第8章 焊接结构设计-实体图 13

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1、焊接结构学主编：方洪渊参编：董俊慧、王文先、刘雪松主审：田锡唐 机械工业出版社 1第8章焊接结构设计前言前言焊接是机械工程中的一种制造工艺技术。当金属结构采用焊接方法制造时，必须做该产品的 焊接设计。焊接设计焊接设计包括焊接结构设计焊接结构设计、焊接工焊接工 艺设计艺设计、焊接设备设计焊接设备设计、焊接工装设计焊接工装设计、焊接材焊接材 料设计料设计、焊接车间设计焊接车间设计等。焊接结构设计是焊接产品设计的中心内容，是在全面考虑了焊接应力与变形、焊接接头强度 、焊接结构断裂与疲劳性能、焊接结构力学特征 等特点的基础上进行的。3/144主要内容主要内容8.1 焊接结构设计的一般原则8.2 焊接结

2、构设计实例4/1448.1 8.1 焊接结构设计一般原则焊接结构设计一般原则 8.1.1 焊接结构设计的一般思路1. 焊接结构设计的基本要求 所设计的焊接结构应当满足下列基本要求： （1 1）实用性）实用性 焊接结构必须达到产品所要求的 使用功能和预期效果。（2 2）可靠性）可靠性 焊接结构在使用期内必须安全可 靠, 受力必须合理，能满足静载强度、疲劳强度 、韧性、刚度、稳定性、抗振性和耐蚀性等各 方面的要求。5/144金属材料应具有良好的焊接性能，焊接结构必须能够方便的进行焊接操作，能够进 行焊前预加工和焊后处理，也具有焊接与检 验操作的可达性。此外，焊接结构也应易于 实现机械化和自动化焊接

3、的要求。（3 3）工艺性）工艺性 （4 4）经济性）经济性制造焊接结构时，所消耗的原材料、能 源和工时应最少，其综合成本尽可能低。6/144对一个具体焊接产品来说，这些基本要求必须统筹兼顾，它们之间的关系 是：以实用性为核心以实用性为核心，以可靠性为前提以可靠性为前提 ，以工艺性和经济性为制约条件以工艺性和经济性为制约条件。此外，在可能的条件下还应注重结还应注重结构的造型美观构的造型美观。 7/1442. 焊接结构设计的基本方法对于大型复杂的焊接结构设计，一般分为初初步设计步设计、技术设计技术设计和工作图设计工作图设计三个工作阶段。 其中最重要的确定焊接结构形状和尺寸的任务是 在技术设计阶段完

4、成。从发展的角度来分从发展的角度来分，设计方法有传统设计方传统设计方法法和现代设计方法现代设计方法，焊接结构设计目前大量采用 的仍然是传统设计方法，如许用应力设计法；大 型或重要的焊接结构设计，逐渐采用现代设计方 法中的可靠性设计法；随着计算机和有限元方法 的发展，对于焊接结构局部细节，已经开始采用 有限元数值模拟辅助设计方法。 8/144（1 1）许用应力设计法）许用应力设计法（传统）（传统）许用应力设计方法又称安全系数设计法或常规定值设计法，是以满足工作能力为基本要 求的一种设计方法。对于一般用途的构件，设 计时需要满足的强度条件或刚度条件分别为： 工作应力工作应力 许用应力许用应力 (8

5、-1)(8-1)工作变形工作变形 许用变形许用变形 (8-2)(8-2)或者或者 安全系数安全系数 许用安全系数许用安全系数 (8-3)(8-3)9/144许用应力、许用变形和许用安全系数一 般由国家工程主管部门根据安全和经济的原 则，按照材料的强度、载荷、环境情况、加 工质量、计算精确度和构件的重要性等予以 确定。在我国，锅炉、压力容器、起重机、铁 路车辆、桥梁等行业都在各自的设计规范中 确定了各种材料的许用应力、许用变形和许 用安全系数。 10/144许用应力是构件工作时，允许的最大应力 值。在静载条件下，焊接结构中母材的许用 应力是根据材料的极限强度除以安全系数确 定的，即 =c /nc

6、 (8-4)式中：为许用应力； c 为材料的极限强度（对于塑性材料 为屈服点s或屈服强度0.2，对于脆性材料为 抗拉强度b）；n c 为安全系数。1 1）母材的许用应力和安全系数）母材的许用应力和安全系数 11/144例如，钢钢制压压力容器设计设计 用的母材安全系数按GBl501998规规定选选用；起重机金属结结构设计设计 用的母材安全系数和许许用应应力按GB38112005规规定选选用。如果设计设计 某金属构件时时，没有相应应的设设计规计规 范或规规程可遵循，则则安全系数的取值值范围围可参考表8-1。12/144表表8-1 8-1 机械机械设计设计设计设计 中安全系数取中安全系数取值值值值范

7、范围围围围序号适用场场合安全系数1可靠性很强的材料，如中低强度高韧韧性结结构钢钢， 强度分散性小，载载荷恒定，设计时设计时 以减轻结轻结 构重量为为 主要出发发点时时1.151.52 常用的塑性材料，在稳稳定的环环境和载载荷下工作的 构件1.52.03 一般质质量的材料，在通常的环环境和能够够确定的载载 荷下工作的构件2.02.54 较较少经过试验经过试验 的材料或脆性材料，在通常环环境和 载载荷下工作的构件2.53.55 未经试验经试验 ，因而其强度不确定的材料以及环环境和 载载荷不确定情况下工作的构件3413/144对焊接结构中的焊缝强度计算，使用的是焊缝焊缝 许用应力许用应力。焊缝许用应

8、力与焊接工艺方法、焊接材 料和焊接检验的精确程度有关。用电弧焊焊接一般结构钢时，通常要求选用与 母材具有相同或相近强度等级的焊接材料进行焊接 。因此，确定焊缝许用应力方法之一是按母材的许 用应力乘以一个系数，该系数根据影响焊缝质量和 可靠程度而取不同的值，其取值范围1。对于熔透的对接焊缝，经质量检验符合设计要 求，系数可取1。一般机器焊接结构的焊缝许用应 力可按表4-11中选用。 2 2）焊缝的许用应力）焊缝的许用应力 14/144（2 2）可靠性设计法（现代）可靠性设计法（现代）在机械工程中可靠性设计是保证机械及零 部件满足给定可靠性指标的一种机械设计方法 。与上述许用应力设计法不同，可靠性

9、设计可靠性设计 把与设计有关的载荷、强度、尺寸和寿命等数把与设计有关的载荷、强度、尺寸和寿命等数 据如实地当作随机变量，运用了概率理论和数据如实地当作随机变量，运用了概率理论和数 理统计的方法进行处理理统计的方法进行处理。因而其设计结果更符 合实际，做到既安全可靠而又经济。对于重要 的机械或要求质量小、可靠性高的构件都应采 用这种设计法。 15/144可靠性设计设计 是一门门新兴兴学科，目前正处处在积积 极发发展和完善阶阶段，设计设计 所需的呈分布状态态的各 种数据，有些还须试验还须试验 、采集和积积累。在我国，按照钢结钢结钢结钢结 构构设计规设计规设计规设计规 范范(GB50017 2003

10、)规规定 ，工业业与民用房屋和一般构筑物的钢钢 结结构设计设计 ，除疲劳劳强度计计算外，应应采用以概率理 论为论为 基础础的极限状态设计态设计 方法，并用分项项系数的 设计设计 表达式进进行计计算。该该表达式是为为了保证证所设设 计计的构件能满满足预预期可靠度要求，必须须使载载荷引 起在构件截面或连连接中的应应力效应应小于或等于其强 度设计值设计值 。 16/144（3 3）有限元数值模拟辅助设计法（现代）有限元数值模拟辅助设计法（现代）上述两种方法都属于数学中的解析方法， 适用于焊接结构的整体形状和尺寸的设计，对 于焊接结构的局部细节来说，计算起来繁琐而 又不准确。近年来，有限元数值模拟方法

11、在焊接结构 设计中的应用得到快速发展，逐渐形成了独具 特色的有限元数值模拟辅助设计法，属于现代 设计方法。与许用应力设计法或可靠性设计方 法共同使用，弥补了这两种方法的细节问题处 理的不足，使得焊接结构更加安全可靠。 17/144采用有限元数值模拟辅助设计方法来分析已设 计焊接结构静态或动态的物理系统，可以得出焊接 结构局部区域的工作应力分布，尤其是焊接接头的 工作应力分布和应力集中状态，从而改进连接节点 和焊缝的形状及尺寸设计。结合焊接热过程知识，可以模拟焊接过程中焊 接应力和变形的演变过程，改进焊接接头位置和焊 接顺序的设计，进一步通过重新设计，调控焊接残 余应力分布；结合断裂力学知识，可

12、以分析的焊接 缺欠甚至潜在缺陷区域的塑性变形范围，评价焊接 接头的安全可靠性，改进焊接结构的局部设计。18/144目前，常用的有限元数值模拟软件常用的有限元数值模拟软件有ANSYSANSYS 、ABQUSABQUS、SAP2000SAP2000等商业性有限元软件，也可 以针对特定的焊接结构在此基础上二次开发。除了上面三种常用的设计方法之外，还有一 些特殊或专用的设计方法。例如，有许多结构都 是从铸造或锻造结构改变为焊接结构的，在这种 情况下，一般采用等价截面方法进行设计，如减 速器铸造箱体改为焊接箱体后，其箱体壁厚应与 原来设计的保持一致。按焊接结构要求重新设计 减速器箱体需要进行相应的试验研

13、究。19/1448.1.2 焊接结构设计的合理性分析1. 从实用性和可靠性角度出发焊接结构种类繁多，焊接接头形式多样、焊接方法数以百计，设计者在设计时有充分的 选择余地。但是必须考虑焊接结构的实用性和 焊接接头的可靠性，以便选择合理的基体材料 和焊接材料，确定合理的焊接结构及接头形式 ，尽可能发挥焊接结构的承载能力，提高使用 寿命。 20/144（1 1）合理选择基体材料和焊接材料）合理选择基体材料和焊接材料v 所选用的金属材料必须同时能满足结构使用性能使用性能和加工性能加工性能的要求。使用性能包括材料强度、塑性、韧性、耐磨性、抗腐蚀性、耐高温、抗蠕变性 能等。对承受交变载荷的结构，还须考虑

14、材料的疲劳性能；对大型构件和低温环境 的材料还须考虑断裂韧性的要求。21/144加工性能主要是指材料的焊接性能，同时也要考虑其冷、热机械加工的性能，如金 属切削、冷弯、热切割、热弯和热处理等性 能。例如，许多机器零件用35号和45号钢制造，这些钢含碳量高，作为铸钢件是合适的 ，但如果改为焊接件，则不宜采用原来的材 料，而应选用强度相当的焊接性较好的低合 金结构钢。22/144v 全面考虑结构的使用性能，有特殊性能要求部位可采用特种金属，其余部位采用能满足 一般要求的廉价金属： v 如：有防腐蚀要求的结构可以采用以普通碳钢为基体、以不锈钢为工作面的复合钢板， 或者在基体表面上堆焊抗蚀层；有耐磨要

15、求的 结构，可以在工作面上堆焊耐磨合金或热喷涂 耐磨层等。应当充分发挥异种材料可以焊接的 优势。23/144焊接材料的选择取决于与基体材料的匹 配状态，一般有成分匹配成分匹配和强度匹配强度匹配两种形 式。对于具有抗腐蚀性能要求的结构，按照对于具有抗腐蚀性能要求的结构，按照 成分匹配选择焊接材料成分匹配选择焊接材料，即要求焊接材料熔 覆金属的化学成分与基体材料的化学成分相 当，可以抵抗化学腐蚀、电化学腐蚀。 24/144大多数焊接结构是以强度匹配要求为 大多数焊接结构是以强度匹配要求为 主主，依照焊缝金属与母材金属的屈服或断 裂强度的大小，分为高强匹配高强匹配、等强匹配等强匹配 和低强匹配低强匹配三种形式。完全的等强匹配是 不存在的，考虑到断裂韧性要求，往往采 用低强匹配，可以获得等强高韧性的焊接 接头。25/144（2 2）合理设计焊接结构形式）合理设计焊接结构形式根据强度或刚度要求，以最理想的受力状态去确定结构的几何形状和尺寸。 如：应采用应力集中小、焊接残余应力小和焊接变形小的焊接结构形式，这在 前面几章中已有详细论述。 1 1）要有良好的受力状态）要有良好的受力状态26/1442 2）要重视局部构造）要重视局部构造既重视结构的整体设计，也重视结构的细部处理，焊接结构的整体性意味着任何部位的构造 都同等重要，许多焊接结构的破坏事故起源于局 部构造不合理的薄弱环节处，如