焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與計(jì)算問題

1、 焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與計(jì)算問題 下文整理的關(guān)于焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與計(jì)算問題的介紹。 這里不涉及產(chǎn)品從立項(xiàng)(經(jīng)過市場調(diào)研一撰寫報(bào)告一決策一報(bào)批等)到分段設(shè)計(jì)(通常分為初步設(shè)計(jì)、技術(shù)設(shè)計(jì)和施工圖設(shè)計(jì))、新產(chǎn)品試制到產(chǎn)品定型生產(chǎn)的全過程，而僅爭論設(shè)計(jì)階段詳細(xì)的焊接結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與計(jì)算問題。 (1)許用應(yīng)力法又稱為常規(guī)設(shè)計(jì)方法、安全系數(shù)設(shè)計(jì)法。它是口前最常用的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，如壓力容器、鍋爐、起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)和焊接機(jī)器零件等都采納這種設(shè)計(jì)方法。按許用應(yīng)力法進(jìn)行設(shè)計(jì)是基于彈性失效準(zhǔn)則來建立結(jié)構(gòu)強(qiáng)度條件的。例如壓力容器國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，對壓力容器考慮了三種失效形態(tài)；強(qiáng)度失效、剛度失效和穩(wěn)定失效。三種失效均按彈性及彈性一抱負(fù)塑性范

2、圍內(nèi)的應(yīng)力一應(yīng)變量賜予推斷。即對容器中任一點(diǎn)的應(yīng)力，都按平面力系解法將其歸結(jié)為單向屈服的關(guān)系，或用第一強(qiáng)度理論(最大主應(yīng)力理論)、或用第三強(qiáng)度理論(最大切應(yīng)力理論)計(jì)算出最大主應(yīng)力或差值應(yīng)力(三個主應(yīng)力中最大與最小的差值)，并將其限制在許用應(yīng)力之下。即得到焊接容器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的強(qiáng)度條件： 式中，-對壓力容器來說，是其在各種載荷下，用平面力系(不考慮三維應(yīng)力)解法得出的最大應(yīng)力。這些應(yīng)力包括與外載相平衡，分布范圍大，沿容器壁厚勻稱分布的一次薄膜應(yīng)力和沿壁厚線性分布的一次彎曲應(yīng)力。此外，由于設(shè)計(jì)緣由，如容器存在局部不連續(xù)，局部薄膜應(yīng)力將要增大;還由于容器內(nèi)外壁的溫度差，熱膨脹不同導(dǎo)致的、或焊接殘余應(yīng)力

3、產(chǎn)生的，它們構(gòu)成自平衡力系的所謂二次應(yīng)力；以及由于應(yīng)力集中(如存在焊接缺陷)、交變的熱應(yīng)力等緣由產(chǎn)生的附加在一、二次應(yīng)力上的增量，即所謂的峰值應(yīng)力。總之一些容器或構(gòu)件除有總體一次薄膜應(yīng)力(外載荷引起的最大應(yīng)力)之外，還存在一次局部薄膜應(yīng)力、一次彎曲應(yīng)力、二次應(yīng)力、峰值應(yīng)力以及它們的組合，應(yīng)當(dāng)采納極限分析和安定性分析準(zhǔn)則建立強(qiáng)度條件。 但國家標(biāo)準(zhǔn)，包括鋼制壓力容器GB 150-1998 ；水管鍋爐受壓元件強(qiáng)度計(jì)算GB/T 9222-1998規(guī)定，對這些應(yīng)力的影響，可通過限制元件結(jié)構(gòu)的某些相關(guān)尺寸，或用應(yīng)力增大系數(shù)、外形系數(shù)等形式予以考慮，把這些局部應(yīng)力掌握在許用應(yīng)力范圍內(nèi)，這樣的處理方法使標(biāo)準(zhǔn)簡

4、潔、易行，便于推廣應(yīng)用。式中的許用應(yīng)力是針對已有勝利使用閱歷的材料，按其力學(xué)性能（等）除以相應(yīng)的安全系數(shù)得出的。表5-1給出了國家標(biāo)準(zhǔn)GB 150-1998規(guī)定的鋼制壓力容器由安全系數(shù)確定鋼材(除螺栓材料外)的許用應(yīng)力取值。表5 -2為起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范GB/T 3811-1983規(guī)定的起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)用鋼材安全系數(shù)和許用應(yīng)力值，考慮到作用在起重機(jī)上的載荷分三類，即基本載荷、附加載荷和特別載荷;在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中依據(jù)詳細(xì)機(jī)器的工作條件，有時(shí)只考慮基本載荷，有時(shí)則要考慮基本和附加載荷，有時(shí)要考慮基本、附加和特別載荷或考慮基本和特別載荷，這即稱為載荷的不同組合，分別為組合、 實(shí)際上常規(guī)設(shè)計(jì)方法除按強(qiáng)度條件即上

5、述按工作應(yīng)力小于等于許用應(yīng)力外，有時(shí)還要滿意剛度條件即工作變形要小于等于許用變形。如起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)按國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T3811-1983起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定，除掌握應(yīng)力外，還要求結(jié)構(gòu)的剛度，其中又分為靜態(tài)和動態(tài)剛度。靜態(tài)剛度以規(guī)定載荷作用于指定位置時(shí)，結(jié)構(gòu)某處的靜態(tài)彈性變形，如橋式起重機(jī)(門式及裝載橋)當(dāng)滿載時(shí)，規(guī)定主梁跨中靜撓度ft應(yīng)滿意： (或依據(jù)工作級別為L/800 ，L/600等) 式中，L為起重機(jī)的跨度，其他類型的起重機(jī)也有相應(yīng)的規(guī)定。而動態(tài)剛度是表征起重機(jī)作為振動系統(tǒng)的動態(tài)抗變形力量(以起重機(jī)滿載，鋼絲繩懸吊相當(dāng)于額定起上升度時(shí)，系統(tǒng)在垂直方向的最低階固有頻率簡稱滿載自振頻率)來表示。

6、一般起重機(jī)僅核算結(jié)構(gòu)靜態(tài)剛度，假如系統(tǒng)的振動影響了起重機(jī)生產(chǎn)作業(yè)狀況，才需驗(yàn)算動態(tài)剛度。 安全系數(shù)的取值應(yīng)綜合考慮材料的性能、規(guī)定的檢驗(yàn)項(xiàng)口及檢驗(yàn)批量、載荷及其附加的裕度、設(shè)計(jì)計(jì)算方法的精確程度、制造工藝和裝備及產(chǎn)品檢驗(yàn)水平、質(zhì)量管理、操作水公平來確定，并且要經(jīng)過實(shí)踐的考驗(yàn)。近十幾年，從國外引進(jìn)的石油化工容器所用的安全系數(shù)取值與這些國家較先進(jìn)的技術(shù)與嚴(yán)格的質(zhì)量要求相適應(yīng)。最近我國借鑒引進(jìn)技術(shù)設(shè)計(jì)的大中型石油化工容器和高壓容器的安全系數(shù)()和國外相近。 1/3 123下一頁尾頁上述許用應(yīng)力設(shè)計(jì)方法所用的參量，如載荷、強(qiáng)度(許用應(yīng)力)、幾何尺寸等都看成確定的量，所以又稱為定值設(shè)計(jì)法，這種方法表達(dá)式

7、簡潔明白，使用便利，已沿用很長時(shí)間，積累了豐富的閱歷，至今仍是很多行業(yè)采納的設(shè)計(jì)方法。但這種方法的缺點(diǎn)在于將很多不確定的隨機(jī)變量當(dāng)作定值，為保證安全往往選取高的安全系數(shù)和低的許用應(yīng)力，結(jié)果造成材料的不經(jīng)濟(jì)和不合理的使用，因而近年進(jìn)展了牢靠性一概率論和數(shù)理統(tǒng)計(jì)為基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)方法。 (2)以概率論為基礎(chǔ)的極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法 1974年以來實(shí)施的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范（GB J17-1974）規(guī)定采納許用應(yīng)力法進(jìn)行設(shè)計(jì)，但其許用應(yīng)力是以結(jié)構(gòu)的極限狀態(tài)(強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性)為依據(jù)，對各種影響因素進(jìn)行數(shù)理統(tǒng)計(jì)，并結(jié)合我國工程實(shí)踐，進(jìn)行多系數(shù)分析而求出單一安全系數(shù)打算的許用應(yīng)力，是一種半概率、半閱歷的極限狀態(tài)計(jì)算法?？紤]到大多數(shù)載荷及由它引起的應(yīng)力和材料的抗力本質(zhì)上是隨機(jī)的，即是隨時(shí)間和空間而變動的隨機(jī)變量。因而結(jié)構(gòu)工作的牢靠性(安全性、適用性和耐久性的統(tǒng)稱)也是隨機(jī)的。簡潔地說我們盼望設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的材料抗力大于應(yīng)力，即抗力與應(yīng)力之差應(yīng)大于或等于零。因抗力與應(yīng)力是隨機(jī)的，則此差可大