（船舶與海洋結構物設計制造專業(yè)論文）kk型管節(jié)點應力集中系數(shù)研究.pdf

中文摘要 在設計階段，管節(jié)點最大應力通常通過s - n 方法來評估海洋平臺焊接管節(jié)點 疲勞壽命。所以應力集中系數(shù)的正確確定對平臺結構的安全性至關重要?，F(xiàn)有經 驗公式如k u a n g 公式、n o r s o k 公式僅適用于簡單管節(jié)點如k 、x 、y 、t x 等 形式，對空間的復雜管節(jié)點的應力集中系數(shù)的計算未涉及。通常把復雜的管節(jié)點 的應力集中系數(shù)看成是簡單管節(jié)點應力集中系數(shù)的疊加。對本文研究的k k 型管 節(jié)點來說，與相同尺寸的k 型管節(jié)點，應力集中系數(shù)通常要大出許多，所以傳 統(tǒng)的計算簡單管節(jié)點應力集中系數(shù)的經驗公式并不適合計算復雜管節(jié)點應力集 中系數(shù)，因此建立復雜管節(jié)點應力集中系數(shù)參數(shù)方程是非常有必要的。 本文在以前對簡單管節(jié)點研究基礎上，運用軟件a n s y s ，用薄壁殼單元分 析建立上千個用在平臺結構中的承受軸向力、平面內彎矩和平面外彎矩三種荷 載作用的k k 型節(jié)點，得出的結果數(shù)據(jù)，通過不定尺寸的節(jié)點幾何比例反，) ，f ，f 和臼建立函數(shù)通過回歸分析得出一系列新的參數(shù)方程。這些參數(shù)方程可以 用來計算得出k k 型復雜管節(jié)點撐桿和弦桿處圍繞交界處的最大應力。 本文并進一步，通過圖、表形式分別分析a ，) ，孝，盧，f 和0 各個參數(shù)對k k 型節(jié)點在三種荷載作用下?lián)螚U和弦桿s c f 的影響，各個參數(shù)對對有限元計算的 k k 型節(jié)點與對相同尺寸的k 型節(jié)點經驗公式所得撐、弦桿的s c f 差距的影響。 本文對復雜k k 型管節(jié)點應力集中系數(shù)參數(shù)方程的研究對以后研究其它復雜 節(jié)點s c f 和管節(jié)點設計有一定參考價值。 關鍵詞：管節(jié)點，應力集中系數(shù)，有限元，參數(shù)方程 a bs t r a c t t h em a x i m u ms t r e s si sv e r yi m p o r t a n ti ne s t i m a t i n gt h ef a t i g u el i f eo fo f f s h o r e x - j o i n t sb ya ns - na p p r o a c h t h e r e f o r e ，s t r e s sc o n c e n t r a t i o nf a c t o r ( s c f ) i sc r u c i a l f o rt h es a f e t yo fo f f s h o r ep l a t f o r m s t h ee x i s t i n ge m p i r i c a lf o r m u l a ss u c ha sk u a n g f o r m u l aa n dn o r s o kf o r m u l aa r es u i t a b l eo n l yt os i m p l et u b u l a r j o i n t si n c l u d i n gk 、x 、ya n dt xe t cj o i n t s s c ff o rc o m p l e xs p a t i a lt u b u l a rj o i n t sh a sn o tb e e n r e f e r r e di nt h ee x i s t i n ge m p i r i c a lf o r m u l a s i n s t e a d ，s c ff o rc o m p l e xt u b u l a rj o i n t si s u s u a l l yc o n s i d e r e db yt h em e t h o df o rs i m p l et u b u l a rj o i n t s c o m p a r i n gt ot h er e s u l t s f o rs i m p l ek j o i n tw i t ht h es a m ed i m e n s i o n s ，i t ss h o w ni nt h i sp a p e rt h a ts c ff o rk k t u b u l a rj o i n t si sf r e q u e n t l yh i g h e r , t h ee x i s t i n ge m p i r i c a ls c ff o r m u l a sf o rs i m p l e t u b u l a rj o i n t sa r en o ts u i t a b l ef o rc o m p l e xt u b u l a rj o i n t s ，t h e r e f o r e ，i ti se s s e n t i a lt o e s t a b l i s hs c fp a r a m e t r i ce q u a t i o n sf o rc o m p l e x k k - j o i n t s b a s e do nf o r m e rr e s e a r c ho ns i m p l et u b u l a ri o i n t s ，t h i n s h e l le l e m e n ta n a l y s e s h a v eb e e nc o n d u c t e df o rt h o u s a n d so fk k j o i n tf r e q u e n t l yu s e di no f f s h o r es t r u c t u r e s t h e s ek kj o i n t sa r es u b j e c t e dt ot h r e ek i n d so fl o a d i n g s ，i n c l u d i n ga x i a ll o a d ， i n - p l a n em o m e n ta n do u t - p l a n em o m e n t b yu s eo fr e g r e s s i o na n a l y s i s ，t h ea b o v e r e s u l t sa r et h e nu s e dt od e r i v ean e ws e to f p a r a m e t r i ce q u a t i o n s 。i nt e r m so fs e v e r a l n o n - d i m e n s i o n a lg e o m e t r i cr a t i o s0 【，丫，毛，p ，ta n d0 t h e s ep a r a m e t r i ce q u a t i o n sc o u l d b eu s e dd i r e c t l yt oc a l c u l a t et h em a x i m u ms t r e s sa r o u n dt h ei n t e r f a c eb e t w e e nb r a c e a n dc h o r do fk kt u b u l a rj o i n t s f u r t h e ri nt h e s ep a p e r , s e p a r a t ea n a l y s e sh a sb e e nc o n d u c t e df o rt h ei n f l u e n c eo f a ，丫，芎，p ，1 7a n d0o nb r a c ea n dc h o r ds c f si nk kj o i n ts u b j e c t i n gt ot h et h r e ek i n d so f l o a d i n ga n do nt h ed i f f e r e n c eo fs c f si nk kj o i n ta n ds c f sf o rkj o i n tf r o m e m p i r i c a lf o r m u l a s t h er e s u l t sa r eg i v e nt h r o u g hb o t ht a b l e sa n df i g u r e s t h es c fr e s u l t sf o rk k j o i n tg i v e ni nt h i sp a p e rc o u l da c ta sag o o dr e f e r e n c ef o r b o t hf u r t h e ra c a d e m i cs t u d i e so ns c fo fo t h e rc o m p l e xj o i n t sa n de n g i n e e r i n g d e s i g n i n gw o r k s k e yw o r d s ：t u b u l a r j o i n t s ，s t r e s sc o n c e n t r a t i o nf a c t o r , f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ， p a r a m e t r i ce q u a t i o n 獨創(chuàng)性聲明 本人聲明所呈交的學位論文是本人在導師指導下進行的研究工作和取得 的研究成果，除了文中特別加以標注和致謝之處外，論文中不包含其他人已經 發(fā)表或撰寫過的研究成果，也不包含為獲得苤盜盤堂或其他教育機構的學 位或證書而使用過的材料。與我一同工作的同志對本研究所做的任何貢獻均己 在論文中作了明確的說明并表示了謝意。 學位敝儲張彳寸掙履簽字吼聊年，月礦日 學位論文版權使用授權書 本學位論文作者完全了解苤洼盤堂有關保留、使用學位論文的規(guī)定。 特授權苤盜盤堂可以將學位論文的全部或部分內容編入有關數(shù)據(jù)庫進行檢 索，并采用影印、縮印或掃描等復制手段保存、匯編以供查閱和借閱。同意學 校向國家有關部門或機構送交論文的復印件和磁盤。 ( 保密的學位論文在解密后適用本授權說明) 學位論文作者簽名： 簽字日期：叼年 導師簽名： 于f 習反，、 簽字日期：巧年 月謬日 天津大學碩士學位論文第一章緒論 1 1 課題背景 第一章緒論 許多形式的海洋平臺是由焊接在一起的圓管構件組成的各種形式節(jié)點( 如k 、x 、y 、t x 等形式) 。圓管結構構件具有高的強重比，在抗拉、抗壓、抗彎、 抗扭方面，具有卓越的性能。海洋平臺的壽命依賴于管節(jié)點的結構整體性。 管節(jié)點的疲勞破壞主要是由于外界載荷周期性重復作用的結果。例如樁基平 臺在波浪載荷作用下，盡管在進行整體結構分析時，所求的應力遠遠低于材料的 屈服強度，但在管節(jié)點處存在應力集中現(xiàn)象，局部高應力的存在，就有可能在波 浪反復作用下，管節(jié)點形成微小的疲勞開裂，最后導致節(jié)點破壞。 疲勞破壞被認為是影響節(jié)點強度降低的最重要的因素之一，由于波浪載荷引 起的高水平的循環(huán)疲勞破壞，而節(jié)點交界焊縫處由于應力集中造成有很低的抗疲 勞強度。因此，在海洋平臺的使用其間，為保證其結構的整體性，周期性的檢測 是需要的。 為便于監(jiān)測、檢修、保證平臺節(jié)點強度，提供準確的斷裂力學模型來預知焊 接管節(jié)點疲勞裂縫產生，增長行為是有必要的。疲勞強度是由局部高應力控制 的，因此很好的知道節(jié)點應力分布情況，尤其是裂縫產生發(fā)展的區(qū)域，對發(fā)展斷 裂力學以便預知疲勞壽命是需要的。節(jié)點的應力信息如應力集中系數(shù)s c f ，應力 沿管厚分布( 表明彎曲的程度) 和應力在相交區(qū)域分布是斷裂力學方法分析的重 要元素。管節(jié)點在各桿相交區(qū)域應力分布是不均勻的，在一些點出現(xiàn)很高的應力 分布，有些比名義應力高出2 0 倍，因此這些交界處的高應力對節(jié)點的疲勞壽命 有很大的影響。 在海洋焊接管節(jié)點中，疲勞特性對初始設計也有重要影響，疲勞特性一般通 過根據(jù)疲勞壽命方法確定的s n 曲線來描述，它表示在給定的實際應力循環(huán)幅值 下，導致破壞所需的循環(huán)次數(shù)。而應力集中系數(shù)決定了實際應力循環(huán)幅值。對焊 接管節(jié)點，應力集中系數(shù)和名義應力來計算局部應力的幅值，這就是熱點應力幅 值( h s s ) 。h s s 是焊接管節(jié)點用s n 方法估計疲勞強度的代表應力幅值。在壽 命期內，對水下構件的檢查因為成本很高，不能檢查所有水下構件。所以，檢查 只在有選擇的關鍵點進行。節(jié)點對疲勞破壞的承受能力取決于熱點應力幅值，所 以正確預測熱點應力幅值是很重要的，因此有許多研究是針對著管節(jié)點的s c f 天津大學碩士學位論文第一章緒論 的確定進行的。 還有研究是針對著簡單節(jié)點沿厚度方向和交界處的應力分布展開研究的，為 預知焊接管節(jié)點疲勞壽命進行斷裂力學計算，研究在預期斷裂路徑上應力的幅值 和分布，而不單單針對一個位置的最高應力。 前人的研究都是針對簡單的管節(jié)點展開研究的，如k 、x 、t 、y 、t x 、t k 等平面簡單形式，而實際的平臺管節(jié)點都是幾個簡單管節(jié)點組成的復雜的空結點 形式，傳統(tǒng)的如管節(jié)點的強度、校核分析是將復雜節(jié)點根據(jù)受力大小決定由一系 列簡單管節(jié)點所占比例大小不同的一系列簡單節(jié)點的組合，而應力集中系數(shù)值是 簡單管節(jié)點進行強度分析、校核公式的一個重要因素。在形式上由簡單節(jié)點組合 的復雜管節(jié)點，由于要比組成它的單個簡單管節(jié)點復雜的多，應力系數(shù)也會高出 簡單管節(jié)點許多，復雜節(jié)點s c f 按簡單管節(jié)點s c f 一定比例疊加形式計算得出 結果在某種形式上會小多。這對管節(jié)點的設計、強度校核是不安全的。所以有必 要對復雜的管節(jié)點的應力集中系數(shù)進行分析，本文正是針對復雜的空間k k 節(jié)點 的應力集中系數(shù)進行研究的，針對海洋結構中常用的管節(jié)點形式，按照參數(shù)變化 和幾何尺寸變化建立上千個節(jié)點進行應力集中系數(shù)的參數(shù)分析。 1 2 管節(jié)點產生應力集中現(xiàn)象的原因 管節(jié)點的分類：部分搭接管節(jié)點、完全搭接管節(jié)點、間隙管節(jié)點。 在這兒有必要再簡單介紹一下應力集中現(xiàn)象產生的原因。管節(jié)點所以產生應 力集中現(xiàn)象，是由幾下原斟l j ： ( 1 ) 從荷載傳遞情況分析當撐桿承受軸向拉力時，由于它的軸向剛度較 大，而弦桿管壁是柔性的，所以可近似地認為沿撐桿與弦桿交接線上弦桿的位移 相等。由于弦桿頂部垂直方向的剛度，所以在冠點處( 撐桿與弦桿交接線上相對 撐桿末端最近的點) 弦桿對撐桿的反作用也??；交接線越向下，弦桿的垂直方向 剛度越大，在最深的鞍點處剛度最大，所以在鞍點弦桿對撐桿的反作用力也最大。 因此，撐桿加給弦桿的垂直載荷沿交接線的分布是不均勻的。頂部冠點處最小， 鞍點處最大。 ( 2 ) 從弦桿的橫斷面的變形分析當撐桿承受軸向拉力時，弦桿受向一卜的作 用力而變形，由于撐弦桿之間的約束作用，會沿交接線處產生附加應力，對弦桿， 鞍點處產生正的附加應力，而冠點處產生負的附加應力，這將使鞍點所受的拉應 力加大，而冠點的拉應力減小，甚至由原來的拉應力變?yōu)閴簯Α?( 3 ) 從撐桿的橫斷面的變形分析 當撐桿承受軸向拉力時，撐桿直徑將有 縮小的趨勢，但受到弦桿的約束，因而撐桿將產生彎曲應力，使撐桿管壁外表面 天津大學碩士學位論文第一章緒論 拉應力加大，撐桿這一局部彎曲作用當然也要影響到弦桿。 ( 4 ) 從弦桿管壁變形分析 由于弦桿管壁具有柔性，在撐桿作用下，弦桿 管壁沿交接線將有局部彎曲的趨勢，所產生的彎曲應力也是很大的。 1 3 管節(jié)點方面的研究現(xiàn)狀 1 3 1 國內對管節(jié)點方面的研究現(xiàn)狀 國內對管節(jié)點的研究一般偏向研究簡單管節(jié)點的承載力的影響因素和簡單 管節(jié)點的加強。如文獻【2 】研究t x 和t t 型圓管節(jié)點軸向承載力的因素分析，采用 有限元軟件a n s y s ，選用殼單元建模計算，并考慮焊縫的影響，分析了荷載路 徑、弦管軸向應力對t x 型圓管節(jié)點軸向承載力的影響，以及弦管長度和邊界條 件對t t 型圓管節(jié)點軸向承載力的影響。指出對撐桿同時加載和順序加載兩種荷 載路徑下t x 節(jié)點承載力非常接近。弦桿應力對t x 節(jié)點軸向承載力的影響，當拉 應力較小時，對承載力影響很小，當拉應力較高時，承載力降低：弦桿壓應力 總是降低承載力。文獻【3 】研究加強t 型管節(jié)點，主要分析指出管節(jié)點適合在撐弦 管交界處用套管加強，同時評估了套管與管節(jié)點的參數(shù)對極限強度的影響。國內 對管節(jié)點的研究偏向簡單管節(jié)點，對空間的復雜管節(jié)點的研究很少。 1 3 2 國外對管節(jié)點方面的研究現(xiàn)狀 國外對管節(jié)點的研究很多，大多也是圍繞簡單未加強節(jié)點、加強節(jié)點的應力 集中系數(shù)展開的。k u a n g 4 1 ( 1 9 7 5 ) 公式是基于有限元建立薄壁殼單元得出簡單管節(jié) 點的s c f ，開創(chuàng)了對管節(jié)點s c f 進行有限元大量分析計算的先鋒。建立的模型為 沿桿件厚度中心的平面模型，并且忽略了焊縫單元。 文獻【5 】通過殼單元建立3 3 0 個x 和d t 節(jié)點得到在六種荷載工況下的s c f 參數(shù) 方程。這些方程能算出撐桿和弦桿在每種載荷下冠趾、冠根、鞍點和熱點位置的 s c f ，并且還得到方程能算出交界出熱點的角度位置，這比單純的研究簡單管節(jié) 點撐弦桿的s c f 參數(shù)方程又進了一步。該文章指出，對以延長壽命期為出發(fā)點考 慮的斷裂力學的研究，研究在帶裂縫工作的節(jié)點在壽命期內，沿預期的斷裂路徑 的應力的幅值和分布信息是必要的，而不儀儀只需研究一個位置的最高應力。該 文建立s c f 參數(shù)方程所需有限元數(shù)據(jù)的有效性確定是通過鋼和丙烯酸模犁的實 驗結果和已存在的參數(shù)公式的計算值比較得到的。同文獻【5 j 出自同一作者的文獻 1 6 1 主要針對y 或t 節(jié)點得出了s c f 參數(shù)方程，同文獻【5 】相同，這些方程能算出撐桿 天津大學碩士學位論文第一章緒論 和弦桿在幾種載荷下冠趾、冠根、鞍點和熱點位置的s c f ，從而能得出沿交界的 應力分布。文獻【7 】，【8 】【9 1 為m o r g a n 等人研究的k 節(jié)點在軸向力、平面內彎矩、平面 外彎矩下的應力集中系數(shù)。 為了加強管節(jié)點，內部加強環(huán)被運用，內部加強環(huán)曾被認為是最有效，所需 成本最小的加強海洋結構管節(jié)點的方法u e g ( 1 9 8 5 ) 【1 0 】，它能提供必要的剛度和強 度，而不需要桿件過量增大厚度，因為結構在使用期內，對內部加強環(huán)節(jié)點的檢 測和維護有一定困難，另外，小直徑管的運用也限制了內部加強環(huán)節(jié)點的發(fā)展。 為此，對位于弦撐桿之間的外部加強板的運用開始，文獻【l l 】研究加強板t 節(jié)點的 s c f ，研究在軸向壓力、軸向拉力、平面內彎矩和平面外彎矩作用下加強板t 節(jié) 點的s c f ，通過建立全比例的鋼模型，測量撐弦桿交界處應變得到的試驗結果， 與有限元方法結果比較，來證實有限元模型方法的有效性。并分析了各個參數(shù)如 f 、盧、) ，對加強板t 節(jié)點對s c f 的影響。計算簡單間隙管節(jié)點s c f 的公式也有許多， 如包括本文用來和k k 節(jié)點s c f 比較的k 節(jié)點s c f 公式的k u a n g 公式和n o r s o k 公 式，公式中對各類型的簡單管節(jié)點在各種荷載形式下的s c f 都有描述。 在對簡單間隙管節(jié)點加強研究的同時，對搭接管節(jié)點的研究也一直在進行 著，e r h y m i o u 和d u r k i n t l 2 1 ( 1 9 8 5 ) 對簡單部分搭接管節(jié)點的應力分布進行了詳盡 的研究。對指出對受非平衡軸向荷載的搭接k 節(jié)點，其s c f 比平衡軸向荷載的搭 接k 節(jié)點大出五六倍，當僅有一根撐桿受力時，s c f 同t 節(jié)點s c f 相當。進一步， m o e t l 3 ( 1 9 8 7 ) 齊j ：q z 衡軸向荷載的部分搭接k 節(jié)點進行應力分析和疲勞測試表明， 與k u a n g 公式的間隙k 節(jié)點的s c f 比較，平衡軸向荷載下的搭接k 節(jié)點的s c f 比 k u a n g 公式的間隙k 節(jié)點的s c f d x ，而非平衡軸向荷載下的搭接k 節(jié)點的s c f 比 k u a n g 公式的間隙k 節(jié)點的s c f 要高出很多。g h o t l 4 ( 2 0 0 1 ) 硼：究了完全搭接k 節(jié)點 在軸向荷載下的應力集中系數(shù)和應變集中系數(shù)，指出最大的應變出現(xiàn)在與搭接撐 桿相交附近的直通撐桿上，并且研究指出直通撐桿與搭接撐桿的參數(shù)直徑比、厚 度比對s c f 起到很大作用。并將完全搭接k 節(jié)點與t 的s c f l l 較，駁斥了傳統(tǒng)上 將完全搭接k 節(jié)點看成兩個t 的看法。在此文獻是通過建立有限元t 模型和 t y 試驗模型，比較t 有限元模型和試驗模型，有限元模型和已有的的公式結 果，因為差別都很小，以此證明州有限元模型建立的有效性。 在過去的幾十年里，對節(jié)點模型的建立標準一直有許多人在研究，并且眾說 不一。2 d 殼單元和3 d 塊單元通常用來進行管節(jié)點的有限元研究，單元類型的選 擇要看節(jié)點的形狀和研究的內容。同時必須保證選擇的單元在計算的準確性和計 算時間方面有很好的折衷。3 d 塊單元能用來模擬整個管節(jié)點，用3 d 塊單元能比 簡單的2 d 殼單元計算得出的節(jié)點交界處應力更準確。對斷裂力學的研究，研究 焊縫附近和沿桿件厚度的應力這些更為詳細的應力信息，3 d 塊單元是必要的。 天津大學碩士學位論文第一章緒論 r o m e i j n t l 5 】分析了建立管節(jié)點進行有限元s c f 計算的幾個方面，指出管節(jié)點進行 有限元s c f 計算時，建立2 0 個節(jié)點固體單元，在考慮焊縫模型的情況下，用于 計算s c f 的應力應通過插值得到垂直焊趾位置的應力，在未考慮焊縫建模的情況 下，應力不能通過虛擬焊趾位置來獲得，這樣得到的弦桿處的應力偏小。r o m e i j n 分析的建立模型、提取應力的方法一直被認為是進行管節(jié)點有限元s c f 計算的最 準確的方法。在用試驗方法進行管節(jié)點s c f 分析時也大多采用插值獲得焊趾位置 的應力作為熱點應力。在不能模擬焊縫進行有限元分析中，如用薄壁殼單元分析， 怎樣獲得熱點應力得至i j s c f ，一直是深入分析研究的目標。h e a l y 弄l l b u i t r a g o t l 6 通 過用殼單元建立沿中心平面的二維模型，比較了四種提取應力的方法，指出對復 雜的管節(jié)點不能將固體焊縫單元模擬出來，將中平面交界處的節(jié)點平均應力來計 算應力從而得至i j s c f 是最為可靠的辦法。這種方法同考慮焊縫的固體模型結果相 比較，計算的弦桿處的應力較準確，而撐桿處的應力較保守。文獻【l7 】建議用殼單 元在未考慮焊縫建模時，不應對口超過0 8 的管節(jié)點進行分析。用3 d 塊單元進行 管節(jié)點的應力的參數(shù)分析，在計算上用時過長，許多研究是選2 d 殼單元研究的， 生成2 d 殼單元單元網格比較容易，在計算的準確性和計算時間方面有很好的折 衷。根據(jù)以上的建議，本文的研究采用管體中平面在撐弦桿的交界區(qū)域的節(jié)點的 最大主應力用來計算應力集中系數(shù)s c f ，在本文的k k 節(jié)點的s c f 分析中，采用節(jié) 點的不大于0 6 。 1 4 本文主要研究內容及研究意義 綜合前人的研究，在簡單的管節(jié)點應力集中系數(shù)方面研究較多，也比較深入， 而對復雜的管節(jié)點應力集中系數(shù)方面研究較少，本文在以前對簡單管節(jié)點研究基 礎上，運用有限元軟件a n s y s ，用薄壁殼單元分析建立上千個適用于平臺結構中 的k k 型節(jié)點，分析其在承受軸向力，平面內彎矩和平面外彎矩三種荷載工況下 的撐、弦桿的最大主應力，得出s c f 的一系列結果數(shù)據(jù)，通過不定尺寸的節(jié)點 幾何比例伉) ，孝盧f 和0 建立函數(shù)通過回歸分析得出k k 型節(jié)點撐、弦桿s c f 的一系列的參數(shù)方程。這些參數(shù)方程可以用來計算得出k k 型復雜管節(jié)點撐桿和 弦桿處圍繞交界處的最大應力。 本文并進一步，通過圖、表形式分別分析及，) ，孝，聲f 和秒各個參數(shù)對k k 型節(jié)點在三種荷載工況下?lián)螚U和弦桿s c f 的影響和各個參數(shù)對k k 型節(jié)點與對 相同尺寸的經驗公式計算的k 型節(jié)點s c f 差距的影響。本文并計算了在三種荷 載作用下的8 0 0 個k 節(jié)點，以此與k k 節(jié)點s c f 比較，指出它們之間的差距， 天津大學碩士學位論文第一章緒論 從而進一步驗證研究復雜k k 節(jié)點的意義。 本文由于要進行上千個k k 節(jié)點的有限元分析，所以在建立模型分析時用到 了a n s y s 批處理操作，建立通過a n s y s 的命令流，用a p d l ( a n s y sp a r a m e t r i c d e s i g nl a n g u a g e ，參數(shù)化設計語言) 進行對模型的建立與運算循環(huán)操作，從而大 大節(jié)約時間。從而也為以后研究管節(jié)點s c f 進行大量有限元分析建立模型提供 參考模型。 本文對復雜k k 型管節(jié)點應力集中系數(shù)參數(shù)方程的研究對以后研究其它復雜 節(jié)點s c f 和管節(jié)點設計有一定參考價值。本文指出用于單k 節(jié)點的經驗公式并 不適用于k k 節(jié)點，為了估計管節(jié)點的疲勞壽命，用k 節(jié)點代替k k 節(jié)點是不安 全的。本文通過分析各個參數(shù)對k k 型節(jié)點s c f 與對相同尺寸的經驗公式計算 的k 型節(jié)點s c f 差距的影響，從而使我們更加了解參數(shù)的變化對k k 節(jié)點用k 節(jié)點來代替時的不安全因素的影響，為管節(jié)點的設計、校核提供指導。 天津大學碩士學位論文第二章k k 型管節(jié)點力學模型建立 第二章k k 型管節(jié)點力學模型建立 本章主要介紹k k 型管節(jié)點模型參數(shù)選取，k k 型管節(jié)點有限元模型的建立， 并以1 0 0 0 個k k 節(jié)點的s c f 計算為例，將a n s y s 中的輸入的命令流文件列出。 該命令流文件運用a p d l ( a n s y sp a r a m e t r i cd e s i g nl a n g u a g e ，參數(shù)化設計語言) ， 從而能實現(xiàn)對k k 節(jié)點循環(huán)建模和計算。 2 1k k 型管節(jié)點模型參數(shù)選取 2 1 1k k 型管節(jié)點模型及參數(shù)符號定義 本文研究的典型的k k 型復雜管節(jié)點由兩個完全相同的k 型管節(jié)組成，認為 k k 節(jié)點與k 節(jié)點有相同幾何尺寸。兩個k k 管節(jié)點撐桿平面互相垂直，k k 節(jié) 點參數(shù)符號同k 節(jié)點參數(shù)符號，如圖2 1 所示。k k 節(jié)點的幾何模型如圖2 - 2 所 示。 定義及取值：d 一撐桿直徑，d 卜一弦桿直徑，己弦桿長度，卜撐桿 壁厚，卜弦桿壁厚，廣撐桿在與弦桿相交處的間距，卜_ 撐桿中心末端 到塞板中心的長度 f l = d d ，a = 2 l d ，y = d 2 t , r = t t , 乒- g d 。彈性模量 e = 2 1 0 g p a ，泊松比v = 0 3 。在本研究中，k 節(jié)點與k k 節(jié)點的每個撐桿參數(shù)相 同，即有同樣的聲、r 、，兩個平面上的撐桿的間距g 相同。 | 生 一1 圖2 1k 型管節(jié)點的幾何參數(shù)符號 天津大學碩士學位論文 第二章k k 型管節(jié)點力學模型建立 z y x z y t 卜一 圖2 2k k 型管節(jié)點的幾何模型 2 1 2k k 型管節(jié)點模型的參數(shù)數(shù)據(jù) 為了得到參數(shù)方程，幾何節(jié)點參數(shù)取值范圍必須有一定代表性，并且適應規(guī) 范【1 8 】的要求。k k 節(jié)點在三種荷載作用下建立的s c f 參數(shù)方程的適用范圍 9 z - - a _ 18 ，3 5 0 0 5 _ 7 5 0 ，10 a _ f l ：_ 3 0 ，5 0 m m g ，0 5 0 m m d 毒_ 0 5 ，0 3 _ f l 0 6 ，0 4 r 5 0 8 ( 1 ) k k 型節(jié)點在軸向荷載下用有限元分析時在參數(shù)的變化范圍內均勻覆蓋， 參數(shù)按如下數(shù)值變化共建立3 0 0 0 個k k 節(jié)點模型。 a = 1 2 ，0 = 3 5 0 、4 5 0 、5 5 0 、6 5 0 、7 5 。，) ，= 1 0 、1 5 、1 8 7 5 、2 5 、3 0 ，孝= o 0 5 、 0 1 、0 1 5 、0 2 、0 3 、0 4 ，夕= 0 3 、0 4 、0 5 、0 6 ，r = 0 4 、0 5 、0 6 、0 7 、 o 8 ( 2 ) k k 型節(jié)點在平面內彎矩和平面外彎矩作用下用有限元分析時，參數(shù)按如 下數(shù)值變化共建立4 0 0 0 個k k 節(jié)點模型。 當僅= 1 2 ，0 = 3 5 0 、4 5 0 、5 5 0 、6 5 0 、7 5 0 ，) ，= 1 0 、1 5 、1 8 7 5 、2 5 、3 0 ，f = 0 1 、 o 2 、o 3 、o 4 、0 5 ，夕= 0 3 、0 4 、0 5 、0 6 ，r = 0 4 、0 5 、0 6 ，0 7 、0 8 建立2 5 0 0 個k k 節(jié)點模型。 當a = 9 、1 5 、1 8 ，0 = 3 5 。、4 5 。、5 5 。、6 5 。、7 5 。，) ，= 1 0 、1 5 、2 0 、2 5 、，3 0 ， 孝= 0 1 、0 2 、0 3 、0 4 、0 5 ，= 0 3 、0 4 、o 5 、0 6 ，r = 0 4 、0 5 、0 6 、0 7 、 0 8 建立1 5 0 0 個k k 節(jié)點模犁。 8 一 洳 輦 o 8 o o o ooo o o o o o o o o o o o o o o o oo i nv 、i nnd 一 h _- 一 ，一 h hn 卜o o h 崎 葛 寸n i n n也o ni n 中nni nn n o o o o o o ooo o oo 6 o o o o o o o o o o oo 、n 、nl n q n q ni n_ n o i m 、n n o o n 一 hhh h 一 hf 叫_ ，一 h_ _ n n i n 十 、 心 l nl n 卜0亂岔口寸 i n 口 i n 卜卜凸 i n 饕 i ni nl ni ni ni ni nl nni nv 1 卜卜卜卜卜卜卜卜卜卜卜卜 片i ni ni ni ni ，、l nl nt nnnl n 心口心也、o口 i ni ，1 l ni ni nt nl ni ni nl nn l n- nni ni nl nl ni ni nni n i ni nv 1i ni ni nl nv 、nnn 寸寸寸中寸寸中寸十寸寸 nl ni ni ，、i nl ni ni ni nn i n 器n nn n n n n n n n n n 心 n n 寸 心 i n n 夠 o oc , oo oo 。o 。o 。o o。o o qo o o o o o o o o o o 卜 卜 卜卜卜卜卜卜卜卜卜卜卜 o qo 。o o。o。o。o。 o 哆 嗎口心口口 o qo o o o o o o o o o o 疑 i n 乜 l nl nl ni nnl nl nni nl ni n oqoo o o o o o o o o o 十 寸 寸寸 t弋r寸寸 寸寸寸寸寸 o。o。o o。o o。o。 崢 口口心口 口心 o qo o o o o o o o o o o n i nt nl n t n l nl ni ni n t ni nl n 黿ii o c t o o o o o o o o o o o 寸 節(jié) 、中寸寸 中、中中寸寸中寸 中 oqo o o o o o o o o o o 、 1 、n n、n n n n n h n qo 。o o o o o o o o o o o v 、 叼 i ni ni n oqo o o 寸 寸 寸 中寸 o qo o o 、 1 n、f 、 帚 oqo o o r q q n n n o qo o o 一 h n n、nnn n n h j -o。o oo o oo o o o oo h i n 卜 斧 o 竺 o oi no oi noi no ol no 、 _ n n _ _ 一n nn 一 n 驀 i 忐 n 竺 n n ni ni n i n 一 小 凸凸岔凸 一 回星餐羞鏟她貳 。垃埭謎丕喉斟 墮岬妲蝴卜丑畏_n僻 曙籟燕 琳$冥截逖科議糯惻瞰樞k 瓢娶伊眨霹已g鏟g譬卜 旺世 鼴價春 睜冥最靜長曙籟籟弧娶伊嘭暈rlrg鏟星留塔求氓醛 蛭鏟 忙星卜 玨世 爵澎2 i _ n 親梏蛭鏟 犯稈 舉籟搽祗冥伊眨毫rlr星梧卜ei世輯蝗妻川掛唾鏟姐尉螢卜壬黑n文，h式懈器轄求贐h罐挺瘊似螻剃輜鏟星匿罷茛蓉琳磚氓醛忙悄倒話厘譬fl山u螺鏟狀 科裂剝輜撲r咂鏟靴副量料二躲 杈秘革粹f隧撲k轂帳 o一。 o 輦 8 o o o o o o o o oo 口口n i n h 口寸寸 n n 9 o o o o 。o o o o q q t q i nl n 一 h h h叫 q nt q 一卜岔昏 ；2 l ni ni ni n 卜t - -卜卜 抖 i nt ni nl n 嚀 口 口 咕 次 i ni nv 、v 、 t t - j ni n l n nnv 、n 寸 尊 寸寸 吣翟 i ni nl nn n n n n o 。 啦 o oo o 6o。 o o 卜卜卜卜 q。 6。o 哼 崎心 也 o o o o l n ni n 麓 qo o o o 節(jié) 寸寸 寸寸 。o 崢 口 崢 心o qo 。o o l n 托 nl n qo 。 oo 辭 寸 寸寸寸寸 o o o o 1 n 1 n n q。 o o o o 寸 寸寸寸寸 qo 。oo 贍 n 叩 n n qo o o o qn t q nn qoo o o i n nl n l n 點 o o o o 帚 o 一一 qo o o o 呂 ni ni nn o 9 o o ：= i c ；o o o o n 卜 斧 t o n o 、 2r - - i_ i qn 量 毽i i n n n n n 鞲豁蒹孤娶伊暈已g蛭鏟g蓉卜暖世赫梧暹暴話鏟她爵螢n-乙 o 鎏 o o o o o o o o o o o 2 o o o o 一 _ _h 一 中 卜。o h 寸 i n n口o t - ini n 葛 nnn o o oo o o c ；o o oo o o o n n n ml n q n i n o q n m n h h hhhhh 昀 n h 2 n nd q昏 h - _h叫 v 、i ni ，、 i n ni ，、- n 卜卜卜 t 卜卜卜 i ni ni n ：合 ni ni n 心口心 討n l n l n - nnl n i nl ni n 寸寸 十 ni ni n l ni nv 、 n n n n l ni nn i ，、t n 寸寸寸 吣 t ni ni n n n n o 。o o。o 啦 o o ooo qo o o 卜卜 卜 卜 卜 卜卜 o o oq。 o。 o 哆 心口 o o o c ： o o o 譬 i n v 、 t n 乜 i nl ni n o o oqo oo 寸寸寸 寸 寸寸 寸 o。o。o 、o心口 坦 心 o ooqo o o i nnt n nt ni n 睪 o o o qo o o 寸寸寸 寸 寸x 中寸 o o oqo o o n n n 1 、n qooo 。o o o 帚 n、n 1 nn 、 h j -o o o 。o o o h 奔 o o i n o i n o 入 i n n - _ nn nn 驀 土 毽i t l n- n。o 。o 。o 一 一一一 一 悄矧剝輜粹r蛭孥牡剝螢料t二瓣 以磐蕓撲-i娶撲k憋帳 輦 o o o oo o 寸寸0 0 h 口寸 o o o o q t qn h h q n t q 卜卜 i nl t - , j 卜卜 i ni n 口 i nv 、 v 、l n i n 中寸 吣 l ni n 、n 0 00 0 o o 卜卜 。 口口 o o 麓 ni n o o t t中 o。 心口 o o i nl n 需 o o 寸寸 oo 、 qo o 寸 寸 o o nn o o nn o o i ni n 一 o 一一 帚 o o i nl n o o ： o o 舊斧 ，h 、 鑒 nt q 寒籟巔孤冥伊嘭辜娶鏟g苔轄求暇醛忙g卜旺世熏掛鏟她爵冒星鄹丑鏟缸爵螢岬靶劃 甲n 琳 悄裂副輜撲r竽馳酬螢料二躲 杈留拿釋i巨爐k蜒k 天津大學碩士學位論文第二章k k 型管節(jié)點力學模型建立 2 2 建立k k 型管節(jié)點有限元模型 現(xiàn)研究焊接管節(jié)點交界處的應力分布的方法有多種，其中有p h o t o e l a s t i c 模 型，a c r y l i c 模型、全比例模型和縮小比例的鋼模型。因為全比例模型通常能得到 比較準確的結果，但是因為所需成本高，一是試驗建立需要大空間，另外，還需 大的加載裝置使節(jié)點破壞和精密測量設備。并且研究參數(shù)對節(jié)點s c f 分析時， 因為需建立的模型很多，需要上千個節(jié)點的模型的建立，試驗分析是很難實現(xiàn)的。 有限元軟件的應用可以對大量節(jié)點s c f 進行分析，本文正是運用有限元a n s y s 8 0 進行節(jié)點s c f 的分析計算。關于有限元方法的原理在此不再贅述。 2 2 1 前處理階段 單元類型 殼單元通常用來分析管節(jié)點應力，通常有比較高的準確性并且計算較簡單。 殼單元是基于殼理論，當殼尺寸厚度為殼整體尺寸的1 1 0 時，用二維理論來近 似三維連續(xù)體，這同樣適合于作為管節(jié)點的模型。殼單元分為薄壁殼單元和厚殼 單元。薄壁殼單元不傳遞剪應力，而厚殼單元傳遞剪應力。殼單元類型的選擇受 結構對剪力變形重要性的影響，隨著殼厚度與殼整體尺寸比例的增加，剪力變形 變得更重要。有研究指出用薄壁殼單元和厚殼單元來模擬管節(jié)點對計算結果影響 不大，因為對平臺管節(jié)點桿件厚度與直徑比很小，換句話說，管壁是薄型的。 用殼單元分析管節(jié)點應力的缺點是管節(jié)點被模擬為在桿件厚度中心平面處 相交的二維圓管，這樣焊縫不能被模擬出來，導致熱點位置同真正的鋼模型不同， 尤其對撐桿。這也是有限元分析結果和鋼模型試驗結果有差別的原因，尤其對撐 桿的差別更大一些。但是有文獻5 指出用有限元分析結果同同樣忽略焊縫應變測 量的丙烯酸模型的差別一般是比較小的，薄壁殼單元在計算管節(jié)點應力時提供在 的結果準確和運算方面很好的折衷。 本文采用a n s y s 程序，對k k 節(jié)點用彈性4 節(jié)點四邊形殼體單元s h e l l 6 3 進行計算，s h e l l 6 3 具備彎曲和膜的特性，能承受平面內和法線方向的荷載。這 個單元在節(jié)點上有六個自由度：節(jié)點x ，y ，z 方向的平動和x ，y ，z 方向的旋轉。 該單元的優(yōu)點是可處理帶厚度的殼體，與采用實體單元相比對幾何模型進行離散 時，有單元和節(jié)點數(shù)少而計算精度高的優(yōu)點，因而能節(jié)約計算時間。 天津大學碩士學位論文第二章k k 型管節(jié)點力學模型建立 2 2 2 網格產生 用有限元方法分析的主要一步是網格的生成，尤其是出現(xiàn)幾何不連續(xù)的區(qū)域 時應力在這些區(qū)域產生急劇變化，對管節(jié)點的交界處就是這樣，在撐弦桿交界 處幾何不連續(xù)。這樣節(jié)點應力梯度是不均勻分布的，圍繞交界處應力梯度很大 在遠離交界處梯度分布比較均勻。 為了使參數(shù)范圍能覆蓋海洋結構的大多數(shù)管節(jié)點，必須進行大量有限元分析。 在a n s y s 中，用a p d l 參數(shù)化設計語言) 建立的輸入文件程序，能自動建立模 型并進行網格劃分，直接進行分析。如前所述，為了獲得準確的計算結果，并避 免不必要的計算影響，必須在撐弦桿交界處產生好的較密單元，撐弦桿的末端單 元可相對粗糙。 并且，為了獲得建立最好剛度方程的條件和計算準確性單元不應該過量拉長 和扭曲。本次用到網格劃分形式是對整體節(jié)點智能網格劃分后對攆桿與弦桿的交 界線附近細化加密，這樣既可以得到較為精確的結果，又能減少單元、節(jié)點數(shù)， 并且能適應覆蓋各種不同參數(shù)的變化范圍。在這個輸入文件中，只需用戶進行少 量在絕對尺寸或非尺寸的幾何比參數(shù)上的改變。 本文采用全模型進行分析，如圖2 3 為劃分網格的全模型。 圖2 - 3 劃分時格的全模型似一1 2 ，04 5 。, y = l o ，f = 02 ，聲= o5 r - 0 4 ) 2 2 3 荷載和邊界條件 應力集中系數(shù)s c f - d 。，本文取口呻為管體表面節(jié)點的最太主應力， 以為名義應力。在軸向荷載作用下名義應力為軸向力除以槨桿的橫截面積。 在彎矩作用下的名義應力為通過簡支梁彎曲理論。為彎矩除以抗彎模量。為使后 處理簡單化，加在撐桿末端的力和彎矩都設為單位名義應力即名義應力為單位 l 時的軸向力和彎矩，分別為2 州、z ，f ，這樣所得的展大應力即為應力集中系 數(shù)。圖2 _ 4 為k k 節(jié)點的三種荷載作用方式，圖2 - 5 為k 節(jié)點的三種荷載作用方式， 正確邊界條件可使有限元分析結果接近實的管節(jié)點應力分布的各類型管節(jié) 天津大學碩士學位論文 第二章k k 型管節(jié)點力學模型建立 點弦桿兩端六個自由度( 魄、鞏、覘、鍛，鞏、如) 全部約束。 ( a ) 軸向力作用 ( b ) 平面內彎矩 ( c ) 平面外彎矩 圖2 - 4k k 節(jié)點的三種荷載作用方式 2 2 4 有限單元計算 ( a ) 軸向力作用 ( b ) 平面內彎矩 ( c ) 平面外彎矩 圖2 5k 節(jié)點的三種荷載作用方式 有限元法計算應力的原理是通過高斯點到所選單元的節(jié)點的線性插值得到 的，管體中平面在撐弦桿的交界區(qū)域的節(jié)點的最大主應力用來計算應力集中系數(shù) s c f 。因為在輸入文件中，直接將單位名義應力的載荷加在撐桿末端，從有限元 輸出文件中得到的撐弦桿交界區(qū)域的最大主應力即為應力集中系數(shù)s c f 。 天津大學碩士學位論文第二章k k 型管節(jié)點力學模型建立 a 網格的優(yōu)化選取 在參數(shù)研究分析前，為能得到較為準確的撐弦桿的應力集中系數(shù)，對網格劃 分運算結果進行比較分析，優(yōu)化選