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焊接缺陷对钢框架动力特性影响的数值模拟分析

刘焕玉  
【摘要】:由于经济的快速发展,钢结构在建筑结构领域内得到了迅速的应用。焊接具有构造简单、刚度大等优点,在钢结构工程中大量使用。然而在焊接过程中普遍存在着焊接缺陷,对钢框架结构的安全性产生了很大的影响。尤其是在动力载荷作用下焊接缺陷很容易扩大和发展,甚至产生焊接节点的破坏。焊接缺陷会影响结构的动力特性,但还没有文献进行过系统的研究。在实验的条件下难于开展疲劳强度与相应的缺陷严重程度有定量的联系,这也就无法对理论进行验证,使很多研究工作只能通过近似模拟的方法来实现。 模态是结构的固有振动特性,每一个模态具有特定的固有频率、阻尼比和模态振型。以有限元法为基础的计算模态分析可以系统的辨别结构的动力特性。焊接缺陷会对焊接结构的动力特性产生一定影响,这种影响作用可能与缺陷的分布及位置等因素有关。 本文主要探讨了几何焊接缺陷对钢框架动力特性的影响。几何焊接缺陷的程度通过焊接率来调控,分别将焊接率设为14.7%、26.7%、50.7%、65.3%、100%,则相对于满焊状态,对应的焊接缺陷率分别为85.3%、73.3%、49.3%、34.7%。有限元分析由ANSYS软件完成,对焊接缺陷改变后钢框架的频率变化和振型形式作了系统的分析。在此基础上研究了焊缝分布及位置、榀数等因素对动力特性的影响。分析中考虑了建模方法、连接方式的不同,共分析了4个系列40多个框架试件。 本文的主要工作可以总结为以下几个方面: 1.简述了钢结构焊接缺陷的分类和成因,给出了缺陷当量计算的公式,介绍了焊接接头的组成,总结了焊接缺陷的研究进展。 2、总结了动力特性计算的基本理论和主要方法,讨论了焊接缺陷与动力特性间关系的理论基础。概括了动刚度的理论,分析了材料的弹性模量、梁的截面惯性矩及跨度与动刚度之间的关系。给出了焊接缺陷周围区域应力的分布及大小的计算方法,并对焊接缺陷进行合理的简化假定。归纳了钢框架梁柱连接方式的分类。 3、介绍了ANSYS软件的模态分析过程,阐述了模态分析的理论基础。ANSYS的模态分析是一个几何线性分析,只有几何线性行为是有效的,计算过程中的非线性问题将会被忽略。说明了ANSYS的接触分析,并总结了钢框架梁柱节点的连接方式。探讨了ANSYS的模拟分析方法,总结了不同建模方法和参数设置的优缺点。 4、计算结果表明:BEAM4单元模型不能建立焊接缺陷率与频率之间的关系,而SOLID45单元可以模拟出试验模型并得到合理的结果。焊接缺陷对动力特性的影响与缺陷率不成比例,当焊接缺陷率为85%左右时,影响最大。随着焊接缺陷率的增大,对前10阶频率影响也是增大的。在前10阶频率中,焊接缺陷的影响对第3阶和第5阶频率的影响较大,第2阶的影响较小。由于不同焊接率的振型图基本一致,位移最大值无规律,所以无法建立起焊接缺陷与振型之间的联系。 5、与相关的试验进行对比后得出结论:ANSYS计算的结果与试验检测数据基本一致,证明了数值模拟方法的可行性;ANSYS得出的振型图与试验所得有很大的出入,原因在于试验仪器测量的局限性。 6、焊缝在梁中时的频率明显比位于梁端时低,梁的刚度增加后梁的自振频率是增大的,所以焊缝在梁中时的刚度低于焊缝位于梁端时。焊缝位置对频率的影响在一定范围内是增加的,超过这一范围就开始降低。整体来说焊接缺陷的位置对动力特性的影响比较微小,尤其是对基频的影响更小。当榀数改变时,焊接缺陷对基频的影响也很小。


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