热点应力集中系数
船体纵骨的热点应力分析
０ 引 言
疲 劳破 坏 是船 舶 结 构 的主 要 破坏 形 式 之 一 ， 各 个 节点连 接处 是疲 劳强 度 的重要 校核 点 。 目前 ， 对
（ 常在 焊趾 附近 ） 通 的应 力 ， 多采 用 有 限元 计 算或 应
变 片实 际测量 法 求 解结 构 热 点 应力 。 目前 ， 已有 许
般 情况 下用 单元表 面最 大主 应力值计 算 热点
应 力 ６ ， 为 与裂 纹 扩 展 方 向垂 直 的 ± ５ 范 围 因 ４。
内的最大 正应力 对疲 劳裂 纹 的扩展起 关键作 用 。所
热 点应力 值和 应力集 中系数 。所谓 的热 点应力 是指
以本文运用两点线性外推法 ， 取单元表面插值点处
Ｈｏ ｐ ｔ Ｓ ｒ ｓ ａ ｙ ｉ ｆ Ｈｕ ｌＬｏ ｇ ｔ ｄ ｎａ ｓ ｔ Ｓ ｏ ｔ ｅ ｓ Ａｎ ｌ ｓｓ ｏ ｌ ｎ ｉｕ ｉ ｌ
ＧＵ ｈｆｉ Ｗ ｕ Ｊａ ｇ ｏ Ｚ ａ ｈ ｈ ｉ ｉ Ｚ ｅ ｉｎ ｕ ｈ ｎ Ｚ ｉｕ
Ｋ ｅ ｗｏ ｄ ｈ ｔｓ ｏ ｔｅ ｓ ｓｒ ｓ ｏ ｃ ｎ ｒ ｔ ｎ ｆｃ ｏ ｉ ｔ ｌｍ ｅ ｔａ ａｙ ｉ ｙ ｒ ｓ： ｏ ｐ ｔｓｒ ｓ ； ｔｅ ｓ ｃ ｎ ｅ ｔａ ｉ ａ ｔｒ；ｆ ｅ ｅ ｅ ｎ ｎ ｌ ｓｓ；ｌｎｇｔ ｄ ｎ ｌ ｏ ｎｉ ｏ ｉｕ ｉ ａｓ
焊 接接头 疲劳 强度 时 ， 以 明确地 给 出其 名义 应力 ， 难 分 析得 到的结 果分 散 性很 大 ， 很 难 给 出精 确 的 ｓ 且 — Ｎ 曲线 图 。而采 用 热 点应 力 评 定 时 ， 以对 几 类 焊 可
接节 点形 式给 出一 条 ＳＮ 曲线 ， 以一 条 ＳＮ 曲线 ． 即 — 可 以表示 不 同节点 形 式 焊趾 处 的疲 劳 强度 ， 而 可 因
基于ABAQUS的管节点应力集中系数研究
基于ABAQUS的管节点应力集中系数研究李世铭;谭越;王春升【摘要】该文基于Abaqus/Standard程序,计算得出了有限元热点应力修正系数.在此基础之上分析了K型管节点热点应力沿相贯线区域变化趋势,讨论了单元类型对于热点应力计算结果的影响以及有限元方法与SACS程序EFT经典理论的区别,分析了空间管节点不同平面杆件之间对于应力集中系数计算结果的影响.【期刊名称】《中国海洋平台》【年(卷),期】2015(030)003【总页数】6页(P95-100)【关键词】ABAQUS;应力集中系数;热点应力;疲劳设计【作者】李世铭;谭越;王春升【作者单位】中海油研究总院,北京100027;中海油研究总院,北京100027;中海油研究总院,北京100027【正文语种】中文【中图分类】P75在固定式导管架平台设计过程中，疲劳寿命一般采用S-N曲线来描述，其中S代表了节点中沿焊缝周围最大的应力幅值，而应力集中系数(SCF)直接决定了实际应力循环幅值[1,2]。
因此，将管节点应力集中现象的分析结果作为海洋平台管节点疲劳寿命估算的依据，以解决管节点的安全问题，是目前海洋平台设计需要解决的重要课题之一[2]。
目前，就导管架平台疲劳评估中应力集中系数的计算，工程设计人员普遍采用SACS软件中的Elthymiou公式[3]。
该方法根据大量有限元计算结果拟合得出了适用于T型、Y型以及K型等简单搭接关节点的方程组。
然而，对于由多个简单管节点焊接而成的复杂管节点的计算，SACS程序的做法是将其拆分为几个简单管节点分别计算SCF值之后再进行疲劳评估。
因此，该文基于Abaqus/Standard 程序，求解管节点应力集中系数，以探讨复杂管节点中不同平面的简单管节点之间对于SCF值的相互影响，为管节点疲劳设计提供参考。
1.1 验证模型计算方法有效性验证是后续工作的前提，该文参考DNV-RP-C203疲劳设计规范[4]中的试件1和试件2进行分析，试件几何模型如图1所示。
风力发电机组有限元分析
风力发电机组有限元分析(FEA)Finite Element Analysis (FEA) for wind turbines2007年7月4日4th July 2007风机的有限元分析（FEA）–越来越重要FEA for wind turbines -increasingly important仅仅是几年前，有限元分析还仅仅用于相对简单的模型的计算。
Only a few years ago, FEA was used for relatively simple models目前：Presently:•越来越多的风机部件使用有限元进行分析Increasing number wind turbine components analysed using FEA•越来越多的细节在有限元模型中的体现，例如Increasing amount of detail in FE model for instance°变接触角轴承的表示法variable-contact-angle bearing representation°部件间具有有限摩擦的接触面的表示法（法兰表面的张开和移位）representation of contact between parts with finite friction (opening/ sliding of flange surfaces)°已装配螺栓的详细表示法detailed representation of bolts in assemblies•越来越多的复杂的非线性有限元Increasing number of complex, non-linear FEAFE analysis for wind turbinesFE analysis for wind turbines风机的FEA –在设计中的位置FEA for wind turbines -place in the design processGH 有限元分析过程GH FEA process规范regulations制造限制manufacturing limits 客户经验/偏好client experience/ preference质量quality人员通过Personnel access安装/安全assembly/safety与其他部件的接口interfaces with other components材料限制material limits最优/可接受的设计Optimal /acceptable design设计性能指标Design performance indicators:成本（材料，产品，运输，操作）Cost (material, production,transport, handling)重量Weight 强度StrengthFE analysis for wind turbinesMain bearing assemblyNacelle structureRotor headNacelle extenderBlade sectionPitch bearingPitch bearing plates(on top and bottom of inner race)同一组载荷下不同设计概念的比较comparison of different concepts under identical load sets最终设计尺寸强度的详细分析detailed analysis of strength of final design geometry风机的FEA –在设计中的位置FEA for wind turbines -place in the design process风机的FEA –最新的分析技术FEA for wind turbines -state of art technology德国劳埃德船级社2003版规范GL (Germanisher Lloyd) 2003 regulations有很大一章是对有限元分析的原则性和细节的要求Extensive chapter with general and detailed FEA requirements挪威船级社（丹麦规范）DNV (Danish regulations)对有限元分析的要求很少，认证更具一般性Fewer FEA requirements, more generic in certificationGarrad Hassan的工作符合GL的要求或更进一步Garrad Hassan work to GL requirements or furtherGL 规范GL regulationsGH 分析发展GH analysis development 某个部件的有限元分析—模型和实际之间的小差距FEA for certain components –narrow gap between model and realityGL接受新的或者改进的有限元分析方法acceptance and adoption by GLof new or improved FEAFE analysis for wind turbines叶片Blade•叶片blade•叶根连接blade root connection机械部件Machinery components•轮毂hub•主轴mainshaft•轮毂主轴连接hub to mainshaft connection •锁定销locking pin•其他螺栓连接other bolted connections 机舱结构Nacelle structure•主机架/底盘main frame/ bed plate•发电机架generator frame•轴承座bearing housings塔架Tower•塔顶（包括偏航轴承的影响）tower top (including influence of yaw bearing)•通道口（门，电缆，航空灯）access openings (door, cables, aviation light)•屈曲分析（仅限于非标准门）buckling analysis (only: non-standard doors)风机的有限元分析-模型总结FEA for wind turbines -FE models summarisedFE analysis for wind turbines风机的有限元分析-模型总结FEA for wind turbines -FE models summarised叶片bladeFE analysis for wind turbinesFE analysis for wind turbines风机的有限元分析-模型总结FEA for wind turbines -FE models summarisedNLR线性非线性包括其它结构分析中的刚度影响螺栓的疲劳和极限失效，包括法兰表面的张开/滑移（所以螺栓弯曲）和变桨轴承的影响叶片叶根叶片NLR非线性关系non-linear relationshipSCFBladeblade include stiffness effects in analysis of other structureslinear blade rootfatigue and ultimate failure in bolts, including effects of opening/ sliding of flange surfaces (hence: bolt bending) and pitch bearingnon-linearNLR除了热点应力（计算应力集中系数），还需要对照设计极限应力检查绝对应力σudas well as hot spotstresses (to calculate SCF),absolute stresses are checked against the design ultimatestress, σud应力集中系数stress concentrationfactor对于非线性分析，应力范围I 近似关系适合于用于计算SCF 的载荷循环for non-linear analyses,approximate relationship for stress ranges appropriate for applied fatigue cyclesto calculate SCFFE analysis for wind turbinesyellow = normal contact (friction coefficient 0.2)red = bonded contact ÆMPC algorithm风机的有限元分析-模型总结FEA for wind turbines -FE models summarised机械部件machinery componentsFE analysis for wind turbines风机的有限元分析-模型总结FEA for wind turbines -FE models summarisedNLR非线性非线性非线性螺栓的疲劳和极限失效，包括法兰表面的张开/滑移（所以螺栓弯曲）和任意附近轴承的影响螺栓的疲劳和极限失效，包括法兰表面的张开/滑移（所以螺栓弯曲）和任意附近轴承的影响包括其它结构分析中的刚度影响和非线性接触轮毂对主轴的连接其它螺栓连接主轴成SCF 非线性非线性线性疲劳和极限破坏的应力热点，包括变桨轴承的非线性影响轴上的热点，凹槽或螺纹处的应力集中，包括轴承的非线性影响销和盘的热点轮毂主轴锁定销和锁定盘机械部件(g)pgMachinery componentshubstress hot spots for fatigue and ultimate failure, including non-linear effects of pitch bearings and bolted connectionsnon-linearSCF mainshafthot spots in shaft, stress concentrations at grooves or threads, including non-lineareffects of bearingsnon-linear SCF locking pin and disk hot spots in pin and disk linear SCF hub to mainshaft connection fatigue and ultimate failure in bolts, including effects of opening/ sliding of flange surfaces (hence: bolt bending) and any nearby bearings non-linear NLR other bolted connections fatigue and ultimate failure in bolts, including effects of opening/ sliding of flange surfaces (hence: bolt bending) and any nearby bearings non-linear NLR main bearinginclude stiffness effects and non-linear contact in analysis of other structuresnon-linear风机的有限元分析-模型总结FEA for wind turbines -FE models summarised机舱结构nacellestructureFE analysis for wind turbinesFE analysis for wind turbinesNLR/SCF SCF SCF非线性线性线性线性焊缝疲劳破坏和其它热点，包括法兰张开和偏航轴承的非线性接触焊缝的疲劳破坏模态分析包括其它结构分析中的刚度影响主机架/底盘副属机架/发电机架副属机架/发电机架轴承座机舱结构Nacelle structuremain frame/ bed platefatigue damage at welds and other hot spots, including effects of flange opening and non-linear contact in yaw bearing non-linearNLR/ SCFauxiliary frame/ generator frame fatigue damage at welds linear SCF auxiliary frame/ generator frame modal analysislinear SCF bearing housingsinclude stiffness effects of bearing housing in analysis of other structureslinearTFE analysis for wind turbines塔架tower8-point contactbearing (slewing ring)three bolted connections风机的有限元分析-模型总结FEA for wind turbines -FE models summarisedFE analysis for wind turbines风机的有限元分析-模型总结FEA for wind turbines -FE models summarisedSCF非线性非线性塔筒底部法兰焊缝的疲劳破坏，包括法兰张开的影响焊缝疲劳破坏，洞周围的应力集中，包括法兰张开的效果塔底法兰塔筒地基嵌入环线性压曲抗力系数线性特征值分析，分析方法不限，非均匀或非锥形壳屈居分析SCF非线性线性塔头法兰焊缝疲劳破坏，包括法兰张开和偏航轴承的非线性接触焊缝的疲劳破坏塔头通道口塔架Towertower top fatigue damage at top flange weld including effects of flange opening and non-linear contact in yaw bearing non-linearSCFaccess openings fatigue damage at weldslinear SCFbuckling analysis eigen-analysis of doors outside limits of analytical method, non-uniform or non-conical shellslinearlinear bucklingresistance factortower base flange fatigue damage at bottom flange weld including effects of flange openingnon-linear SCFtower foundation insert fatigue damage at welds, stress concentrations around holes including effects of flange openingnon-linearSCF有限元建模讨论FE modelling Workshop FE modelling讲到的有限元分析有：The following FEA will be presented:•塔筒底部的入口Access door in tower base•塔头法兰焊缝分析Tower top flange weld analysis•主轴分析Mainshaft analysis•轮毂和主轴之间的螺栓连接Bolted connection between hub and mainshaftFE analysis for wind turbinesFE analysis for wind turbines主要有限元目标Main FE modelling goals-重新获得焊趾位置的应力（疲劳分析）Retrieving stresses at weld toe locations (fatigue analysis)-重新获得门位置的von Mises 应力最大值（检查屈服）Retrieving the maximum von Mises stress at door location (check on yield)有限元模型细节FE model specifics-使用体单元而不是壳单元（GL 的要求）solid elements not shells (required by GL)-塔筒截段的高度最小为2.5 ×Dtower section height of minimum 2.5 ×D有限元建模塔筒入口FE modellingTower access door1/12重新获得焊趾位置的应力Retrieving stress results from the FE model at weldlocation推荐EuroCode3/ 国际焊接协会(IIW)Recommendations from EuroCode3/ International Institute of Welding (IIW)reference pointsstructural stresshot spot Fcomputed total stressF0.4*t0.4*t1*tt有限元建模塔筒入口FE modelling Tower access door2/12FE analysis for wind turbinesFE analysis for wind turbinesStep 1•在CAD (SolidWorks).软件中创建3维门模型3D door model created in CAD (SolidWorks).•在CAD 软件中创建面（用于切割焊缝位置的体）surfaces (to be used for cutting the solid at weld locations) created in CAD.•导入CAE 软件imported into CAE.切割CAD 模型中创建的面Cutting surfaces created in CAD package有限元建模塔筒入口FE modellingTower access door3/12Step 2•用导入的面切割导入的体imported solid cut using imported surfaces•创建新体new solids created•用从塔筒向外复制小面（操作后会删除）的方法切割法兰顶部区域（法兰侧焊接位置）flange top area (flange side weld locations) cut by copying small area offset from tower wall (cut areas are deleted after operation)用导入的面切割体Solid is cut by imported areas 顶部区域用复制的面切割（6个）Top area is cut bycopied areas (6 areas)有限元建模塔筒入口FE modelling Tower access door4/12FE analysis for wind turbinesFE analysis for wind turbiness w e e p m e s hStep 3用工作面切割体以便得到扫略网格The solid is also cut by the workplane to make a sweep mesh possible用水平工作面切割Cut by ‘horizontal’workplane有限元建模塔筒入口FE modellingTower access door5/12有限元建模塔筒入口FE modelling Tower access door6/12Step 41 门区域之外的主要塔筒截面是扫略得到的solid95高阶单元The main tower sections outside the door area are sweep meshed with solid95 higher order elements2 门区域截面用面单元(Mesh200)细化The door area cross section is finely meshed with surface (Mesh200) elements3 焊缝附近的位置面网格细化In the vicinity of the weld the surface mesh is refined网格细化Mesh refinementFE analysis for wind turbines有限元建模塔筒入口FE modelling Tower access door7/12Step 5门和周围直接连接的壳用扫略划分网格door and shell immediatelyaround it are sweep meshed门框架区域和塔架主体之间的壳用四面体单元直接划分shell between door frame region and main towermeshed automatically with tetrahedra15200个Solid95单元15200 Solid95 elementsFE analysis for wind turbinesFE analysis for wind turbinesX T Pointing South.Z T Vertically upwards.Y TPointing East.OriginAt each tower station.塔架载荷和挠曲的坐标系协调Co-ordinate systems for tower loads and deflections在CAD 例子中指定的轴和原点axes and origin designated in CAD,example shown here改变坐标系change system of coordinates有限元建模塔筒入口FE modellingTower access door8/12FE analysis for wind turbines对称条件Symmetry condition所有自由度约束Fixed in all DOFM y =1NmStep 6施加单位载荷Mx=1Nm 求解模型model solved with a unit load M x =1Nm应力Stress: vonMises变形比例Scale deformation =1e9有限元建模塔筒入口FE modellingTower access door9/12FE analysis for wind turbines不对称条件Asymmetry condition所有自由度约束Fixed in all DOFM z =1NmStep 7施加单位载荷M y = 1Nm 求解模型model solved with a unit load M y = 1Nm应力Stress: vonMises变形比例Scale deformation =1e9有限元建模塔筒入口FE modellingTower access door10/12FE analysis for wind turbines应力结果用沿焊缝的“移动的”随动局部坐标系Stress results are read in “moving”local coordinate system aligned with weldStep 8焊趾处的3个应力分量three stress components are read at weld toe:1.与焊趾平行的应力stress parallel with weld 2.与焊趾垂直的应力stress perpendicular with weld 3.面内剪应力in plane shear stress有限元建模塔筒入口FE modellingTower access door11/12FE analysis for wind turbinesS tre s s e s a t d o o r w e ld , o u ts id e to w e r w a llAA-6-4-2024681000.511.522.53T o w er h eig h t [m ]S t r e s s [P a ]S x_Mx S y_Mx S xy_Mx S x_My S y_My S xy_My P 1_Mx P 3_MxPosition Name Node X Pos Y Pos MaxPS_Mx Sx_Mx Sx_My Sy_Mx Sy_My [-][-][no][m][m][N/m 2][N/m 2][N/m 2][N/m 2][N/m 2]Door tower wall, outside A 137500.40 2.08-6.31-5.61-2.96-0.188.01Door tower wall, inside B 136260.37 2.19-9.22-6.08-12.04-2.93-13.92Door flange, outside C 199780.40 2.02-7.51-7.38-7.11-6.39-5.92Door flange, inside D 205820.37 2.13-8.09-6.40-8.93-5.08-7.86Base flange, outside E 623090.820.08-8.75-2.55 1.21-8.74 3.58Base flange, insideF622180.550.09-3.93-0.980.36-3.931.20Step 91计算M x 引起的主应力（PS ）Principal Stresses (PS) due to M x load calculated 2 画应力结果图Graphs plotted of stress results3 Mx 引起的主应力（PS ）的最大值决定热点max. (abs) PS due to the M x load determines hotspot position4 生成影响线矩阵Influence matrix generated有限元建模塔筒入口FE modellingTower access door12/12有限元建模塔顶法兰焊缝分析FE modelling Tower top flange weld analysis1/15Main FE modelling goal决定关联载荷和焊缝的应力（疲劳和极限分析）Determination of the relationship load and stress in weld (fatigue andextreme analysis)FE model specifics有限元模型细节-使用体单元Solid elements will be used-模型中包括部分塔架，法兰，偏航轴承Part of tower, flange, yaw bearing is modelled-非线性分析ÆNon linear analysisÆ-可能有（局部）连接的张开possible (partial) opening of connection-活动支座滚珠接触shifting bearing ball contact-变化的轴承滚珠刚度changing bearing ball stiffnessFE analysis for wind turbines有限元建模塔顶法兰焊缝分析FE modelling Tower top flange weld analysis2/15Step 1导入SolidWorks2维面模型SolidWorks2D model of areas is imported Step 2在轴承座圈位置，模型是由多线组成的面（90根线组成圆）At bearing race positions, areas formed from poly lines (90 lines forming circle) are modelled部分机舱底座part of nacelle bed plate偏航轴承yaw bearing刹车盘brake disk塔头法兰tower top flange塔筒tower sectionFE analysis for wind turbines有限元建模塔顶法兰焊缝分析FE modelling Tower top flange weld analysis3/15 Step 31 用圆来切割模型The circles are used to cut the model2 螺栓的位置需要切割（工作面切割）Cuts are made for bolt position (work plane cut)3法兰焊缝的位置需要切割（工作面切割）Cuts are made at flange weld location (work plane cut)螺栓位置bolt location多线组成的轴承座圈bearing race formed by poly lines螺栓位置bolt location焊缝位置收缩法兰weld locationnecked flangeFE analysis for wind turbinesFE analysis for wind turbinesStep 41 用表面单元划分面的网格areas meshed with surface elements 2 焊缝位置网格细化（关心的区域）mesh refined in weld area (area of interest)网格细化M e sh r e fin e m e nt有限元建模塔顶法兰焊缝分析FE modellingTower top flange weld analysis4/15有限元建模塔顶法兰焊缝分析FE modelling Tower top flange weld analysis5/15Step 5网格沿轴向旋转mesh rotated around axis28000个Solid45 单元28000 Solid45 elementsFE analysis for wind turbinesFE analysis for wind turbinesd ir e cti o n o f i n i t i a l c on t a c td ir e c t i o n o f i n i t i a lc o n t a c t 使用Li n k 10单元的初始应变特性表示间隙R e p r e s e n t a t i o n o f g a p m o d e l l e d u s i n g i n i t i a l s t r ai n p r o p e r t y o fL I N K 10 e le m e nt sStep 7用Link10单元（单元仅受压）表示轴承滚珠Link10 (compression only elements) are modelled to represent the bearing balls有限元建模塔顶法兰焊缝分析FE modellingTower top flange weld analysis6/15FE analysis for wind turbinesStep 8用Beam 4单元表示螺栓Beam 4 elements are modelled to represent the boltsStep 91 模型中包括接触Contact is modelled2 模型中包括“载荷伞”Load umbrella is modelled塔头=载荷施加Tower top =load applicationcontact有限元建模塔顶法兰焊缝分析FE modellingTower top flange weld analysis7/15FE analysis for wind turbinesStep 10载荷步1：通过给螺栓设置温度（收缩梁）实现螺栓预加载Load step 1: Bolt preload step is solved by applying temperature on bolts (contracting beams)结果显示：仅螺栓预载荷(M z =0kNm)Results shown: Only bolt pre load (M z =0kNm)变形比例= 500Scale deformation = 500有限元建模塔顶法兰焊缝分析FE modellingTower top flange weld analysis8/15Step 11载荷步3：分5个子步施加实际Mz弯矩(7000kNm)求解模型Load step 3: Model is solved with realistic Mz moment (7000kNm) in 5 sub steps结果显示：Mz =7000kNmResults shown: Mz =7000kNm变形比例= 100Scale deformation = 100失去接触Loss of contact有限元建模塔顶法兰焊缝分析FE modelling Tower top flange weld analysis9/15FE analysis for wind turbinesFE analysis for wind turbines受压侧Compression side M z =7000kNm Sy stress 受拉侧Tensile side M z =7000kNm Sy stressLoc1Loc2焊趾位置应力最大weld toe location highest stressed有限元建模塔顶法兰焊缝分析FE modellingTower top flange weld analysis10/15FE analysis for wind turbinesNLR between stress and moment at 4 tower top locations-150.00-100.00-50.000.0050.00100.00150.00200.00-8000000-6000000-4000000-20000002000000400000060000008000000moment [Nm]S t r e s s [M P a ]Outside 1Inside 1Outside 2Inside 2-螺栓应力和弯矩的非线性关系Non linear relationship bolt stress and applied moment -M y ,hub 或M z ,hub 载荷时程（旋转坐标系）Load time history M y ,hub or M z ,hub (rotating coordinate sys.)Step 11生成应力/ Nm 焊趾非线性影响关系non linear influence relationship weld toe stress / Nm is generated螺栓应力时程（使用Bladed ）bolt stress time history (using Bladed)极限螺栓应力extreme bolt stress寿命周期内疲劳损伤lifetime fatigue damage有限元建模塔顶法兰焊缝分析FE modellingTower top flange weld analysis11/15FE analysis for wind turbinesR e s u lt a n t c o n t a c t a n g le-80.00-60.00-40.00-20.000.0020.0040.0060.0080.0020406080100120140160180200R a d ia l p o s it io n [d e g ]C o n t a c t a n g l e [d e g ]T e n s i le s i d eC o m p r e s s i o n s i d e对于每一个载荷步，可以计算得到合成的接触角For each load step, a resultant contact angle can be calculated接触结果与前面使用固定45度接触角建模时得到的结果十分不同Æ对焊缝位置应力结果影响很大（大概减少20%）Contact results are very different compared to previous modelling with a fixed contact angle of 45 degrees Ælarge influence on stress results weld location (around 20%reduction)Loc1, 受拉侧tensile side Loc2, 受压侧compression side有限元建模塔顶法兰焊缝分析FE modellingTower top flange weld analysis12/15FE analysis for wind turbines检查轴承滚珠接触Check on realism of bearing ball contact轴承面外所有自由度完全约束Outside bearing areais fully constraint in all DOF刚度很高的载荷伞Very stiff load umbrellaF radial = 8000 kN对称条件Symmetry conditions有限元建模塔顶法兰焊缝分析FE modellingTower top flange weld analysis13/15FE analysis for wind turbines无量纲力无量纲位移有限元建模塔顶法兰焊缝分析FE modellingTower top flange weld analysis14/15FE analysis for wind turbines8点接触轴承（回转支承）8-point contactbearing (slewing ring)3个螺栓连接three bolted connections有限元建模塔顶法兰焊缝分析FE modellingTower top flange weld analysis15/15有限元建模主轴FE modelling Mainshaft 1/11主要有限元建模目的Main FE modelling goal指定主轴表面“热点”的位置Allocate hotspot locations on shaft surface产生“热点”周围的影响线矩阵Produce influence matrix for all the foundhotspots有限元模型细节FE model specifics-静态分析（“热点”分析）Static analysis (hotspot analysis)-使用体单元Solid elements will be applied-模型中包括部分轮毂Part of hub is modelled-模型中包括轴承状态（双球滚子形式）Bearing behaviour (double spherical rollerlay-out) is modelledFE analysis for wind turbinesStep 1主轴的SolidWorks3维模型，轮毂和内轴承座圈很重要SolidWorks3D model of mainshaft, hub and inner bearing races is imported Step 2体模型被切开，沿主轴轴向的截面和部分轮毂被留下Solid model is cut and cross section over the length of the shaft and part of hub is left有限元建模主轴FE modelling Mainshaft2/11FE analysis for wind turbinesFE analysis for wind turbinesStep 3Mesh200单元划分面的网格area meshed with Mesh200 elementsStep 4在关键区域首次细化网格initial mesh refined in critical areasStep 5在关键区域二次细化网格（轮毂侧和齿轮箱侧轴承位置）second mesh refined in critical areas (hub side and gearbox side bearings positions)网格细化1Mesh refinement 1网格细化2Mesh refinement 2有限元建模主轴FE modellingMainshaft3/11有限元建模主轴FE modelling Mainshaft4/11 Step 6面网格绕主轴轴线旋转生成solid 95（高阶）体单元模型area mesh revolved around shaft axis to generate asolid model with solid 95 (higher order) elements36200个Solid95单元36200 Solid95 elementsFE analysis for wind turbines有限元建模主轴FE modelling Mainshaft5/11 Step 6用非常细（没有刚度）的shell 93单元划分体模型网格The solid model is meshed with very thin (nostiffness) shell 93 elements.这些单元会在后处理中用于获取模型表面的应力These elements will be used in the postprocessing phase to extract stresses from thesurface of the model6200个shell 93 单元6200 Shell93 elementsFE analysis for wind turbinesFE analysis for wind turbinesStep 7用非线性Link10单元的“蛛网”表示轴承滚子（刚度建模）Spider webs of non linear Link10 elements are modelled to represent the bearing rollers (stiffness is modelled)Link10单元仅用于承受拉伸载荷的建模The Link10 elements are modelled only to take loading under tensile432个非线性Link10单元（仅受拉伸）432 non linear Link10 elements (tensile only option)轴承中心位置的中心节点Central node at bearing centre position把Link 单元连接到内轴承座圈的外表面Link elements are connected to the outside surface of the inner bearing race有限元建模主轴FE modellingMainshaft6/11FE analysis for wind turbinesStep 81 载荷施加点和“载荷伞”建模1 Load application node and load umbrella is modelled2 齿轮箱安装刚度建模（具有恰当刚度的梁单元）2 Gearbox mounting stiffness is modelled (Beam elements with correct stiffness)3 施加边界条件3 Boundary conditions are applied边界条件Boundary conditions齿轮箱安装刚度Gearbox mounting stiffness施加齿轮箱重量Gearbox weight application施加载荷Load application边界条件Boundary conditions有限元建模主轴FE modellingMainshaft7/11FE analysis for wind turbinesStep 9模型上施加了下列载荷：The following loads have been applied to the model 11个单位载荷：11 unit loads:+F x , -F x , +F y , -F y , +F z , -F z +M x , +M y , -M y , +M z , -M z4个变速箱载荷（实际重力载荷）：4 Gearbox loads (real gravity loads):+F y , -F y , +F z , -F zShell 93 单元M y = 1NmvonMises 应力Solid 95 单元M y = 1NmvonMises 应力Shell 93 elements M y = 1NmStress=vonMisesSolid 95 elements M y = 1NmStress=vonMises有限元建模主轴FE modellingMainshaft8/11。
基于APDL的ANSYS网格划分及应用
刘丽贤，马国鹭，赵登峰：基于ＡＰＤＬ的ＡＮＳＹＳ网格划分及应用拳ＤＩＭ，ＬＡ，ＡＲＲＡＹ，８，５１将实体所属线号放入ＬＡ二维数组中’ｋＳＥＴ，ＬＡ（１，１），１５，１６，４，３，１９，５４，２４，５２１给二维ＬＡ数组赋值水ＳＥＴ，ＬＡ（１，５），２，１，５，６，１２，８，７，１１木ＤＩＭ，ＬＢ，ＡＲＲＡＹ，５１将对不同线段划分的段数放入ＬＢ一维数组中ＬＢ（１）＝２０，３０，１０，２０，４０堆ＤＯ，ＡＢ，ｌ，５１用双重循环按照设定的段数划分实体所属线木ＤＯ，Ｃ。
１，８ＬＥＳＩＺＥ，ＬＡ（Ｃ，ＡＢ），，，ＬＢ（ＡＢ），，，，，ｌ！调用线号数组ＬＡ并通过调用段数数组ＬＢ对其设置划分的段数拳ＥＮＤＤＯ！结束嵌套循环木ＥＮＤＤＯ！结束外部循环木ＤＩＭ，ＬＤ，ＡＲＲＡＹ，９，２ＬＤ（１，１）＝１，１３，２４，４，９，７，１６，１０，１４１将要被划分网格的实体编号按照一定顺序放入二维数组ＬＤ中ＬＤ（１，２）＝２，２６，２１，２７，２５，２３，２２，１５，１７，ｋＤＯ，ＬＬＤ，ｌ，２１用双重循环划分实体ＭＡＴ．ＬＩＤ！给被划分的实体赋材料属性ＲＥＡＬ。
ＬＥＤ！给被划分的实体赋实常数ＭＳＨＡＰＥ．０．２ＤＭＳＨＫＥＹ，１，ＩｃＤＯ。
Ｕ正，１，９ＡＳＥＬ，Ｓ，ＬＤ（ＬＬＥ，ＬＥＤ）！调用ＬＤ数组选中将被划分的实体ＡＭＥＳＨ，ＬＤ（ＵＪＥ，ＬＬＤ）！调用ＬＤ数组选中划分的实体宰ＥＮＤＤＯ！结束嵌套循环木ＥＮＤＤＯ！结束外部循环以上是对该型电视机的ＣＲＴ网格划分的命令流，以相同方式划分电视机壳体肋板和前后外壳等部件。
ＡＰＤＬ划分网格ｂ自由划分ｆ。
ｇ梧图２实体模型网格划分图２是用ＡＰＤＬ通过以上方式和自由划分网格对长虹ＳＦ２１３６６型电视机的实体模型的网格划分。
由单元信息表１可反映出通过ＡＰＤＬ划分的电视机有限元模型的网格质量较好。
表１单元信息对比表３结论ＡＮＳＹＳ软件经过几十年的发展，日趋成熟。
它不但具有良好的数据库管理和强大的前后处理功能，而且还时刻追踪先进的计算方法和计算机技术，不断提高分析精度和扩展自身的开放性，并提供良好的二次开发功能。
焊接结构的疲劳评定方法
焊接结构的疲劳评定方法张彦华;刘娟;杜子瑞;陶博浩【摘要】焊接结构的疲劳强度是焊接结构完整性的重要保证.焊接结构的疲劳强度取决于整体结构构造及接头特征等因素,焊接结构的疲劳评定需要考虑焊接接头类型及局部力学行为等不同结构层次的作用.目前已发展了名义应力评定方法、结构应力评定方法、局部应力应变评定方法和断裂力学评定方法.【期刊名称】《航空制造技术》【年(卷),期】2016(000)011【总页数】6页(P51-56)【关键词】焊接结构;疲劳强度;疲劳评定方法【作者】张彦华;刘娟;杜子瑞;陶博浩【作者单位】北京航空航天大学机械工程及自动化学院,北京100191;北京航空航天大学机械工程及自动化学院,北京100191;北京航空航天大学机械工程及自动化学院,北京100191;北京航空航天大学机械工程及自动化学院,北京100191【正文语种】中文焊接结构的疲劳往往起源于焊接接头细节局部应力应变集中区域裂纹萌生和扩展。
其中焊接接头细节疲劳裂纹的萌生由焊趾（或焊根等）应力集中区的局部应力应变状态所决定，而疲劳裂纹扩展则与裂纹（包括缺口效应在内）的局部应力强度因子相关，即局部应力强度因子是焊接接头区疲劳裂纹扩展的主要控制参量。
因此，焊接结构和焊接接头的疲劳强度评定需要从不同层次结构尺度进行分析。
目前，焊接结构或焊接接头疲劳强度的工程评定已发展了几种层次结构尺度的方法[1-3]，主要有名义应力评定方法、结构应力评定方法、局部应力应变评定方法和断裂力学评定方法。
比较而言，名义应力评定方法又称为“整体法”，局部应力应变和断裂力学评定方法称为“局部法”，结构应力评定方法是整体法与局部法之间的过渡。
本文综合介绍了这几种方法在焊接结构疲劳评定中的应用。
名义应力评定方法已有的研究表明，影响焊接接头疲劳强度的主要因素是应力范围和结构构造细节，其次是材料性质和焊接质量，而载荷循环特性的影响相对较小[4]。
因此，以名义应力为基础的焊接结构疲劳设计规范通常是基于应力范围和结构细节分类进行疲劳强度设计[5]，焊接结构设计疲劳载荷应力范围ΔσD不得超过特定结构细节规定的疲劳许用应力范围[ΔS]，即焊接构件的疲劳许用应力范围是根据疲劳强度的试验结果，在考虑一定的安全系数的情况下确定的。
桥式起重机主梁端部优化方法研究
机 械 设 计 与 制 造
Ｍａ ｃ ｈ ｉ ｎ ｅ ｒ ｙ Ｄｅ ｓ ｉ ｇ ｎ ＆ Ｍａ ｎ ｕ ｆ ａ ｃ ｔ ｕ ｒ ｅ １ ０ ７
２ ０ １ ４年 ３月
桥 式起 重机 主 梁端部优 化 方 法研 究
张 正本 ， 唐秋 华 ， 魏 国前
（ 武汉科技大学 机械 自动化学院 ， 湖北 武汉 ４ ３ ０ ０ ８ １ ）
摘
要： 在桥 式起重机金 属结构的定期检 查中， 经常在主 梁端部过渡 圆弧 区域的焊缝位置发现裂纹 ， 故在主 梁的轻量化
设计 中需要考虑这一部位的疲劳特性 。 提 出了一种基 于热点应力评定主粱端部过渡圆弧 区域疲 劳特性的优化设计方法， 通过有限元仿真计算获得 了相应的热点应力集中系数表达式。以结构质量最小为设计 目标 ， 在静 强度 、 静刚度 、 稳 定性等
常规约束基础上 ， 加入 了主梁端部 圆弧 区段疲 劳强度的约束， 建立了箱形主梁结构的优化模型。基 于 Ｍａ ｔ ｌ ａ ｂ的比较 实验
证 明， 在轻量化优化设计 中综合考虑端部疲 劳特性 ， 其 结果具有更 高的可靠性。
关键词 ： 桥式起重机 ； 箱形主梁 ； 热点应力； 应力集中系数 ； 优化设计 中图分类号 ： Ｔ Ｈ１ ６ ； Ｔ Ｈ１ ２ ； Ｔ Ｆ ３ ４ １ ． ４ 文献标识码 ： Ａ 文章编 号： １ ０ ０ １ — ３ ９ ９ ７ （ ２ ０ １ ４ ） ０ ３ — ０ １ ０ ７ — ０ ３
（ Ｃ ｏ ｌ ｌ ｅ ｇ ｅ ｏ ｆ Ｍａ ｃ ｈ ｉ ｎ ｅ ｒ ｙ ａ ｎ ｄ Ａ ｕ ｔ ｏ ｍａ ｔ ｉ ｏ ｎ ， Ｗｕ ｈ ａ ｎ Ｕ ｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｙ ｏ ｆ Ｓ ｃ ｉ ｅ ｎ ｃ ｅ ａ ｎ ｄ Ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ ， Ｈ ｕ ｂ ｅ ｉ Ｗｕ ｈ ａ ｎ ４ ３ ０ ０ ８ １ ， Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ）
正交异性钢桥面板疲劳易损区应力分析
正交异性钢桥面板疲劳易损区应力分析石鹏;程斌【摘要】盖板－U肋－横隔板三向连接节点是正交异性钢桥面板中最容易发生疲劳开裂的部位。
采用ABAQUS软件建立了四跨连续正交异性钢桥面板结构的实体与板壳混合有限元模型。
利用AASHTO标准疲劳车开展静力响应分析。
发现最外侧U肋处的连接节点应力集中最为明显。
在此基础上开展在单轮和横向双轮作用下各关键位置正应力的纵、横向影响线分析，并最终得到了后轴四轮同时作用的最不利荷载位置。
进一步基于外推法对各疲劳易损区焊趾处的热点应力进行计算和分析，得到了相应的应力集中系数。
结果表明：U肋外推区的应力分布比较符合线性外推准则，但横隔板外推区的应力呈现明显的非线性变化，建议采用二次外推方法。
%The deck to rib connections at diaphragm have been considered as the locations most prone to fatigue cracking in orthotropic steel bridge decks.A combined shell-solid element model of four-span orthotropic steel deck was firstly established by using ABAQUS software, and the standard fatigue loading vehicle as provided in AASHTO specification was employed for the analysis.The longitudinal and transversal influence lines for the stresses at criti-cal spots near the most outside rib, where stress concentrations appear to be the most significant, are obtained, re-spectively for the cases of single tire print and double tireprints.Furthermore, the hot spot stresses as well as stress concentration factors ( SCFs) at weld toes were calculated by using the extrapolation method.Results show that lin-ear distribution of stresses are real in the extrapolation zones of ribs, while quadratic extrapolation method issugges-ted for the diaphragm due to signification non-linear stress variations in the extrapolation zones.【期刊名称】《科学技术与工程》【年(卷),期】2016(000)005【总页数】7页(P104-109,115)【关键词】正交异性钢桥面板;疲劳易损区;影响线;热点应力;有限元分析【作者】石鹏;程斌【作者单位】上海交通大学土木工程系，上海200240;上海交通大学土木工程系，上海200240【正文语种】中文【中图分类】U441.4正交异性钢桥面板由相互垂直的纵肋、横隔板和桥面板焊接而成，具有自重轻、承载力大、抗震性能好、施工周期短等优点[1，2]，广泛应用于大跨度桥梁结构中。
海洋工程结构物疲劳强度评估指南
第1节 第2节 第3节 第4节 第5节
概述 ................................................................................................................... 1 定义 ................................................................................................................... 1 S-N 曲线方法 ...................................................................................................2 断裂力学方法 ................................................................................................... 3 结构节点类型 ................................................................................................... 3
第 4 章 疲劳安全系数 .............................................................................................33
第 1 节 一般规定.........................................................................................................33
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热点应力集中系数（Hot-Spot Stress Concentration Factor，简称HSSCF）是一个用于评估结构应力集中程度的参数，尤其在焊接结构中具有重要的应用价值。
由于焊接结构中的焊接接头区域常存在较大的应力集中，而热点应力集中系数正是用于量化这种应力集中程度的指标。
具体来说，热点应力集中系数是通过比较焊接接头区域的热点应力（Hot-Spot Stress）与远离焊接区的名义应力（Nominal Stress）来计算的。
热点应力是指在焊接接头区域的最高应力，而名义应力则是整个结构或材料承受的平均应力。
通过计算这两个应力的比值，可以得到热点应力集中系数。
这个系数的值大于1，表示焊接接头区域存在应力集中现象。
系数的具体数值反映了应力集中的程度，数值越大，表示应力集中越严重。
因此，在焊接结构的设计和评估中，热点应力集中系数是一个非常重要的参数。
需要注意的是，热点应力集中系数的计算需要考虑多种因素，包括焊接接头的几何形状、材料的力学性能、焊接工艺等。
此外，为了得到准确的计算结果，还需要采用适当的分析方法和计算模型。
总的来说，热点应力集中系数是评估焊接结构应力集中程度的重要工具，对于确保结构的安全性和可靠性具有重要意义。