大型游乐设施焊缝强度校核计算分析

赵九峰

大型游乐设施焊缝强度校核计算分析

赵九峰

（河南省特种设备安全检测研究院，河南 郑州 450000）

焊接是大型游乐设施的主要连接方式，焊缝设计计算直接关系到游乐设施的正常运行和乘客的生命安全。本文以大型游乐设施中的焊缝为例，对焊缝部位的应力，分别按照力学理论计算和有限元分析计算，给出对接焊缝和角焊缝的计算公式和校核评价方法，并对有限元计算建模时，是否考虑焊缝材料进行了分析比较。研究表明，焊缝的校核计算应该按照名义计算应力进行校核评价，不宜用有限元法去校核评价的游乐设施焊缝。研究方法和结果为大型游乐设施结构件焊缝的校核计算提供参考性建议和依据。

对接焊缝；有限元；名义计算应力；应力集中；大型游乐设施

游乐设施金属结构所采用的连接方式主要为螺栓紧固和焊接[1]，游乐设施很多零部件都是通过焊接来进行连接紧固的[2]。随着游乐设施朝着更快、更高的方向发展，其结构焊缝主要承受交变动载荷，从焊缝连接构造和强度计算特点出发，游乐设施中的焊缝分为对接焊缝和角焊缝。对于T型接头和角接接头，对接焊缝与角焊缝的主要区别在于焊缝是否能够在板边整个厚度上连续焊透，焊透了为对接焊缝，如不焊透则为角焊缝[3]。《游乐设施安全技术监察规程》[4]规定：角焊缝承受动载荷的，应采用全焊透结构。由于游乐设施主要承受动载荷，因此游乐设施中的重要焊缝，不管是对接焊缝还是角焊缝，大多采取全焊透焊缝。

本文以游乐设施的对接焊缝和角焊缝为例，分别利用应力计算公式和有限元软件分析计算焊缝部位的应力，为游乐设施结构焊缝的计算提供参考。

1 对接焊缝强度理论算例

由文献[4]可知，对接焊缝的计算要求为：承受轴向拉力或压力的对接焊缝，应计算其纵向拉、压应力；承受弯矩和剪力联合作用的对接焊缝，应计算其危险点的最大正应力和最大剪切应力；对角焊缝的计算要求为：角焊缝应计算其抗剪强度，当角焊缝受复合内力作用时，应计算出合应力。根据规范要求按照破断拉力与最大计算应力的比值来校核焊缝。

为了说明焊缝理论计算和有限元计算的区别，下面举例说明。

图1中节点板和预埋钢板间的T型对接焊缝。承受拉力作用，焊缝等级为Ⅰ级，偏心力＝120000 N，钢材为Q235B，手工焊，焊条为E43型。按照文献[8]计算焊缝应力值。并结合文献[4]对焊缝进行校核评价。

图1 焊缝受力示意图

首先对力在焊缝部位进行分解，分解为水平方向的拉力和竖直方向的剪切力[5]：

式中：为水平方向的拉力，N；为竖直方向的剪切力，N。

计算得：＝72000；＝96000。

由于水平拉力未通过焊缝的形心，在焊缝部位产生一个附加弯矩[5]：

＝（3）

式中：为弯矩，N·mm；为拉力与焊缝的形心的距离，mm，＝20。

计算得：＝1440000。

对接焊缝，根据构件截面计算焊缝应力[6]。焊缝下端点最危险，该点各项应力为[5]：

则：

理论计算焊缝的合应力为[5]：

由文献[4]可知，对接焊缝按照最大正应力和最大剪应力分别评价，焊缝等级为Ⅰ焊缝，则：

焊缝的分析结果表明，焊缝合应力的安全系数小于5.0，不满足安全规范要求。

2 对接焊缝有限元计算

由图1构建精细化的三维模型，构建两种模型，其几何形状分别见图2，图2（a）不考虑焊缝材料，图2（b）考虑焊缝材料，采用实体单元进行分析比较。

图2 几何模型

在载荷和约束不变的情况下，通过不同的网格尺寸，计算零件的最大应力值。为了比较不同模型和网格尺寸对结果的影响，分别对无圆角和有圆角的模型在主体网格单元尺寸分别是10 mm、5 mm和3 mm等算例进行计算。通过不考虑焊缝材料和考虑焊缝材料，即无圆角和有圆角在不同网格的计算结果如图3所示。

计算结果曲线图如图4所示。

对计算结果进行汇总，结果如表1所示。

由图4可知，不考虑焊缝材料（不带圆角），由于连接区域应力奇异，不收敛，所以网格越细应力就会越大（如果网格持续加密，应力值会持续增大），有限元得到的结果是不可信的，会使焊缝部位的应力计算结果偏大；考虑焊缝材料（带圆角）的计算结果趋于稳定，结果可接受。

表1 计算结果汇总（单位：MPa）

在游乐设施有限元设计计算中，国内大多厂家常常将焊缝简化并忽略，从以上计算可以看出，不考虑焊缝材料，会使焊缝附近的应力计算结果偏大，出现虚假的应力，即应力奇异。事实证明，对焊缝进行简化或忽略会造成计算结果的偏差，对游乐设施中重要部位的焊接，如果要知道焊缝部位的实际应力值，要将焊缝的结构建立出来，把模型做精细，该倒角的就倒角，把有过渡的部份都做出来再做分析。

3 应力集中的影响

由以上分析可知，焊缝部位实际应力约为159 MPa，而名义计算应力的值101 MPa，仿真计算的结果和理论计算的结果差异很大。局部焊缝有应力偏大的情况，这是受到应力集中的影响。因为名义计算应力没有考虑应力集中的影响，所以仿真结果和名义计算应力有大的差异。焊缝部位的应力集中系数为159/101＝1.6。

接工艺过程对接头质量的影响因素很多，因此，若要按实际应力状态精确计算焊缝的强度是很困难的，目前焊接接头的静强度计算都是在一定的假设条件下进行的，由文献[3]可得焊接接头静强度计算的假设如下：

（1）略去焊接残余应力及焊缝根部和焊趾区的应力集中对焊接接头强度的影响；

（2）对接焊缝的计算厚度按被连接的两板中较薄板的厚度计算，不考虑焊缝的增高；

（3）接头的工作应力是均布的，以平均应力计算[2]。

图4 不同模型计算结果曲线图

由以上规定可知，焊缝的计算时不考虑应力集中的影响，而有限元计算，不可避免的加入了应力集中因素。现有的焊缝评价标准没有考虑焊缝部位的应力集中，采用较大的安全系数，来涵盖应力集中、残余应力等因素的影响，同时，通常游乐设施结构复杂，关键焊缝较多，若全部通过构建焊缝材料，模型规模太大。

因此有限元计算结果不适合现有的焊缝评价规范标准，这也是为什么同一部位，有限元计算结果偏大（包含应力集中影响），而焊缝的名义计算应力结果偏小的原因（忽略应力集中影响）。然而大多数厂家在进行游乐设施的焊缝计算时，由于没有构建焊缝材料模型，焊缝部位的应力过大，导致焊缝结果不符合规范要求，于是常见取距离焊缝一定距离（焊缝高度）的节点值，作为焊缝应力去评价，这种评价方法是不严谨的。

4 节点值作为焊缝应力是否合理

一般在静载情况下，焊材的强度会远远高出母材，文献[4]按照等强度理论做分析是一种保守的做法，游乐设施焊缝强度计算的正确做法是：按照理论计算公式，根据焊接类型、熔深、焊缝大小，焊缝长度等，得出焊缝计算应力（不考虑应力集中影响），再去评价焊缝[7]。

然而在一些企业的游乐设施计算书中，经常会遇到取距离焊缝一定距离（焊缝高度）的节点值作为焊缝应力去评价，为了说明节点值作为焊缝应力值是否合理，以第1节对接焊缝强度理论算例的例子进行说明，在通过最大应力值的有限元模型上建立一条路径，如图5所示。

图5 应力线性化位置图

由图6可知，距离最大应力值一定距离上，应力值急剧变化，从394 MPa瞬间降到0，距焊缝12 mm的节点应力值为84 MPa，距焊缝15 mm的节点应力值73 MPa，则对应的安全系数（Q235B的抗拉强度为375 MPa）分别为4.5和5.1，这样同一条焊缝就可得出两种评价结论（节点位置仅差3 mm，焊缝安全系数是否满足要求的临界值为5.0）。

图6 应力线性化曲线

在距离焊缝一定位置上（全凭工程师手动操作）取值，可取的范围很大，稍微移动一点距离，应力值就相差很大，焊缝的计算是严谨的，这样取值稍微有偏差，可能会得出完全不同的评价结果。因此，忽略焊缝材料的影响，取距离焊缝一定距离的节点值作为焊缝应力值是不确定的，也是不科学、不合理的。

5 角焊缝计算

正应力会使材料拉伸或压缩，剪应力会使材料发生剪切变形。由文献[8]得：

如果存在合应力，则角焊缝的计算公式为（游乐设施按照焊缝承受动载荷计算）：

焊接接头强度计算的假设为[2]：

（1）正面角焊缝与侧面角焊缝的强度没有差别；

（2）角焊缝是在切应力的作用下破坏的，按切应力计算强度；

（3）角焊缝的破断面（计算断面）在角焊缝截面的最小高度上；

（4）加厚高和少量的熔深对接头的强度没有影响。

角焊缝连接的破坏形式和焊缝截面应力分布较复杂，为简化计算，假定角焊缝发生剪切破坏，切应力沿焊缝长度方向均匀分布[5]。工程实践证明，按名义计算剪应力来计算角焊缝既可靠又简便[3]。

综上可知，角焊缝虽可能承受各种应力，但最后都是以等效剪切应力去评价校核。但游乐设施对角焊缝的校核评价，不采用钢结构标准中给出的强度设计值，而是采用安全系数法校核评价，即Ⅰ级和Ⅱ级焊缝的安全系数≥5[4]。

6 结论

焊缝从原理上说不是一个零件，是两个零件融合在一起的一个特殊状态区，受到残余应力、应力集中等因素的影响，研究焊接残余应力，必须模拟焊缝熔池金属和母材金属从熔化到凝固、冷却为常温的全过程，而各种焊缝的约束条件又是不一样的。熔化、冷却、凝固、继续冷却整个热力学过程的各项参数难以确定，因此理论计算中忽略了焊缝的残余应力、缺口应力集中等效应，按照相应的标准规范，理论计算焊缝，并进行校核评价[9]。

正如以上所述，焊缝的应力状态是相当复杂的，对接焊缝与角焊缝的应力状态又是不同的，若要对各种受力类型的焊缝进行精确的计算是相当困难的[10]。因此，对游乐设施焊缝的计算应按照以下原则进行：

（1）焊缝的校核计算应该按照名义计算应力计算，并按照文献[4]进行校核评价；

（2）有限元计算结果考虑了应力集中的影响，不能按照现有的焊缝评价标准体系去评价焊缝；

（3）取距离焊缝一定距离的节点应力，存在很大的不确定性，且没有相应的理论支撑，不能作为焊缝应力去评价；

（4）角焊缝的名义计算应力仅考虑剪切应力，当受复合内力作用时，按照剪切应力的合应力去校核焊缝，焊缝计算的破断应力由角焊缝的抗剪条件确定[11]。

有限元应力分析仅有计算云图和计算结果是远远不够的，分析者必须具有判断计算结果准确性的能力，除了具有熟练的软件应用能力，还需掌握力学理论和有限元理论。

[1]赵九峰. 基于ANSYS Workbench自控飞机回转机构驱动功率的计算及电机选型[J]. 机械，2019（4）：30-33.

[2]王文先，王东坡，齐芳娟，等. 焊接结构[M]. 北京：化学工业出版社，2012.

[3]董达善. 起重机械金属结构[M]. 上海：上海交通大学出版社，2011.

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[5]范钦珊. 工程力学(静力学和材料力学)[M].北京：高等教育出版社，2007.

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[7]崔玉淼. T形接头的焊缝静载强度计算公式推导及应用[J]. 焊接技术，2015（7）：11-13.

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[9]曹华，李自梁，刘美红，等. 蜗壳-座环连接焊缝焊接残余应力的测试与分析[J]. 热加工工艺，2019（5）：203-205.

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Strength Check Calculation and Analysis on Welding of Large-Scale Amusement Device

ZHAO Jiufeng

( Special Equipment Safety Inspection and Research Institute of Henan Province,Zhengzhou 450000, China )

Welding is the main connection method of large-scale amusement device. The weld design calculation is directly related to the normal operation of the equipment and the safety of the passengers. Taking the welds of large-scale amusement device as an example in this paper, the stress of the weld is calculated according to theory calculation and finite element analysis. The calculation formulas and evaluation methods of butt welds and fillet welds are given, and a comparison analysis is made on whether or not to consider the weld materials when modeling. The research shows that the calculation of weld should be evaluated according to the nominal calculated stress. it is not appropriate to use the finite element method to check the welds of amusement device. The research methods and results provide the reference recommendations and reference for the design and calculation of welds of amusement device.

butt welding；finite element analysis；nominal calculated stress；stress concentration；large-scale amusement device

TS952.82

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2020.04.005

1006－0316 (2020) 04－0027－07

2019－06－14

赵九峰（1981－），男，河南平顶山人，硕士研究生，工程师，主要从事游乐设备设计计算、特种设备结构仿真与载荷响应研究工作。