1、 基于焊接残余应力 K型插板节点受力性能研究重庆大学硕士学位论文(学术学位) 学生姓名：邓潮铃指导教师：刘红军讲师专 业：结构工程学科门类：工学重庆大学土木工程学院二一四年五月Force Performance Research of K Type Flashboard Joints Based on The Welding Residual Stress A Thesis Submitted to Chongqing Universityin Partial Fulfillment of the Requirement for theMasters Degree of Engineering
2、ByDeng ChaolingSupervised by Lecturer Liu HongjunSpecialty：Engineering MechanicsCollege of Civil Engineering of Chongqing University , Chongqing, China May, 2014 中文摘要摘 要K型插板节点频繁的应用在钢管塔结构中，其为钢 管塔设计的主要内容。由于 K型插板节点通过焊接方式进行连接，因此焊接残余 应力对其承载力具有一定影响。准确分析残余应力是求解合理的节点承载力的必要条件，因此本文对考虑焊接残余应力的 K型插板节点的承载力进行了研究。通
3、过有限元数值方法求解得到了焊接温度场和应力场的结果，并判定是否符合实际。同时对焊接应力场求解模型加载，在考虑焊接残余应力作用下，得出 K型插板节点承载力。在此基础上，提出此类节点的承载力建议计算方法。本文将主要进行以下的研究工作：建立 K型插板 节点有限元模型，包括单元选择、网格的合理划分、相变潜热的考虑、单元生死技术的使用以及考虑材料热性能、力学性能参数随温度变化的状况。K型插板 节 点温度场研究，包括焊接热源的选取以及焊接热源的施加。根据计算结果得出不同时刻的温度场分布云图和焊接温度场在某一时刻沿不同路径的温度变化曲线及不同路径各点的温度时间历程曲线，并判断是否符合真实情况。K型插板 节
4、点应力场研究，施加约束和已经求解出的温度场，计算节点的焊接应力场。根据计算结果得出焊接过程中不同时刻的应力分布云图及焊接残余应力在某一时刻沿不同路径的变化曲线，并判断是否符合真实情况。K型插板 节 点承载力研究，在焊接残余应力存在的前提，考虑负偏心对其承载力的影响。在此基础上，对节点承载力进行参数化分析，运用软件 MATLAB提出了适用于估算此类钢管-插板连接的 K型节点极限承载力的建议计算方法。关键词：K型插板节点，焊接温度场，残余应力，承 载力I重庆大学硕士学位论文II英文摘要ABSTRACT The K type flashboard joint is used in the steel
5、 tower structure frequently, The thebearing capacity research of the joint is one of the main content of the steel tower design.Since K type flashboard joints connect by welding,the influence of welding residualstress always cant be avoided in the process of bearing capacity study. Accurateanalysis
6、of the residual stress is necessary for solving the reasonable bearing capacity,so there will be research of the residual of K type flashboard joint in this paper.The results of the welding temperature field and stress field are obtained by finiteelement numerical method, and determining whether acc
7、ord with the actual.Load of thewelding stress field at the same time to solve the model, getting the node capacity,considering the welding residual stress, it is concluded that the K type bearing capacitynumerical flashboard node, except for putting forward a suggesting calculation method.This paper
8、 will mainly make the following research works:K type flashboard joint finite element model is established, including mesh unitselection, reasonable division, considering material thermal properties and mechanicalproperties with temperature changes.K type flashboard joint temperature fields research
9、, including the selection andloading of welding heat source. According to the calculated results of temperature field,getting temperature cloud figure at different time and The temperature distribution curveat one moment on different path in welding temperature field except for the temp-timecurve di
10、fferent path, and determine whether conform to the real situation.K type flashboard joint stress fields research, including the selection andloading of welding heat source. According to the calculated results of stress field,getting stress cloud figure at different time and The stress distribution c
11、urve at onemoment on different path in welding stress field except for the stress-time curvedifferent path, and determine whether conform to the real situation.K type flashboard joint bearing capacitys research, In the welding residualstress, the premise of considering several important parameters a
12、ffecting the bearingcapacity of joint, to calculate the bearing capacity of different size K type flashboardjoints, and to explore the effect of welding residual stress on the bearing capacity, at thesame time putting forward a suggesting calculation method which is applicable toestimate bearing cap
13、acity under load of such steel pipe - board connecting K type jointIII重庆大学硕士学位论文by using the software MATLAB.Keywords : K type flashboard node, The welding temperature field, The residual stress,The bearing capacityIV目 录目 录中文摘要I英文摘要. III1绪论 11.1引言 11.2焊接数值模拟的国内外研究概况 41.2.1焊接简介. 41.2.2焊接温度场有限元分析的研究进展
14、 . 41.3国内外对焊接应力场的研究概况 61.3.1焊接应力简介. 61.3.2焊接残余应力有限元分析的研究历史 . 61.4钢管节点承载力国内外研究现状 71.5本文研究方法与研究内容及创新点 91.5.1本文的研究方法. 91.5.2本文的研究内容. 91.5.3本文的研究创新点. 101.6本章小结 112焊接过程有限元计算模型 . 132.1焊接过程有限元数值模拟 132.2.1焊接过程的特点：. 132.2.2焊接过程有限元简化. 142.2焊接过程耦合场 142.3焊接有限元数值模拟主要假定. 152.3.1热分析过程. 152.3.2结构分析过程. 162.3.3ANSYS焊
15、接有限元数值模拟流程图 162.4本章小结 183焊接温度场和应力场有限元分析 . 193.1建立有限元模型 193.1.1单元的选取. 193.2.2定义热性能参数. 203.2.3建立几何模型. 22V重庆大学硕士学位论文3.2.4网格划分，生成有限元模型. 233.3单元生死及模型的组装 253.4焊接热源的模拟与施加 273.4.1常见的焊接热源模型. 283.4.2焊接热源的移动. 293.5焊接温度场的计算分析 303.6温度场分析 313.6.1焊接温度场的分布. 313.6.2温度场的判定. 353.6.3不同路径上的温度场分布. 363.7不同路径上各点的温度时间历程曲线 4
16、13.8焊接应力场有限元过程 453.8.1单元转换及材料属性的定义. 453.8.2约束条件和荷载条件的施加. 473.8.3应力场的求解. 483.9应力场分析 483.9.1焊接应力场的分布. 483.9.2应力场的判定. 513.9.3不同路径上的残余应力分布. 523.10本章小结 554 K型插板节点受力性能研究 574.1 K型节点破坏分析. 574.2承载力影响参数分析 594.3残余应力对承载力的影响 644.4 K型插板节点承载力建议计 算方法. 654.5 K型节点承载力计算方法比 较. 704.5.1日本建筑学会（AIJ）. 704.5.2日本钢结构协会（JSSC） 7
17、14.5.3加拿大钢结构协会（CISC） 714.5.4韩国学者 Kim. 714.5.5承载力结果对比. 714.6本章小结 735结论与展望 . 755.1主要结论 75VI目 录5.2后续工作展望 76谢. 77致参考文献. 79VII重庆大学硕士学位论文VIII1 绪论1 绪论1.1引言随着中国经济的迅猛发展，各个行业对于能源的需求越来越多，对于能源输送的要求越来越高，特别是对于电力的需求及输送要求；这就推动了我国电力事业的快速发展。在电力事业发展中，发展超高压、特高压（电压等级如表 1所示）输电已成为当今各国电力供应的主要发展模式。由于我国 80%的水能资源分布在西南部；76%的煤炭
18、资源分布在西北部和北部；绝大部分陆地太阳能和风能资源分布在西北部。同时，负荷中心主要集中在东部沿海地区。电力资源与负荷中心的距离在 1000到 3000公里，由于电力资源与负荷中心分布的不均匀性，这就导致能源基地和负荷中心之间的远距离、大规模、大容量的电力输送。随着电力系统的发展，特高压输电的研究开发亦将会提上日程。表 1.1电压等级介绍1 Table1.1 The introduction of voltage level电压类型电压等级范围(KV)英文缩写交流电压超高压直流电压高压(1,330)HV特高压1000,+)UHV高压 特高压800及以上UHVDC330,1000)EHV800以
19、下HVDC超高压输电模式自 19世纪 50年代在瑞典问世以来，己经历了半个多世纪的发展。特高压输电以前苏联、日本和意大利为代表，分别于 1985年、1992年和1997年分别建成 1150KV、1100KV和 1050KV的特高压输电线路，并投入运营使用，这标志着输电模式开始进入了特高压输电技术并用的阶段。由于特高压输送容量大、送电距离长、线路损耗低、占用土地少等优点，因此各个主要发达国家，如美国、加拿大和巴西，分别制订了特高压输电线路发展规划。而在 2009年 1月6日，我国自主研发、设计和建设的具有自主知识产权的 1000千伏交流输变电工程晋东南-南阳- 荆门特高压交流试验示范工程已经顺利
20、通过试运行，这标志着特高压交流输电工程从示范阶段进入大规模建设阶。如今，已经建成或拟建的超高压、特高压输电网络己达到了相当的规模。2国家电网公司在“ 十二五”规划中提出，今后我国将建 设联接大型能源基地与主要负荷中心的“ 三纵三横一 环网” 特高压骨干网架和 13项直流输电工程（其中特高压直流 10项），形成大规模“西电东送” 、“北电南送”的能源配置格局。到 2015年，1重庆大学硕士学位论文基本建成以特高压电网为骨干网架、各级电网协调发展，具有信息化、自动化、互动化特征的坚强智能电网，形成“三华” （华北、 华中、华东）、西北、东北三大同步电网，使国家电网的资源配置能力、经济运行效率、安全
21、水平、科技水平和智能化水平得到全面提升。在特高压输电工程中，输电塔是必不可少的元素。由于传统的电力输送方式跨越距离短、输送电压低，输电塔的高度也比较低，塔线荷载和风荷载等对于输电塔的要求也不不高，因此传统输电塔往往采用角钢塔形式，这也导致传统输电塔输送效率低下、浪费资源、不经济等不足。但随着我国经济的不断发展，科学技术的不断进步，电网的不断改造升级，以及大跨越工程、大截面导线工程和同塔多回路工程在实际工程的应用，导致了特高压大跨越电力输送方式的出现，同时特高压大跨越输电塔开始出现。由于特高压大跨越电力输送具有跨度大、容量大、规模大和损耗低等优点，导致输电塔高度比较高，构件规格尺寸较大，因此特高
22、压大跨越输电塔多采用钢管塔形式。3上世纪 80年代，国际上许多国家在开发特高压输电线路时，开始将钢管型材应用到了铁塔结构中，出现了以钢管为塔体主材的钢管塔。在日本，1000kV 的超高压线路及高塔中几乎全部使用了钢管塔，他们对于钢管杆的设计技术研究非常透彻。借鉴国外经验，国内在 500kV双回路铁塔和同塔四回 铁塔中也已使用钢管型材，体现出了其良好性能和效益。其优点表现在一是可以减小塔身风压（构件体形系数，圆管比角钢几乎小一倍）；二是在截面面积相等的情况下，圆管的回转半径比角钢大 20%左右；三是提高了结构承载能力，一般来讲，钢管塔比角钢塔用量降低 10%-20%；同时还可减少杆件数量，缩短建
23、塔周期，易于结构多样化。正是钢管塔具有以上种种优势，使得钢管塔在输电线路中大量应用必然成为趋势。钢管塔作为典型的桁架结构，其受力比较明确。主材作为受力主体，弦杆和腹杆均为二力杆，将力通过节点传递给主材。主材通过节点将弦杆、腹杆联在一起，形成一个整体的受力结构。节点一旦达到极限承载力而破坏，会导致整个钢管的传力路径破中断或者改变，同时破坏钢管塔的整体性，而造成钢管塔整体失效。因此，节点性能的好坏，直接影响到钢管塔的承载能力。在钢管塔中，钢管节点主要有两种类型：相贯节点（如图 1.1）和插板节点（如图 1.2）。两种节点类型各有优缺点，而适用于不同的钢管塔结构形式中。随着我国科学技术的发展，开始采
24、用全自动相贯线切割设备，相贯焊节点的加工制作变得越来越简单，与此同时精度不断得到提高，相贯节点得到了越来越广泛的采用。4然而输电塔身节点部位构造复杂，没有规律，同时焊缝过于集中，导致应力集中，同时焊缝附近会出现三向同号应力，使节点产生脆性破坏，后果严重。而插板节点可以很好的避免这种不利。21 绪论图 1.1相贯节点Fig.1.1 The CHS joint图 1.2插板节点Fig.1.2 The flashboard joint3重庆大学硕士学位论文在输电塔的节点中，无论是相贯节点，还是插板节点，都是采用焊接的方式进行连接。因此在进行节点承载力研究的过程中，始终无法避免焊接残余应力的影响。因此
25、准确的残余应力分析求解出合理的节点承载力的必要条件。节点焊接残余应力和变形的分析就成为节点承载力分析中必不可少的一部分。同时，目前国外对于相贯节点的研究比较多，而且已经十分深入，但在插板节点上的研究十分不足。除此之外，我国钢结构规范仅仅对一些简单的平面或空间节点给出了承载力的计算公式，却没有对一些复杂节点的承载力做出相关规定，所以对于复杂节点承载力的研究始终是一个重要的课题。针对以上论述，本文重点研究的是焊接残余应力对 K 型圆管插板节点承载力的影响，由于焊接过程受力分析复杂，实验成本较高且费时，因此本文通过 ANSYS软件模拟整个焊接过程，从而得到焊接残余应力的分布规律及其对节点极限承载力的
26、影响。51.2焊接数值模拟的国内外研究概况1.2.1焊接简介什么是焊接，GB3375-94焊接术语中指出：“焊接是通过加热或加压，或两者并用，并且用或者不用填充材料，使工件达到结合的一种方法 ”6。从上述文字可知，为使工件达到结合，焊接时需要外部能量；而且从焊接接头的外观上可以明显看出，焊接的结合是不能拆卸的。因此，可以认为，需要外加能量与结合的不可拆卸（即永久性）是焊接在宏观上的特点。在微观上，焊接的特点则是在焊件之间达成原子间的结合。也就是说，原来分开的工件，经过焊接后在微观上形成了一个整体。对于金属来说就是在两焊件之间建立金属键。根据以上的划分，可按外加能量的不同，将焊接分为熔焊和压焊两
27、大类。将待焊处的母材金属溶化以形成焊缝的方法叫做熔焊；焊接过程中，必须对焊件施加压力（加热或者不加热），以完成焊接的方法叫做压焊。但无论是熔焊还是压焊，焊件之间都形成共同的晶粒。从这点来看，焊材与母材不熔化的钎焊或靠粘结剂结合的粘结相比，都有本质上的不同7。1.2.2焊接温度场有限元分析的研究进展焊接温度场是指某一瞬时焊件上各点的温度分布。在掌握温度场的定义时，应该注意一下两点：与磁场、电场 一样，温度 场考察的对象是空间一定范 围内的温度分布状态。因为焊件上各点的温度是随时间变化的，因此，温度 场是某个瞬时的温度场。41 绪论传热过程的基本规律是热量总是从高温传到低温，传递的热量与温度成正比
28、。因此根据温度场就可以确定热量传递的方向和数量7。焊接温度场分析的正确与否直接影响到后续的应力场分析，因此焊接残余应力分析首先要有准确的焊接温度场。与此同时，温度场分析必须考虑材料随温度的非线性变化。传统的焊接温度场分析主要依靠试验或经验公式以及曲线等方法，这些方法由于局限性较大且过程非常复杂，不能全面得到焊接时的温度；同时大量的焊接试验导致生产成本增加，且费时费力。近年来，随着计算机技术和有限元技术的不断发展，利用有限元软件分析焊接温度场取得了重大成效，并逐步建立起一套完整的焊接温度场数值分析理论5。焊接温度场准确的数值模拟，是焊接焊接残余应力和应变热弹塑性动态分析的必要条件。上个世纪 30
29、年代末，各国开始进行大量的焊接温度场研究。关于焊接热过程的分析，D. Rosenthal在 1939年分析了点状移动热源在固体中的传导过程，并且推导出点状移动热源传热方程，此后进行了一系列的焊接试验8。在此基础上，1951年，前苏联科学院的院士 H.H.雷林卡对焊接过程热传递问题进行了系统的研究，建立了焊接热传导的理论基础以及计算方法。但是为了求热推导出微分方程的解，他们进行了一系列的简化将焊接热源考虑成简单的理想热源，同时忽略了材料热物理性质随温度变化以及有限尺寸对解的影响9。20世纪 60年代，随着高速电子计算机的广泛应用使焊接温度场的数值分析得到了发展。1966年，Edward L. W
30、ilson和 Robert E. Nickell 在固体热传导的计算中第一次应用了有限元法，使得焊接温度场数值模拟分析的方法逐渐发展起来10。70年代，有限元法才逐渐在焊接温度场的分析计算中使用。美国的 G.W.Krutzy在 1976年的博士论文中专门研究了利用焊接温度场预测接头强度问题，论文中提及了焊接过程的相变问题，开创了焊接过程相变现象的研究先河，同时分析了非线性温度场，在二维分析模型中，假定电弧运动速度比材料热扩散率高，因此传到电弧前面的热量输出量相对比较小，然而忽略了在电弧运动方向的传热，这实际上与 Rykalni高速移动热源公式的处理方法是一致的11。我国在焊接模拟技术发展方面起
31、步虽晚，但发展迅速。20世纪 80年代初，上海交通大学和西安交通大学就开始了关于焊接热弹塑性理论在数值分析方面的研究。1981年，西安交通大学的唐慕尧、楼志文等人把数值分析应用到焊接温度场和热弹塑性应力场的分析中，编制了热弹塑性有限元分析程序并对两个简单的焊接问题进行了分析12 。西安交通大学的段权、张新国等人进行了焊接非线性热传导研究，得出了焊接温度场求解必须考虑材料非线性特性的结论 14 。同时，上海交通大学焊接教研室在焊接热传导的数值分析与模拟方面做了许多工作。其中陈楚对非线性瞬态温度场进行了有限元分析，提出了求解非线性热传导方程的变步5重庆大学硕士学位论文长外推法，并编制了二维热弹塑性
32、有限元分析程序，以及对局部干法水下焊接温度场问题做了实例分析1516。后来，西安交通大学的蔡洪能和唐慕尧进行了脉冲TIG焊接温度 场问题做了实例分析17。2007年，张朝晖在其书中详细讲解了有限元分析软件 ANSYS10.0在 热分析工程领域中应用18 。1.3国内外对焊接应力场的研究概况1.3.1焊接应力简介焊接构件由焊接不均匀温度场而产生的内应力称为焊接应力，焊接过程是一个不均匀的瞬间升温和降温过程，因此构件在焊接过程中往往会产生焊接应力。按作用时间可分为焊接残余应力和焊接瞬时应力。焊接过程中，某一瞬时的焊接应力称为焊接瞬时应力，它是瞬态应力随时间而变化；焊后残留在焊件内的焊接应力称为焊接
33、残余应力。近年来，随着计算机技术和有限元技术的不断发展，计算机数值模拟技术逐渐应用于焊接结构残余应力的研究中。焊接残余应力应力的计算机模拟采用热力耦合的弹塑性有限元模型，采用热分析与静力分析耦合的方法，计算得到了包括电弧焊、激光焊、电子束焊、激光焊、搅拌摩擦焊、线性摩擦焊、惯性摩擦焊等高新焊接技术在内的几乎所有焊接技术得到的焊接结构中的残余应力分布。模拟结果与实验测得值吻合良好。1.3.2焊接残余应力有限元分析的研究历史焊接过程中应力和变形的研究工作始于二十世纪三十年代，但是研究工作只是定性的和实测性的。在五、六十年代，结合具体构件的热应力的计算研究较多，一些著作比较系统地讨论了这方面的问题。
34、例如 E.梅兰和 H. 帕尔库斯的由于定常温度场而产生的热应力和 H.帕尔库斯单独写的 非定常热应力，反映了五十年代热应力的研究成果1920。20世纪 70年代初期，日本大阪大学的上田幸雄教授等人提出了焊接热弹塑性理论，成为焊接残余应力计算的基础，得出了焊接节点的本构关系，表达了应力应变的确定式21。接着美国的 K.Masubuehi在焊接残余应力和变形的预测和控制方面进行了许多研究工作 22。1973年，Chen,W.F. 和Ross,D.A测定了直径 560mm、壁厚 8mm和长度 1.2m的焊接圆管的横截面纵向和沿壁厚环向残余应力23。1973年 Vaidyanathan 提出了薄壁管
35、对接环焊缝残余应力的计算方法，并采用数值计算进行了大量的模型算例分析，也进行了实验验证，比较两种方法的结果，确定了数值计算方法的正确性24。1986年，W.Cheng等对局部区域的残余应力进行了理论分析，通过逐层铣削法对残余应力进行计算，得出了粗略残余应力分布25 。进入九十年代，随着计算机性能的进一步提高，对焊接应力和变形的研究更61 绪论深入，许多学者对工程中实际的焊接结构进行了数值模拟分析，并取得了一系列的成果。Josefson计算了焊接箱型钢梁的残余应力，利用生死单元技术多次施加焊接热源，并模拟了多道焊缝，成功地估计了箱型钢梁焊接残余应力的分布规律26 。Yaghi利用数 值模拟的方法
36、分析了不 锈钢管的焊接残余应力，通过对比试验，得出了不锈钢管焊接数值模拟结果正确性27。与之同时，Murthy把钢材生产加工的缺陷残余应力考虑到有限元数值模拟的过程中，考虑材料随温度非线性变化的参数分析，得出了更准确的焊接残余应力有限元数值模拟的参数值，使得残余应力的求解更为细化，提高了数值分析的准确度和可靠度28 。国内对焊接残余应力和变形的数值分析起步于二十世纪七十年代，首先是西安交通大学的楼志文和唐幕尧通过与沪东造船厂合作，开展对大板拼接单面焊接终端裂纹产生机理的研究和数值模拟研究工作 1229形和轴对称的焊接热-弹塑性有限元分析程序，并成功地分析了薄（厚）板等焊接残余应力，并且与试验结
37、果相比较 30。汪建华等开发了二维平面变。关桥等编写了用于平板轴对称焊接应力应变分析的有限元程序，同时利用该程序计算分析了薄板氩弧焊（点状热源）加热的应力应变过程，结果与试验结果十分吻合 31焊接薄壁钢管纵向残余应力 32。同济大学的潘汉明用钻孔法测定。后来，中日的有关研究人员共同研究了三维焊接应力与变形问题，开发了三维焊接应力应变的计算机分析程序，提出了改善焊接热分析计算精度和收敛性的若干途径，其研究成果已在许多方面得到了实际应用33。同时，李国强、陈凯等通过试验研究高温下 Q345 钢的材料性能34李焕群经过试验得到国产钢结构用 Q345(16Mn)钢在恒载升温条件下的应变-温度-应力材料
38、模型35。屈立军、。鹿安理等针对实际焊接结构的应力与变形，在有限元软件的基础上，研究并分析了自适应动态可逆网格技术、并行计算、焊缝熔敷金属的填充处理、材料高温性能的处理以及降阶积分等关键问题 36 。魏艳红、董祖珏、刘仁培等通过单元生死技术，采用加大材料线膨胀系数的方法，同时考虑熔池的凝固收缩对熔池尾部应力应变的影响，从而建立了一种计算凝固裂纹驱动力的有效方法3738 。1.4钢管节点承载力国内外研究现状国际上由于交流特高压输电线路建设的时间较早，而发达国家对于钢管塔的应用较早，对钢管塔节点的试验研究也相对较早。上个世纪八十年代，日本就在钢管塔节点构造方面作出了较深入的研究工作，并形成了节点设
39、计的一整套方法。目前，在我国钢管塔的研究工作才刚刚开始，其应用也才刚刚开始，对节点的构造还没有作出系统的研究，因此在钢管塔设计时我国较多是借鉴日本的计算方法。钢管节点最早研究是从 1948年开始的，前西德钢管节点极限强度研究，随后7重庆大学硕士学位论文美国在 50年代也开始对管节点进行了研究。进入 60年代，随着钢管塔在实际工程大量应用，钢管节点的研究得到大力发展。紧接着有一些国家开始将圆钢管节点的设计被纳入了规范之中。虽然钢管节点承载力的研究经过半个多世纪的发展，同时国际上在钢管节点的研究方面取得了一定的成果，但还远不成熟，原因在于钢管节点的影响因素众多，受力及其复杂。70年代奥村敏惠和 S
40、aeko在少量试验的基础上，针对钢管插板节点（K型、TY型、 X型）提出了一个十分保守的在支管轴力、弯矩分别单独作用下承载力计算公式3940。1981年 Yura等人对 1979年前的数据 进行整理和分析，认为一些试验中的节点模型太小，很难适当的模拟焊缝及局部性能，特别是在断裂发生处的性能。另外他们还分别综述了轴向加载和弯矩加载的 T型、Y 型、K型和 DT型节点性能，根据筛选出来的 137个实验结果，用经验法建立了改进的钢管节点极限承载力计算公式41 。1982年日本学者 Kurobane等人指出，用纯分析法只能分析计算简单节点的极限承载力，无法计算分析复杂节点极限承载力。同时他们使用简单的
41、力学模型，根据获得的 X、Y、T、K型节点的 747个试验数据，采用多元回归方法得出了屈服和极限强度计算公式42。1994年日本学者 Paul也使用多元回归分析方法，在空间 KK和 TT 节点试件 58个试验结果的基础上，得到了空间钢管节点的极限承载力计算公式，并指出空间相互影响的作用是不可忽略的43。1996年 Moffat、Kang和 Mistry对在主管受压状态下空间 TT型节点的承载力性能进行了试验，并进行了相关的理论推导分析43。1999年，Soh和 Chan等对 X型节点在轴向荷载荷载作用下节点承载力的计算上以屈服线理论为基础，建立了两种理论计算模型44。2006年，Williba
42、ld、Packer45 等人进行了节点板贯穿的圆管与椭圆插板节点承载力的研究，在考虑了贯穿节点插板对节点极限承载力和刚度提高的影响下，进行了 12个的承载力研究试验，并分析了结果提出建议计算方式。在国内，对相贯焊节点的研究相对较多，而对钢管插板节点的研究相对很少。由于我国在最近几年的时间里大力推广钢管输电塔的应用，很多学者开始了对钢管塔46-53 的研究工作，但很多都是以相贯节点的研究为主。而钢管插板节点的研究是从 2008年开始的，吴龙升、孙伟民等人在考虑几何非线性和材料非线性的基础上，基于 4个 U型钢管插板节点实验，进行了 U型钢管插板节点承载力的有限元非线性分析，结果得出的空间焊缝极限
43、屈服承载力低于一般平面焊缝屈服极限承载力，因此不能够用一般平面焊缝的计算公式来计算此类节点的承载力 54 。建筑钢结构设计手册介绍了钢管插板节点承载力的一种简化计算方法，以薄壳理论方法为基础，但计算出来的结果与实际情况差距较大55 。余世策通过试验对插板连接节点板来进行纵向加载，进而模拟出等效弯矩，81 绪论根据应力分布规律和节点破坏模式，提出了可用于估算插板节点极限承载力的屈服线模型，并编制出了相应的计算程序 56。金晓华、傅俊涛57 等人对钢管十字插板进行了研究，通过试验和有限元分析，分别得出十字插板节点的承载力，同时指出主管管壁与节点板连接处存在较为明显的应力集中现象，并分析了十字插板连
44、接节点的受力特点。在傅俊涛的硕士论文中分析研究了 K 型插板节点的受力性能、塑性发展过程，通过几个钢管插板节点试验及有限元分析得到 K 型插板节点的两种典型破坏形式及破坏机理，得到了随节点几何参数变化极限承载力的变化规律，总结出插板节点的强度理论58。刘红军通过 87个钢管插板 K 型节点构件的足尺试验研究，弄清楚钢管插板节点的受力性能及其破坏形态，考虑节点的材料和几何双非线性，运用有限元分析软件，对影响节点承载力的主要参数进行了分析，同时给出了钢管插板 K型节点承载力计算的建 议公式59 。综上所述，我国对于钢管插板节点的理论分析和试验数据仍然相当缺乏，同时对于钢管插板节点的有限元分析并没有
45、引入焊接残余应力的影响，这就导致目前钢管插板节点的承载力计算变得十分不可靠。另外，一些国外设计指南虽规定了对于插板节点的极限承载力计算公式，但都过于保守，而我国甚至没有此类节点承载力计算的相关具体规范。由此可见，对于特高压输电塔架及类似结构的设计，我国现在急需解决的问题主要是研究钢管插板节点的受力性能，掌握在复杂受力状态下节点的破坏机理，为构造措施提供建议，在考虑焊接残余应力的前提下提出合理的设计计算方法。1.5本文研究方法与研究内容及创新点1.5.1本文的研究方法本文主要分析 K型插板节点的焊接残余应力，应用通用的有限元 软件 ANSYS进行有限元数值模拟。焊接残余应力作为典型的耦合场问题，
46、本文采用间接耦合法，仅考虑温度场与应力场的单向藕合，即只考虑温度场对应力场的影响，而忽略应力场对温度场的作用。先热单元建立有限元模型，进行焊接过程的热分析，计算求解出温度场，把温度单元转化为相应的结构单元进行结构分析，得到焊接应力场的解，再由焊接应力场基础上进行节点承载力计算。本文在应力场计算中采用牛顿拉普森法而承载力计算过程中采用弧长法进行求解。1.5.2本文的研究内容本文主要内容包括有限元模型的建立、计算和结果分析，比较不同几何尺寸模型的计算结果，各模型的计算结果与各国规范 K 型插板节点承载力进行对比分析，总结出 K型插板节点的残余应力对承载力的影响。本文将主要 进行以下的研究工作：9重
47、庆大学硕士学位论文建立 K型插板 节点有限元模型；本文的计算模型较多，对几何模型的建立以尽可能满足构件的真实情况为出发点。比如说对于焊缝的形状而言，本文的焊缝比较真实的模拟了焊缝的真实形状。而网格划分上本文采用映射网格划分，较为精细，合理的网格划分对模型的精确求解是很重要的一步。本文节点材料为 Q345 。K型插板 节 点温度场的研究；本文采用热单元进行热分析，在建立有限元模型的基础上，施加焊接热源，计算焊接时的温度场。最后根据计算结果得出不同时刻的温度场分布云图和焊接温度场在某一时刻沿不同路径的温度变化曲线及不同路径各点的温度时间历程曲线，并判断是否符合真实情况。K型插板 节 点应力场的研究
48、；结构分析过程中，需要进行单元转换，将热单元转换为结构单元，施加约束和已经求解出的温度场，计算节点的焊接应力场，得出焊接过程中不同时刻的应力分布云图及焊接残余应力在某一时刻沿不同路径的变化曲线，并判断是否符合真实情况。K型插板 节 点承载力的研究在焊接残余应力存在的前提，考虑影响节点承载力的几个重要参数情况下，计算不同尺寸 K型插板节点的承载力，并探讨焊接残余 应力对于承载力的影响，同时运用软件 MATLAB提出了适用于估算此类钢 管-插板连接的 K型节点在荷载作用下极限承载力的建议计算方法。1.5.3本文的研究创新点到目前为止，对于插板节点的承载力研究国内尚不多见，少有的研究也是没有考虑焊接
49、残余应力的影响。针对这种情况，本文将从以下几个方面进行创新来完成该研究。引入焊接残余 应力的创 新本文对 K型插板节点承载力的研究是在考虑焊接残余 应力的基础之上进行的，这使得承载力研究从单一的结构分析转变为复杂的热 结构耦合场分析，这样大大的提高了本文的研究难度以及时间成本。采用双重材料非线性的 创新本文在计算焊接残余应力的过程中，对于材料的热性能参数和力学性能参数的设置，本文不仅仅考虑的结构分析中材料力学性能参数的应变非线性（应力应变非线性），同时还考虑了热分析中材料热性能参数的温度非线性以及结构分析中材料力学性能参数的温度非线性，即材料性能参数随着温度变化而改变。施加大尺寸、大范围开口 焊缝的创新101 绪论本文中模拟的 K型插板节点构件上主要存在两条焊缝 。一条为焊接圆管（主管）的纵向全长度焊缝，另一条为插板与主管相连接的焊缝，两条焊缝长度较长均属于大尺寸、大范围的开口焊
