,又称为实腹式结构，其截面部分是连续的，一般由轧制型钢制成，常采用角钢、工字钢、T形钢、圆钢管、方形钢管等。构件受力较大时，可用轧制型钢或钢板焊接成工字形、圆管形、箱形等组合截面。实体结构主要按其用途进行分类。在焊接结构产品中，实体结构主要应用于各种机器的机身和旋转构件，如机床机身、锻压机械梁柱、减速器箱体、柴油机机身、齿轮、滑轮、皮带轮、飞轮、鼓筒、发电机转子支架、汽轮机转子和水轮机工作轮等。,59/253,2.实体结构的基本形式,实体结构的主体形式是箱型结构，其断面形状为规则或不规则的三边形、四边形或多边形，也具有圆形结构。典型实体结构是内燃机车柴油机焊接机身，其结构是由与主轴垂直和平行的许多钢板焊接而成。与主轴平行的板状元件有水平板、中侧板、支承板、内侧板和外侧板，这些纵向的钢板贯穿整个机身长度，内侧板、中侧板和外侧板上端和顶板焊在一起，下端和主轴承座焊在一起。与主,60/253,机车用柴油机机身,61/253,轴垂直的钢板下端与主轴承座焊在一起，上端与左右顶板焊在一起。这些纵横交错的板材形成了大小不一、形状各异的箱格结构。实体结构焊接接头形状多样，常有T型接头和角接接头，采用角焊缝连接。实体结构壁厚变化较大，不同厚度板材的对接接头，在厚板上采取平缓过渡措施。由于实体结构中各部位的力学性能要求不一样，常常采用铸造或锻造部件，因此实体结构多为铸焊联合结构或锻焊联合结构。,62/253,3.实体结构的力学特征,实体结构多为机器部件，受力复杂。由于承受负载重量、运动部件之间的作用力和运动时产生的惯性力，尤其部件之间的作用力往往是高周或低周循环的交变载荷，因此实体结构要具有较高的静载强度和动载强度。实体结构也必须有足够的刚度，以保证机器运行时，在承受各种作用力的情况下不致发生不可接受的变形。,63/253,实体结构中的焊缝数量较多，且分布集中，不可避免存有严重的焊接残余应力，这对结构尺寸的稳定性有较大的影响，尤其是切削机床的机身要求尺寸稳定性更高，所以这类焊接机身必须在焊后进行消除残余应力处理。实体结构的板材或型材厚度比较大，对断裂韧性有较高的要求，一般采用韧性比较高的低碳钢和低合金高强钢材料。采用对接接头和全焊透的T形接头，承受各种拉、压、剪切、弯矩力的作用。对于承受动载的结构，在焊接接头设计上要考虑疲劳设计。,64/253,7.3 焊接结构设计,当金属结构采用焊接方法制造时，必须做该产品的焊接设计。焊接产品设计包括焊接结构设计、焊接工艺设计、焊接设备设计、焊接工装设计、焊接材料设计、焊接车间设计等，每一设计都有其详细的具体内容。焊接结构设计是焊接产品设计的中心内容，是在全面考虑了焊接接头静载力学性能、焊接变形与应力、焊接结构断裂性能、疲劳性能、应力腐蚀破坏、高温性能和焊接结构力学特征等特点的基础上进行的。,65/253,7.3.1 焊接结构的设计方法,1.焊接结构设计的基本特点,（1）焊接结构的几何形状不受限制 只要具有足够操作空间的金属结构，都可以采用焊接结构。（2）焊接结构的外形尺寸不受限制 任何大型的金属结构，只要在起重和运输条件允许的尺寸范围，就可以把它划分成若干部件分别制造，然后吊运到现场组装焊接成整体。,66/253,（3）焊接结构的壁厚不受限制 被焊接的两构件的材料厚度，可厚可薄，厚与薄相差很大的两构件也能互相焊接。（4）焊接结构的材料种类不受限制 在同一个结构上，可以按实际需要在不同部位配置不同性能的金属材料，做到物尽其用，如复合齿轮等。,67/253,（5）可以充分利用轧制型材组焊成所需要的结构 这些轧制型材可以是标准的，也可以按需要设计成专用的，这样的结构重量轻、焊缝少。（6）可以和其他工艺方法联合制造 如设计成铸-焊结构、锻-焊结构、栓-焊结构、冲压-焊接结构等。,68/253,2.焊接结构设计的基本要求,所设计的焊接结构应当满足下列基本要求：（1）实用性 焊接结构必须达到产品所要求的使用功能和预期效果。（2）可靠性 焊接结构在使用期内必须安全可靠,受力必须合理，能满足静载强度、疲劳强度、韧性、刚度、稳定性、抗振性和耐蚀性等各方面的要求。,69/253,（3）工艺性 金属材料应具有良好的焊接性能，焊接结构必须能够方便的进行焊接操作，能够进行焊前预加工和必要的焊后处理，也具有焊接与检验操作的可达性。此外，焊接结构设计也应考虑机械化和自动化焊接的要求。（4）经济性 制造焊接结构时，所消耗的原材料、能源和工时应最少，其综合成本尽可能低。,70/253,对一个具体焊接产品来说，这些基本要求必须统筹兼顾，它们之间的关系是：以实用性为核心，以可靠性为前提，以工艺性和经济性为制约条件。此外，在可能的条件下还应注重结构的造型美观。,71/253,3.焊接结构设计的基本方法,对于大型复杂的焊接结构设计，一般分为初步设计、技术设计和工作图设计三个工作阶段。其中最重要的确定焊接结构形状和尺寸的任务是在技术设计阶段完成。从发展的角度来分，设计方法有传统设计方法和现代设计方法，焊接结构设计目前大量采用的仍然是传统设计方法，如许用应力设计法；大型或重要的焊接结构设计，逐渐采用现代设计方法中的可靠性设计法；随着计算机和有限元方法的发展，对于焊接结构局部细节，已经开始采用有限元数值模拟辅助设计方法。,72/253,（1）许用应力设计法 许用应力设计方法又称安全系数设计法或常规定值设计法，是以满足工作能力为基本要求的一种设计方法。对于一般用途的构件，设计时需要满足的强度条件或刚度条件分别为：工作应力许用应力 工作变形许用变形或者 安全系数许用安全系数,73/253,许用应力、许用变形和许用安全系数一般由国家工程主管部门根据安全和经济的原则，按照材料的强度、载荷、环境情况、加工质量、计算精确度和构件的重要性等予以确定。在我国，锅炉、压力容器、起重机、铁路车辆、桥梁等行业都在各自的设计规范中确定了各种材料的许用应力、许用变形和许用安全系数。,74/253,在机械工程中可靠性设计是保证机械及零部件满足给定可靠性指标的一种机械设计方法。与上述许用应力设计法不同，可靠性设计把与设计有关的载荷、强度、尺寸和寿命等数据如实地当作随机变量，运用了概率理论和数理统计的方法进行处理。因而其设计结果更符合实际，做到既安全可靠而又经济。对于重要的机械或要求质量小、可靠性高的构件都应采用这种设计法。,（2）可靠性设计法,75/253,可靠性设计是一门新兴学科，目前正处在积极发展和完善阶段，设计所需的呈分布状态的各种数据，有些还须试验、采集和积累。在我国，按照GB500172003钢结构设计规范规定，工业与民用房屋和一般构筑物的钢结构设计，除疲劳强度计算外，应采用以概率理论为基础的极限状态设计方法，这是为了保证所设计的构件能满足预期可靠度要求，必须使载荷引起在构件截面或连接中的应力效应小于或等于其强度设计值。,76/253,（3）有限元数值模拟辅助设计法,上述两种方法都属于数学中的解析方法，适用于焊接结构的整体形状和尺寸的设计。对于焊接结构的局部细节来说，计算起来繁琐而又不准确。近年来，有限元数值模拟方法在焊接结构设计中的应用得到快速发展，逐渐形成了独具特色的有限元数值模拟辅助设计法。与许用应力设计法或可靠性设计方法共同使用，弥补了这两种方法的细节问题处理的不足，使得焊接结构更加安全可靠。,77/253,采用有限元数值模拟辅助设计方法来分析已设计焊接结构静态或动态的物理系统，可以得出焊接结构局部区域的工作应力分布，尤其是焊接接头的工作应力分布和应力集中状态，从而改进连接节点和焊缝的形状及尺寸设计。结合焊接热过程知识，可以模拟焊接过程中焊接应力和变形的演变过程，改进焊接接头位置和焊接顺序的设计，进一步通过重新设计，调控焊接残余应力分布。,78/253,结合断裂力学知识，可以分析焊接缺欠甚至潜在缺陷区域的塑性变形范围，评价焊接接头的安全可靠性，改进焊接结构的局部设计。目前，常用的有限元数值模拟软件有ANSYS、ABQUS、SAP2000等商业性有限元软件，也可以针对特定的焊接结构在此基础上二次开发。,79/253,7.3.2 焊接结构设计的合理性分析,1.从实用性和可靠性分析焊接结构的合理性,焊接结构种类繁多，焊接接头形式多样、焊接方法数以百计，设计者在设计时有充分的选择余地。但是必须考虑焊接结构的实用性和焊接接头的可靠性，以便选择合理的基体材料和焊接材料，确定合理的焊接结构及接头形式，尽可能发挥焊接结构的承载能力，提高使用寿命。,80/253,（1）合理选择基体材料和焊接材料,所选用的金属材料必须同时能满足结构使用性能和加工性能的要求。使用性能包括材料强度、塑性、韧性、耐磨性、抗腐蚀性、耐高温、抗蠕变性能等。对承受交变载荷的结构，要考虑材料的疲劳性能；对大型构件和低温环境的材料还须考虑断裂韧性的要求。,81/253,加工性能主要是指材料的焊接性能，同时也要考虑其冷、热机械加工的性能，如金属切削、冷弯、热切割、热弯和热处理等性能。全面考虑结构的使用性能，有特殊性能要求部位可采用特种金属，其余部位采用能满足一般要求的廉价金属。例如，对于大型齿轮，齿面是工作面，要求具有较高的强度和耐磨性，可以用价格较高的合金材料，而轮辐及轮毂则可用一般的碳钢材料。应当充分发挥异种材料可以焊接的优势。,82/253,焊接材料的选择取决于与基体材料的匹配状态，一般有成分匹配和强度匹配两种形式。对于具有抗腐蚀性能要求的结构，按照成分匹配选择焊接材料，即要求焊接材料熔覆金属的化学成分与基体材料的化学成分相当，可以抵抗化学腐蚀、电化学腐蚀。大多数焊接结构是以强度匹配要求为主，依照焊缝金属与母材金属的屈服或断裂强度的大小，分为高强匹配、等强匹配和低强匹配三种形式，这要依据材料的钢种和具体结构形式而选择。,83/253,（2）合理设计焊接接头形式,在各种焊接接头中，对接接头应力集中程度最小，是最为理想的接头形式，应尽可能采用，质量优良的对接接头可以与母材等强度。但用盖板“加强”对接接头(图7-7a,b)是不合理的接头设计，尤其是单盖板接头的动载性能更差。角焊缝接头应力分布不均匀，应力集中程度大，动载强度低，但这种形式接头是不可避免的，采用时应当采取适当措施提高其动载强度。,84/253,单面焊丁字接头(图7-7c)是不合理的接头设计，难以承受Fy的横向力和M弯矩力的作用，应改为双面焊丁字接头，这样承载能力会大幅度提高。搭接接头装配简单，但应力集中程度大，多数情况下搭接接头是可以改为对接接头的。,85/253,图7-7 不合理的接头形式,(a)单盖板对接接头,(b)双盖板对接接头,(c)单面焊丁字接头,86/253,（3）合理布置焊接接头位置,尽管质量优良的对接接头可以与母材等强度，但是考虑到焊缝中可能存在的工艺缺陷会减弱结构的承载能力，设计者往往把焊接接头避开工作应力最高位置。对于工作条件恶劣的结构，焊接接头尽量避开截面突变的位置，至少也应采取措施避免产生严重的应力集中。,87/253,图7-8 平封头的连接形式a)角接接头 b）准对接接头,小直径的压力容器采用大厚度的平封头。图7-8a所示的角接接头应力集中严重，承载能力低。如果在平封头上加工一个槽(图7-8b)，角接接头就成为准对接接头，这样就改善了接头的工作条件，避免在焊缝根部产生严重应力集中。,88/253,图7-9 支耳的布置形式,在集中载荷作用处，必须有较高刚度的依托。例如两个支耳直接焊在工字钢的翼缘上(图7-9a），背面没有任何依托，在载荷作用下支耳两端的焊缝及母材上应力很高，极易产生裂纹。若将两支耳改为一个，焊在工字钢翼板的中部，支耳背面有腹板支撑(图7-9b)，在受力时有可靠的依托，则应力分布较为均匀，其强度得到保证。,a)背面无依托的支耳,b)背面有依托的支耳,图7-10 工字梁的连接,两个工字钢垂直连接时，如果两者直接连接而不加肋板(图7-10a)，则连接翼缘和柱的焊缝中应力分布不均，焊缝中段应力较高。如果按应力均匀分布进行设计，焊缝中段可能因过载而发生断裂。若在柱上加焊肋板(图7-10b)，则应力分布均匀，承载能力将大大提高，是比较合理的结构形式。,89/253,a)无肋板结构,b)有肋板结构,90/253,工字梁的对接方式有多种形式，最简单的对接方式如图7-11(a)所示，焊接顺序12345。但这种对接方式有个最大的缺点，就是由于焊缝金属不可避免地存在焊接缺陷，焊缝金属集中在一个横截面上，一旦局部出现问题，很容易影响整个截面的安全性。采用图7-11(b)所示的对接方式，焊缝金属互相错开，出现问题互不影响，这就使得对接区域的安全性得到较大提高。焊接顺序12345可以使得下翼板预制压应力，上翼板预制拉应力，使工字梁承受更大的外载荷或提高安全性。,91/253,图7-11 工字梁的水平对接,(a),(b),92/253,总之，合理的焊接接头设计不仅能保证结构的焊缝和整体的强度，还可以简化生产工艺、降低制造成本。设计焊接接头时应掌握以下原则：焊缝位置不要布置于最大应力处、载荷集中处、截面突变处；焊缝位置尽量能够处于平焊位置；焊接变形和应力小；焊接接头位置便于检验。部分不合理的焊接接头设计及改进后的设计形式见表7-3。,93/253,表7-3 焊接接头的合理性,（接下页）,94/253,（续上页）,95/253,2.从工艺性和经济性分析焊接结构的合理性,焊接结构的制造工艺性和经济性是紧密相关联的，工艺性不好的结构不仅制造困难，往往提高产品的制造成本。它们与备料工作量、结构形状尺寸、焊接操作可达性、产品的批量、设备条件、制造工艺水平和技术人员水平等许多因素有关。,（1）焊接结构的备料工作量,焊接结构制造工艺及成本在很大程度上与备料工作有关。,96/253,以厚度为40mm的对接接头坡口加工为例，对接焊缝的每米长焊缝金属量随坡口形式而异，V形坡口需要14kg，X形坡口需要7.6kg，U形坡口需要8.3kg，双U形坡口需要7.2kg。从填充材料量和焊接工作量来看，双U形坡口最经济，但是从坡口加工方法来看，双U形坡口必须机械切削加工，而X形坡口可以气割加工，所以双U形坡口加工费用较高，直边坡口加工容易。综合考虑，采用X形坡口较好。,97/253,对于要求焊透的厚板，不管是对接接头、T形接头还是角接接头等，都要求开坡口。坡口的形式和尺寸主要根据钢结构的板厚、选用的焊接方法、焊接位置和焊接工艺等来选择和设计。总体原则是：焊缝金属填充量尽量少，具有良好的可达性，坡口的形状容易加工，便于调控焊接变形。,98/253,（2）焊接结构形式与焊接工艺选择,如图7-12所示的带锥度的弯管，可以分别采用铸造、锻造和焊接的方法制造。图7-12(a)适于铸造方法制造，批量大尺寸小时，较为经济。采用焊接方法制造时，图7-12(b)所示的结构形式比较适合，适合于大尺寸小批量生产。如果生产批量很大，则可以将弯管分成两半压制成形，然后拼焊，这个方案焊接工作量可以减少。从这个实例可以得出结论，结构的合理性和生产条件密切相关。,99/253,图7-12 弯管头形式a)铸造方法制造 b)焊接方法制造,100/253,（3）焊缝的可焊到性和可检测性,必须使结构上每条焊缝都能方便地施焊和方便地进行质量检查。保证焊缝周围有供焊工自由操作和焊接装置正常运行的条件，需要质量检验的焊缝，其周边应该能有足够的空间进行探伤操作。尽量使焊缝都能在工厂中焊接，减少工地焊接量；减少焊条电弧焊接工作量，扩大自动焊焊接工作量；双面对接焊时，操作较方便的一面用大坡口，施焊条件差的一面用小坡口。必要时改用单面焊双面成型的接头坡口形式和焊接工艺。,101/253,每条焊缝都应当安排在便于施焊的位置上，但实际结构往往有的焊缝处于不便施焊的位置。例如，如图7-13所示3500吨压力机的活动横梁，梁的长度为9m，纵向肋板与腹板距离太近，底部焊缝施焊不便，焊工处于不方便的操作位置。设计者往往忽略了这个问题，不仅造成施焊劳动条件很差，而且难以保证焊接质量，这需要改进原始设计方案。图7-14(a)是一些可焊到性较差的焊缝位置，图7-14(b)是改进后的焊缝位置，其可焊到性提高，但这还依赖于构件的大小和施焊空间的位置。,102/253,图7-13 压力机的活动横梁,图7-14 可焊到性的举例 a)不好 b)好,(a)(b),103/253,必须充分考虑装配焊接次序对可焊到性的影响，以保证装配工作能顺利进行。采暖锅炉的前脸，由两块平行的钢板组成，两块钢板相距 100mm，板间用许多拉杆支承，内部承受压力。如果把拉杆与两块钢板连接设计成如图7-15(a)所示的形式，则工艺性极差很不合理。试想把数百个拉杆焊在钢板上，必然引起严重的翘曲变形，焊后再把数百个拉杆同时对准另一块钢板上的数百个孔，这显然是难以实现的。把拉杆和钢板的连接形式改成如图7-15(b)所示的形式，则装配和焊接方便，焊后变形也很小。,104/253,图7-15 锅炉前脸拉杆连接形式a)单边钻孔结构 b)双边钻孔结构,105/253,（4）减少焊接工作量,减少焊接工作量有利于降低焊接应力、减小焊接变形和焊接缺陷的可能性，它包括减少焊缝的数量和焊缝填充金属量。在保证焊透的前提下对接焊缝选用填充金属量最少的坡口形式。在保证强度要求的前提下，角焊缝尽可能用最小的焊脚尺寸。尽量选用轧制型材，利用冲压件代替一部分焊件，角焊缝多且密集的部位，可用铸钢件代替。,106/253,焊接变形是生产上常遇到的问题，合理的焊接结构设计焊后应变形较小。把复杂的结构分成为几个部件制造，尽量减少最后总装配时的焊缝，对于防止结构总体变形是有利的。例如货车底架的横梁与中梁装配，按图7-16(a)所示的结构形式来总装配，上下板是一块通长的钢板，上翼板与腹板间的翼缘焊缝必须在装配之后焊接，焊后横梁两端向上翘起。,（5）焊接变形的控制,107/253,图7-16 火车横梁连接形式a)整体制造 b)分段制造,如果把横梁上翼板分成为两段，则横梁可以分成两个部件制造，总装时把上翼板用对接焊缝连接起来（见图7-16b），这样既降低了总装时的焊接工作量，而且也减少了焊接变形。,108/253,合理的焊接结构设计还应保证焊接工作有良好的劳动条件。处于活动空间很小的位置施焊，或者在封闭空间操作，对操作者健康十分有害。故容器设计时应尽量选用单面V型或U型坡口，并用单面焊双面成形的工艺方法确保焊透，使焊接工作在容器外部进行，把在容器内部施焊的工作量减少到最低限度。,（6）操作者劳动条件的改善,109/253,合理利用材料就是要力求提高材料的利用率，降低结构的成本，设计者和制造者都必须考虑这个问题。在划分结构的零、部件时，要合理安排、全面考虑备料的可能性，尽量减少余料。可以采用现代化的数控排料软件和下料设备进行备料工作。尽可能选用轧制的标准型材和异型材，通常轧制型材表面光洁平整、质量均匀可靠，不仅减少了许多备料工作量，还减少了焊缝数量，可以降低焊接应力、减小焊接变形。,（7）材料的合理利用,110/253,节省材料与制造工艺有时发生矛盾，在这种情况下必须全面分析。例如降低结构的壁厚可以减轻重量，但是为了增强结构的局部稳定性和刚性必须增加更多的加强肋，因而增加了焊接和矫正变形的工作量，产品的成本很可能反而提高。一些次要的零件应该尽量利用一些边角余料。例如桥式起重机主梁的内部隔板可以用边角余料拼焊而成(图7-17)，虽然增加几条短焊缝，可是节省了整块钢板。,111/253,充分挖掘材料潜力也可以节省材料。例如把轧制的工字钢按锯齿状切开(见图7-18a)，然后再按图7-18(b)所示的结构形式焊接成为锯齿合成梁，在重量不变的情况下刚性可以提高几倍。这种梁适用于跨距较大，而载荷不高的情况。,112/253,图7-17 箱型梁的拼焊隔板,图7-18 锯齿合成梁 a)合成前 b)合成后,113/253,7.3.3 焊接结构设计中应注意的问题,（1）考虑自动化焊接的结构设计 近年来，焊接过程自动化得到飞速发展，自动化、智能化、机器人焊接技术已经应用于焊接结构的制造中。因此，焊接结构的设计应当考虑这些技术的特点，在焊缝位置、接头形式、焊接顺序、操作空间等方面给予支持，不仅提高焊接质量