国际焊接工程师结构复习课件

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1、焊接结构及设计复习提纲,前言 结构设计基础部分 焊接结构设计,结构设计基础部分 安全校核(强度校核、稳定性校核、刚度校核) Sd 作用力(结构设计基础、强度理论基础) Rd 抵抗力(强度理论基础),1、例 材料:S235,问题1:简支梁的结构构成? 由杆件(承受弯矩)、和支座(将载荷传递到地基) 组成。 支座包括: 固定支座(提供两个支座反力)应用在此结构 活动支座(提供一个支座反力)应用在此结构 紧固支座(提供三个支座反力)未应用,问题2:此结构体系是否属于静定系统? n=a+z-3s3+0-310静定系统,问题3:简支梁受哪几种内力作用?如何分布? 内力是指物体内部各质点之间的相互作用,物

2、体不受 外力时,其内部各质点之间也存在内力,它使质点间 相对位置保持不变。当物体受外力作用而发生变形 时,物体所受内力发生变化,产生了“附加内力”,称 为内力。,内力包括: 水平方向力 N(物体水平方向所受内力) 构件不承受 垂直方向力 V(物体垂直方向所受内力) 构件承受 弯 矩 M(物体所受力矩) 构件承受,其分布趋势见上图,计算过程如下: Av支座A的垂直方向支座反力 Bv支座B的垂直方向支座反力 AH支座A的水平方向支座反力 MA力矩 1)FdQl292.582340kN,2) 支座反力计算: 平衡条件(H=0, V=0,M=0),3) 内力计算: 平衡条件(H=0, V=0,M=0)

3、 水平方向力 N,垂直方向力 V 横向内力V(Q)的确定,设A,B点之间任取一点 距A点为x,弯 矩 M 截面弯矩M的确定,设A,B之间任取一点至A点距离 为x:,问题4:计算梁的截面参量惯性距Iy和翼板截面参量静距Sy? Iy惯性矩cm4(弯曲和剪切引起的应力,弯曲所产生的变形) Sy 静矩cm3 (剪切时的应力),问题5:简支梁受哪几种应力作用?在截面上如何分 布? 应力=力/受力面积 正应力(作用力垂直作用到横截面积上) 剪应力(作用力平行作用到横截面积上),问题6:简支梁所使用材料的许用应力? 为了使建筑物不致在应力达到屈服极限时出现变形 现象,许用应力是根据材料S235屈服极限而不是

4、根 据断裂极限来进行保障。,问题7:简支梁所使用材料的强度和延伸率是如何确 定的? 材料特征值用来表示材料的性能,也用来说明在载荷 作用下所能达到的结构关系。 在拉伸试验中,如果把应力和由应力引起的应变表示 在一个坐标系中,就会产生一个应力应变图,该图 描绘了变形的特征。,问题8:确定简支梁所使用材料的屈强比?有何意 义? 屈强比较大表示可节约材料,屈强比较大表示可提 高安全性,问题9:梁的截面如果选择箱型截面,会提高哪方面 的能力? 梁的截面如果选择箱型截面可提高梁的抗扭曲能力。 扭曲是构件横截面在扭矩(当作用力偏离剪力中心 时),则将产生扭矩的作用下相对轴线而产生的转动 变形,如果载荷通过

5、剪切中心构件上不产生扭曲。,Am是箱形梁的剪力作用的面积,即图中阴影线部分,问题10:说明焊缝标识的意义(ISO2553)?,焊缝为双面角焊缝,焊缝厚度为6mm,焊接位置为箭头所指位置。,问题11:此梁的焊接接头是哪一种? 焊接接头是把零件或部件用焊接的方法相互连接起来 的区域,接头的种类是通过零部件在结构设计上相互 配置的情况而确定的。 焊接工字梁为T型接头。,问题12:选用哪一种角焊缝?有何特点? 选用平面角焊缝,施工中认为这种焊缝形状是最经济 的,因为它不存在多余的焊缝体积。尽管存在小的外 部缺口效应,但在主要承受静载荷的构件上仍可使用 这种焊缝形状。,另: 凸面角焊缝一般应被避免。它是

6、不经济的并且具有最 大的缺口效应。仅在角接焊缝时使用这种焊缝形状, 甚至认为是有利的。 凹面角焊缝的焊缝体积大于平角焊缝的焊缝体积。凹 形角焊缝具有最小的外部缺口效应,因此优先用于承 受动载的构件中。它们多半只能在船形位置焊接时得 到。 不等腰焊缝常用于端面焊缝的焊接,目的是减少缺口 效应(应力集中)。,问题13:焊缝可能受哪几种应力?此焊缝受那种应 力? (垂直正应力) (平行正应力) (垂直剪应力) (平行剪应力)焊缝承受,问题14:确定角焊缝的焊缝厚度?有哪些限定条件(按DIN18800-1)? DIN18800T1钢结构 min a =2.0,问题14:确定焊缝的极限应力(按DIN18

7、800-1),它受哪些因素影响? 影响焊接接头应力极限的因素有: 材料的连接强度 载荷种类 焊缝形式 焊缝质量 结构中焊缝的位置,问题15:校核角焊缝的强度(按DIN18800-1)?,焊接结构设计 2、不同载荷下的焊接结构 不同载荷条件下的破坏形式 在静载及主要承受静载的状态下,将导致:形 变断裂、脆性断裂、层状撕裂和失稳破坏。 在热负荷状态下,将导致:低温的影响脆性 断裂,高温的影响屈服极限的高温失效及蠕变失 效。 在动载荷状态下,将导致:疲劳断裂。,层状撕裂的产生和防止 应用低硫含量和/或高ED(板材厚度方向的断面收缩率)值的材料。, 设计及生产技术方面:尽可能避免厚度方向上 由于焊接残

8、余应力引起的应力或者把它降至很低。 作用于收缩方向上的焊缝厚度aD尽可能低 焊缝连接基础应尽可能大 焊道数应少 焊道次数应考虑局部缓冲 尽可能选择对称焊缝形式和对称焊接顺序 尽可能使用轧制产品所有层次与焊缝连接 通过连接范围的缓冲减少层状撕裂倾向 予热(100),3、主静载焊接结构 钢结构特点 钢材强度高,塑性、韧性较好;重量轻;材质 均匀和力学计算的假定比较符合;制作简便,施工工 期短;密闭性好;耐蚀性差;耐热不耐火;低温和其 它条件下,可能发生脆断。,构件结构设计要求(受压条件下的失稳、桁架梁和实 壁梁) 受压构件的弯曲失稳 轴心受力构件(轴心受力构件的常用截面形式可 分为实腹式和格构式两

9、大类) 受弯构件(实腹式受弯构件梁、格构式受弯构件 桁架梁、梁的局部稳定和腹板加劲肋设计),构件结构设计要求(受压条件下的失稳、桁架梁和 实壁梁) 受压构件的弯曲失稳 轴心受力构件(轴心受力构件的常用截面形式 可分为实腹式和格构式两大类) 受弯构件(实腹式受弯构件梁、格构式受弯构 件桁架梁、梁的局部稳定和腹板加劲肋设计),按DIN18800-1钢制构件的限定和结构基础 钢材种类 钢材选择和证书 冷变形区域的焊接 焊接填充材料及辅助材料,焊接的实壁梁 使用轧制型材可以很方便地改变实壁梁的高度, 只需改变腹板的高度,可增大该处的惯性矩,并减小 支座,但应注意在支承处验证其抗剪能力。 在弯矩和剪力的

10、作用下,需对受弯梁进行局部加 强。在L0长度区域内进行加强后,增大在该区域内的 惯性矩,提高承载能力。,实壁梁加强板的配置及翼板加强时端部的焊接接头 由腹板及加强板组成的区域称作翘曲区,为提 高梁的稳定性及承受弯曲和剪应力的能力,需对梁 进行刚度加强,即:横向加强和纵向加强。,桁架梁 桁架梁的优点是,每个杆件的材料性能均可得到 充分利用。从焊接观点来说,每个杆件的截面形状选 择以及节点的结构形式设计非常重要。 杆件的截面形状可根据不同的条件进行选择,并 有不同的方案(合理的焊接方案、合理的制作方案、 防腐技术方案) 焊接节点,型材的选择 闭式型材:封闭式结构的优点是可充分利用其 截面面积,并可

11、将顶部承受的压应力传递到基础 上,但却增加了受弯梁的连接困难,并将导致局部 过载。 开式型材:开式结构不能充分利用其截面面 积,但却不存在受弯梁的连接困难,因此在工程结 构上经常采用。,钢质量组别的选择 应力状态 构件的重要性 温度 构件厚度,框架转角结构 角平分线上受载时的应力分布(应力分布不是 直线而是双曲线;在直角截面上,平面交界处的拉 应力,在转角凸出处上的分布一直为零;尖锐的转 角凹进处,压应力在理论上上升到无穷大)。,框架转角结构设计准则 选R/h1 内翼板的强度要高于外翼板 框架转角区域的腹板加强 对于径向力,采取通过径向的调整加强,同时增加板厚等措施,提高稳定性 腹板和翼板之间

12、的颈部焊缝测定为双轴应力状态,4、动载焊接结构(断裂力学) 脆性断裂的产生原因及特点 名义工作应力低;断裂之前无明显塑性变形,突发断裂;低应力脆性破坏多发生在低温阴冷的时刻。 发生低应力脆性断裂的结构内,多半存在着较大的内应力,有较高的内能;发生低应力脆性断裂的结构上,必有裂源或应力集中点存在;脆性断裂对缺陷和应力集中很敏感。 拉应力是裂纹产生和扩展的动力,拉应力及缺陷的大小直接影响裂纹萌生和扩展的速度;阻止裂纹扩展的主要因素是压应力和材料的塑性变形。, 内因,即结构抗力是预防脆性断裂的根基;外因,即载荷性质、加载速率、环境因素等,是发生脆性断裂的条件,须同时兼顾,方能避免脆断灾害的发生! 预

13、防脆性断裂的措施(正确选择材料、正确设计合理、安排结构制造工艺、正确使用,精心维护),断裂力学的应用 断裂力学的在于研究宏观裂纹在什么条件下,才 会导致失稳扩展,引发脆性断裂;建立裂纹尺寸与破 坏应力之间的关系。这对结构安全设计、合理选材、 改进材质和施工工艺,以及制定裂纹体力学的概念标 准等都有重要意义。,线弹性断裂力学 应力强度因子它反映材料抵抗脆性断裂,或裂纹失稳扩展的能力。 平面应变条件下,材料抵抗脆性断裂的判据是:,非线性(弹塑性)断裂力学 用裂纹尖端张开位移(COD)和形变功率(J积分)等来描述大范围屈服裂纹尖端的力学状态。,疲劳断裂的产生原因及特点 脆性破坏与疲劳破坏的相同点(都

14、属于低应力破坏;破坏之前,结构都没有明显的征兆或外观变形,突发性强,令人促不及防;都对应力集中很敏感 起裂位置多半都存在原始缺陷,或起裂于应力集中点) 脆性破坏与疲劳破坏的相同点与不同点(载荷性质不同、对温度敏感性 、受载次数多少、断裂经历时间、断裂经历过程、断裂机理机制、宏观断口形貌、微观断口形貌),按滚盘滚动与馈电方式分,缝焊可分为连续缝焊、断续缝焊和步进缝焊。 连续缝焊时,滚盘连续转动,电流不断通过工件。这种方法易使工件表面过热,电极磨损严重,因而很少使用。 断续缝焊时,滚盘连续转动,电流断续通过工件,形成的焊缝由彼此搭迭的熔核组成。由于电流断续通过,在休止时间内,滚盘和工件得以冷却,因

15、而可以提高滚盘寿命、减小热影响区宽度和工件变形,获得较优的焊接质量。 步进缝焊时,滚盘断续转动,电流在工件不动时通过工件,由于金属的熔化和结晶均在滚盘不动时进行,改善了散热和压固条件,因而可以更有效地提高焊接质量,延长滚盘寿命。,缝焊的种类,疲劳强度的基本概念,影响焊接接头疲劳强度的因素 疲劳载荷的性质和大小;腐蚀介质会加速疲劳裂纹的萌生和扩展速率,降低疲劳寿命 结构构造刚柔相济的程度;结构上,特别是接头上的各种应力集中现象;材质的纯度与材料的塑性和韧度;结构残余拉应力,提高焊接结构疲劳强度的工艺 结构中的应力集中是降低焊接结构疲劳强度的最主要因素。预防、减小应力集中的工作,应该贯穿于产品设计

16、、制造和使用的整个过程当中。 设计措施 工艺措施 使用中的维护措施,焊接结构疲劳强度设计的一般原则 考虑实用性,进行功能设计;进行方案设计; 进行具体的施工图设计 设计动载焊接结构必须特别强调两点:动载对 应力集中非常敏感;焊接接头属于刚性连接形式,对 应力集中也比较敏感。而且“焊接结构”难免有焊接残 余应力、变形、焊接缺陷等,有应力集中现象。,5、焊接压力装置的制作 技术规程 欧洲压力装置技术规程DGRL 压力容器条例 (TRB 压力容器、TRG压缩气体、TRR压力管道) 压力容器工作组规范 AD规范 欧洲压力装置技术规程DGRL DGRL所叙述的只是基本的安全要求! 概念解释,压力容器条例 压力容器分类 检验范围(初检、定期检验、特殊检验) 检验机构 检验专家,AD2000版压力装置的设计和制造 AD规范的章节分配 设计参数 压力容器组件的计算,6、铝合金焊接结构 设计原则 铝结构的设计,虽然在计算方法上与钢结构基本 相同,但由于其焊接接头性能的特殊性,在接头设计、 许用应力等方面又不同于钢结构。 铝与钢相比重要的区别(比较低的强度;低弹性 模量;焊接热

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