焊接結(jié)構(gòu)作為當(dāng)前主要結(jié)構(gòu)型式之一，是風(fēng)力機(jī)結(jié)構(gòu)分析中常見分析項(xiàng)目，由于焊接接頭的固有疲勞強(qiáng)度較低，因此結(jié)構(gòu)分析中需要重點(diǎn)關(guān)注。本文以塔架門框焊縫分析為例，希望起到拋磚引玉的效果，如有疑問(wèn)或建議歡迎大家留言。
1. 術(shù)語(yǔ)
首先我們介紹下焊縫分析所涉及的常見術(shù)語(yǔ)，焊接接頭的組成如下圖所示：
另外分析過(guò)程中，我們需要明確焊縫各部分名稱的含義：
焊縫: 焊件經(jīng)焊接后所形成的結(jié)合部分。
焊趾: 焊縫表面與母材的交界處。
焊根: 焊縫背面與母材的交界處。
焊腳: 角焊縫的橫截面中，從一個(gè)焊接件上的焊趾到另一個(gè)焊件表面的最小距離。
焊縫形狀及各部分名稱如圖2圖3所示。
2. 分析方法
IIW介紹了四種方法：
名義應(yīng)力法NominalStress、
熱點(diǎn)應(yīng)力法StructuralStress、
有效缺口應(yīng)力EffectiveNotch Stress、
應(yīng)力強(qiáng)度因子StressIntensity Factors。
熱點(diǎn)應(yīng)力法適合于有限元技術(shù)的焊接結(jié)構(gòu)工程分析方法，其較好解決名義應(yīng)力法存在的局限性，又借助成熟的有限元軟件更具有操作性。由于熱點(diǎn)應(yīng)力的網(wǎng)格不敏感確定方法的提出以及設(shè)計(jì)規(guī)范中制定了較詳細(xì)的規(guī)定使得熱點(diǎn)應(yīng)力法更具有工程實(shí)際價(jià)值。GL2010 5.2.2.3中推薦熱點(diǎn)應(yīng)力法用于焊縫分析，后文將從熱點(diǎn)應(yīng)力法展開。
3. 熱點(diǎn)應(yīng)力法基本原理
3.1 熱點(diǎn)類型
IIW熱點(diǎn)法里，將熱點(diǎn)類型分為兩種：
類型a:平板面上所在焊趾；
類型b:平板邊上所在焊趾。
如下圖所示：
3.2 熱點(diǎn)應(yīng)力定義
下圖為焊趾處沿板厚方向?qū)嶋H非線性應(yīng)力分布，可分解為薄膜應(yīng)力、彎曲應(yīng)力及非線性應(yīng)力峰值。
目前熱點(diǎn)應(yīng)力普遍定義為焊趾表面薄膜應(yīng)力與彎曲應(yīng)力之和。
3.3 外推法的引出
在已知焊趾處沿板厚方向應(yīng)力分布函數(shù)的情況下，則熱點(diǎn)應(yīng)力可按下式計(jì)算:
實(shí)際中我們是不可能使用上面公式計(jì)算熱點(diǎn)應(yīng)力，由于幾何不連續(xù)，有限元模型中該部位為應(yīng)力奇異點(diǎn)，導(dǎo)致應(yīng)力分析結(jié)果對(duì)網(wǎng)格尺寸、單元類型等因素極為敏感。而外推法相對(duì)網(wǎng)格因素不敏感并且國(guó)際上不同機(jī)構(gòu)通過(guò)深入的理論和試驗(yàn)研究，已經(jīng)總結(jié)了一系列熱點(diǎn)應(yīng)力表面外推的處理規(guī)范，如IIW。實(shí)際工程應(yīng)用上IIW法預(yù)測(cè)結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果也較為一致。
外推法需要確定若干個(gè)參考點(diǎn)（通常為兩點(diǎn)線性外推或三點(diǎn)二次外推）外推出熱點(diǎn)應(yīng)力，如下圖所示
3.4 熱點(diǎn)法分析方法細(xì)化
IIW所建議的熱點(diǎn)應(yīng)力外推法
備注：w =垂直板厚+2*焊腳長(zhǎng)度，如下圖所示：
4.門框焊縫實(shí)例分析
以門框焊縫為例，首先建立門框處有限元模型，模型如下圖所示：
焊縫附近網(wǎng)格如下圖所示
對(duì)于門框焊縫分析，建模過(guò)程中，門框焊縫附近細(xì)化網(wǎng)格，我們采用網(wǎng)格尺寸為0.2t,其中t為塔壁厚度。厚度方向?yàn)?層，如下圖所示
建模時(shí)考慮焊縫輪廓：外推至焊趾處
建模時(shí)沒(méi)有考慮焊縫輪廓（推薦方法，降低建模復(fù)雜度）：外推至幾何交點(diǎn)
門框焊縫分析所需疲勞載荷
由于計(jì)算載荷-應(yīng)力轉(zhuǎn)化系數(shù)時(shí)采用的坐標(biāo)系為塔底坐標(biāo)系，而塔筒門段為非軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)并且載荷計(jì)算時(shí)未考慮實(shí)際門框的位置因此需要考慮塔筒門的不同開口方向。故考慮塔筒門在不同方向下，載荷相對(duì)塔底坐標(biāo)系Z軸旋轉(zhuǎn)多個(gè)角度，分別計(jì)算各個(gè)角度下的載荷時(shí)間歷程產(chǎn)生的焊縫損傷。
計(jì)算流程如下：
5. 計(jì)算軟件
由于載荷數(shù)據(jù)龐大、計(jì)算節(jié)點(diǎn)多導(dǎo)致疲勞計(jì)算工作量大，需要借助高性能軟件提升計(jì)算效率。我們通過(guò)采用公司自主開發(fā)的疲勞分析軟件SLife和塔架設(shè)計(jì)軟件STower，快速完成門框焊縫建模、轉(zhuǎn)化系數(shù)計(jì)算、疲勞分析一系列操作，即使是3百多個(gè)時(shí)間歷程曲線文件，也能快速得到門框焊縫在不同載荷方向下疲勞損傷。
