大型游樂設施結構件焊縫設計計算研究

宋偉科 陽先波

(中國特種設備檢測研究院 北京 100029）

大型游樂設施結構件焊縫設計計算研究

宋偉科 陽先波

(中國特種設備檢測研究院 北京 100029）

本文以大型游樂設施焊接結構件中最常見的直角角焊縫為研究對象，在垂直拉力和水平推力載荷工況下，研究直角角焊縫不同焊腳高度、不同焊接型式（未焊透和全焊透）和不同熔透率條件下的應力分布和應力集中規(guī)律，并通過理論計算和有限元仿真兩種不同計算方式對比其優(yōu)缺點。研究發(fā)現，有限元計算更能反映焊縫的真實應力狀態(tài)；全焊透結構有利于改善焊縫的應力集中；不同載荷工況下焊縫的應力集中位置不同。

角焊縫 全焊透 應力集中 熔透率

1 研究背景

大型游樂設施具有結構形式多樣、受力復雜、安全要求高的特點，其中焊接是結構的主要連接方式，焊接質量好壞直接關系到設備安全可靠性[1]。目前針對承壓類特種設備的相關焊接標準要求及計算方法相當完善，但針對機電類特種設備的相關焊接標準要求和計算方法有待完善。機電類特種設備，尤其是大型游樂設施，其結構焊縫主要承受交變動載荷，受力工況較承壓類特種設備更加復雜和多樣。目前現有的焊縫設計和計算無論是手工校核還是有限元建模仿真均不能合理的指導焊縫的優(yōu)化設計，如對重要焊縫進行手工計算時無法計算應力集中大小及位置，而有限元建模大多采用整體建模，不考慮具體焊縫的焊透情況和焊腳高度，因此造成焊縫仿真應力和實際應力存在差別。

本文以游樂設施結構件中常見的典型直角角焊縫為研究對象，利用相關應力計算公式和ANSYS分析軟件計算分析直角角焊縫在軸向拉力和彎矩單獨作用下應力變化規(guī)律，以分析焊縫公式計算和軟件計算的差異，分析焊腳尺寸、焊縫熔透率對計算結果的影響規(guī)律以及焊縫對軸向拉力和彎矩作用下的應力集中敏感性，以指導復雜結構焊縫設計及計算。

2 直角角焊縫強度理論計算

大型游樂設施結構件受力情況比較復雜，焊縫接頭型式多樣，而直角角焊縫為游樂設施結構件最常見的焊接型式，如飛行塔的旋轉支架、過山車的輪架、摩天輪的支撐框架等。直角角焊縫采用垂直立板與水平底板焊接，典型的受力結構如圖1所示，立板受垂直焊縫方向拉力Ny和平行焊縫方向Nx，焊縫計算公式[2-5]如下：

圖1 立板和底板焊縫結構圖

式中：

σN——角焊縫拉應力；

σM——角焊縫彎曲應力；

he——角焊縫的計算厚度，對直角角焊縫為0.7hf，hf為焊腳尺寸；

τf——角焊縫剪切應力；

lw——角焊縫的計算長度；

Nx——立板頂部水平力；

Ny——立板垂直向拉力或壓力；

M——焊縫截面抗彎模量，參考機械設計手冊選取；

T——未焊透間隙長度；

W——焊縫彎矩。

實例計算中取立板高L=100mm，板厚t1=t2=10mm，焊縫長度lw=100mm，取焊縫焊腳尺寸hf分別為5mm、7mm、10mm、13mm，對未焊透焊縫取T=10mm，對全焊透焊縫取T=0，垂直力Ny=100000N，水平力Nx=10000N，Ny和Nx分別單獨施加在立板頂部。對焊縫截面分別在不同焊腳尺寸、不同T值，不同受力情況下進行計算，結果見表1。

表1 不同焊接結構條件下的焊縫應力值 MPa

圖2 焊縫截面應力隨焊腳尺寸的關系

從以上計算結果可知，焊縫不論是受垂直拉力還是水平彎矩，全焊透結構的應力明顯小于未焊透結構。并且隨著焊腳高度的增加，焊縫應力呈現遞減趨勢。相比較全焊透焊縫應力，非焊透焊縫應力受焊腳高度變化的影響更大。

3 直角角焊縫強度有限元計算

3.1 全焊透焊縫仿真

采用ANSYS軟件對以上模型進行建模計算[6]，約束底板，將Ny和Nx分別施加在立板頂部，當T=0時，焊縫為全焊透結構，焊縫截面應力分布區(qū)域如圖3、圖4所示。

圖3中A區(qū)為立板本體截面應力區(qū)，仿真計算結果為100MPa，與公式計算結果一致，B區(qū)應力略小于A區(qū)，C區(qū)應力小于B區(qū)，D區(qū)為焊縫與立板處交匯處應力集中區(qū)。

圖4中A區(qū)為立板本體截面應力區(qū)，應力從立板兩側向中心逐漸減小，立板外側與焊縫截面交匯處形成應力集中區(qū)，應力集中位置與圖3一致，B區(qū)應力小于A區(qū)外側，大于C區(qū)， C區(qū)向兩側應力逐漸減小。

圖3 Ny作用下焊縫截面應力分布

圖4 Nx作用下焊接截面應力分布

對全焊透焊縫，在垂直拉力和水平彎矩作用下應力集中區(qū)計算結果如圖5所示。

圖5 D區(qū)應力隨焊腳尺寸變化結果

從以上計算結果可以看出，焊縫全焊透時，在拉力作用下，D區(qū)集中應力變化隨焊腳尺寸增大而減小的幅度不明顯，這說明焊縫全熔透時，焊腳尺寸對焊縫拉力的集中應力影響較小；以焊高5mm為例對比圖2和圖5，在垂直拉力（Ny）作用下，焊縫有限元計算結果（160MPa）大約是理論計算結果（59MPa）的2.7倍；焊縫受彎矩時，有限元計算的彎曲應力（780MPa）大約是理論計算結果（208MPa）的3.7倍；無論焊腳尺寸多少，焊縫與立板交匯處總存在應力集中，焊縫應力從應力集中點往下逐漸減小。

3.2 非全焊透焊縫仿真

模型尺寸同上，但T=10mm，焊縫未焊透，未焊透部位長度與立板厚度相等，在垂直向拉力Ny和水平力Nx分別單獨作用下，焊縫截面應力分布區(qū)域如圖6所示：

圖6 Ny作用下焊縫截面應力分布

圖7 Nx作用下焊接截面應力分布

圖6中A區(qū)為立板本體截面應力區(qū)域，仿真計算結果為100MPa，與公式計算結果一致，F區(qū)為焊縫外側應力集中區(qū)，G區(qū)為未焊透內側縫隙兩端應力集中區(qū)，其他區(qū)域為應力過渡區(qū)。

圖7中A區(qū)，C區(qū)為未焊透部位外圍，應力高于B區(qū)，F、G區(qū)為焊縫內外應力集中區(qū)，E區(qū)為立板截面彎應力變化區(qū)域，從立板外側向內逐漸減小。

對比圖6和圖7，兩種焊縫受拉和受彎下焊縫應力集中區(qū)域位置相同，兩個區(qū)域應力變化結果見圖8。

從圖8可以看出，拉應力作用下，F區(qū)和G區(qū)集中應力隨焊高增加減小約47%和51%，減小幅度基本一致，但彎應力作用下，F區(qū)減小25%，G區(qū)減小74%。這說明彎曲應力作用下，焊縫外側應力集中區(qū)域應力變化隨焊腳高度變化不是十分敏感，而焊縫內側應力集中區(qū)域應力隨焊腳高度變化十分敏感，焊腳高度增加可以有效減小未焊透部位的集中應力。在拉力作用下，焊縫未焊透部位內側應力大于外側應力集中區(qū)域，如果焊縫失效，將首先從焊縫內部開始，無法從外側發(fā)現；而彎應力作用下外側集中應力大于內側集中應力，焊縫失效從外側開始。

圖8 未焊透焊縫應力集中區(qū)應力隨焊腳尺寸變化結果

3.3 不同熔透率下焊縫集中應力仿真

本文所描述“熔透率”主要體現材料焊透區(qū)域長度與材料本體厚度比值，取焊腳尺寸hf=10mm，分別取未焊透部位長度T為10mm、7mm、5mm、2mm，即熔透率分別為0、30%、50%、80%，其他尺寸取值同上文一致。在垂直拉力Ny和水平力Nx分別單獨作用下，焊縫截面兩應力集中區(qū)域變化如圖9、圖10所示。

從圖9可以看出，G區(qū)彎應力和拉應力隨未焊透尺寸增加而顯著增大，這說明焊縫熔透率越小，焊縫內部集中應力越大。從圖10可以看出，F區(qū)應力變化很小，拉應力減小15%，彎應力基本沒變，這說明彎矩作用下焊縫表面集中應力大小與焊縫熔透率沒有直接關系。

圖9 G區(qū)應力變化結果

圖10 F區(qū)應力變化結果

4 結論

通過對不同焊腳尺寸和不同熔透率焊縫在拉力或彎矩作用下進行公式計算和仿真計算對比分析，可以得出如下結論：

1）焊縫的應力集中總是存在，且遠大于公式計算結果，重要焊縫的計算應考慮集中應力的影響，不能對焊縫建模進行簡化處理，并通過結構優(yōu)化，轉移應力集中點或減小集中應力；

2）對直角焊縫，熔透率低的焊縫在垂直拉力作用下其失效位置容易從焊縫內部開始，無法檢測發(fā)現，提高焊縫熔透率和增加焊腳高度有利于減小焊縫內部應力集中，重要焊縫要采用全焊結構；

3）對于直角焊縫，彎應力作用下焊縫失效容易從焊縫外部開始；

4）未熔透焊縫焊腳高度不應小于材料本體厚度。

目前現行的GB 8408—2008 《游樂設施安全規(guī)范》8.6焊縫一節(jié)和8.13檢驗一節(jié)中，對焊縫的設計和檢驗提出了具體要求。8.6.7明確直接承受變載荷的角焊縫應采用全熔透結構，8．13．5明確涉及人身安全的重要焊縫應進行100%的磁粉或滲透探傷。對于8.6.7條款，如果焊縫結構型式無法實現全熔透結構，應明確盡量提高焊縫熔透率和增加焊腳高度，且焊腳高度不得小于材料本體厚度。對于8.13.5條款，對于涉及人身安全的重要非全熔透焊縫，如果主要承受垂直拉力，應增加內部探傷要求。

[1] 林偉明．典型游樂設施復雜工況下風險評估及故障預防研究[D]．北京：北京化工大學出版社，2013．[2] EN 13814—2004， Fairground and amusement park machinery and structure-safety[S]．

[3] GB 50017—2003 鋼結構設計規(guī)范[S]．

[4] GB 8408—2008 游樂設施安全規(guī)范[S]．

[5] 成大先．機械設計手冊（第五版）[M]．北京：化學工業(yè)出版社，2007．

[6] 張朝暉．ANSYS結構分析工程應用實例解析（第二版）[M]．北京：機械工業(yè)出版社，2010．

[基金支持：本項目由國家質檢總局質檢公益性行業(yè)科研專項項目“公共安全突發(fā)事件一線處置應對標準體系與32項關鍵技術標準研究”（編號：201510211-6）和國家重點研發(fā)計劃項目“游樂園和景區(qū)載人設備全生命周期檢測監(jiān)測與完整性評價技術研究”（2016YFF0203100），課題3“基于本質安全的游樂設施設計與建造關鍵技術研究”（2016YFF0203103）資助]

Research on Welding Calculation of Amusement Ride Structure

Song Weike Yang Xianbo
（China Special Equipment Inspection and Research Institute Beijing 100029）

The fillet welding as the most common structure to connect different parts of amusement rides is researched in this paper. On the load conditions of vertical tension force and lateral thrust force, the stress distribution and stress concentration is researched considering different weld leg, different weld form (incomplete or full penetration welding) and different penetration rate. The theory calculation and fnite element analysis have been compared. The results illustrate that finite element analysis is more accurate to express the stress distribution; full penetration welding can decrease the stress concentration; the location of stress concentration is different depending on the load condition.

Fillet welding Full penetration welding Stress concentration Penetration rate

X941

B

1673-257X(2016)12-0007-04

10．3969/j．issn．1673-257X．2016．12．002

宋偉科(1983～)，男，博士，高級工程師，從事大型游樂設施安全保障技術研究工作。

2016-11-14）