海洋平台中KK管节点表面裂纹应力强度因子的有限元计算方法

海洋平台中的KK管节点由于长期承受循环载荷而容易在焊缝处产生疲劳表面裂纹。对包含表面裂纹的KK节点的残余寿命的评估依赖于对表面裂纹应力强度因子的准确估算。本文首先提出了KK节点中表面裂纹的有限元网格产生方法,然后采用线弹性断裂力学理论,通过裂纹前缘的位移外推插值法分析了KK节点在轴向力作用下沿着表面裂纹的应力强度因子的分布情况。最后,通过对22个KK节点的模型分析,研究了节点的几何参数和裂纹形状参数对应力强度因子的影响情况。

承受平衡轴力的空间KK管节点应力集中系数研究

采用有限元法分析了空间KK型管节点在承受平衡轴力作用下的应力集中系数。在有限元分析中,首先采用分区网格法产生KK节点的有限元网格,这种方法可以针对不同应力梯度的区域形成不同质量和精度的网格。然后在分区网格法的基础上,采用ABAQUS(2000)通用软件分析计算了KK型管节点在平衡轴力作用下的应力集中系数的大小和分布。最后,通过对30个KK节点模型的有限元分析,研究了KK节点几何参数对其应力集中系数大小以及分布情况的影响。

KK管节点中表面带裂纹应力强度因子的数值分析及参数研究

提出一种适用于包含表面裂纹的KK节点的有限元网格分区产生方法。这种方法是根据计算精度的需要,把整个KK节点结构划分为几个不同的子区域,其中每个子区域由不同类型的单元和网格密度组成。对KK节点中表面裂纹的模拟采用五种单元,即六面体单元、棱柱单元、四分之一结点的棱柱单元、四面体单元和棱锥单元。采用五种不同类型的单元模拟表面裂纹,可以有效避免裂纹附近单元的过度扭曲,保证计算精度。在提出的有限元模型基础上,采用J积分和位移外推插值两种方法计算KK节点中表面裂纹边缘的应力强度因子值。计算结果发现,两种方法得到的结果非常吻合,从而证明这两种方法在计算KK节点中表面裂纹应力强度因子的可行性。最后,通过对70个KK节点模型的分析计算,研究节点的几何参数以及裂纹形状对应力强度因子的影响。

KK型管节点应力集中系数随参数变化的规律

以自升式钻井平台中KK型管节点为例,采用ANSYS软件建立不同几何参数下管节点的有限元模型,计算管节点在不同加载方式下的应力分布,重点分析其几何形状突变区域——撑杆与弦杆交汇处的应力集中系数,找到应力集中系数与各个几何参数之间的变化规律,总结出有利于KK型管节点疲劳性能的参数取值范围。

KK型管节点应力集中系数几何敏感性分析

KK型管节点是自升式平台桁架式桩腿中的一种管节点,其应力集中系数是影响桩腿疲劳寿命的重要参数。应力集中系数与管节点的几何形式密切相关,为分析KK型管节点应力集中系数对几何参数的敏感性,利用ANSYS软件对某KK型管节点进行几何参数化建模,利用有限元数值模拟方法对各工况下的热点应力进行分析,并分别计算各相应工况下的名义应力,然后将热点应力与名义应力相比得到不同几何参数下的热点应力集中系数。对计算结果进行整理分析,得到了KK型管节点应力集中系数对无量纲几何参数的敏感性规律。结果表明,应力集中系数与撑杆受力状态、管节点结构形式有关,在满足结构布置、建造工艺和其他安全性指标的前提下,分析结果能够为KK型管节点的结构设计和疲劳分析提供技术支撑。

大直径弦管KK形相贯节点滞回性能的数值模拟

运用数值模拟方法,对空间KK形圆钢管相贯节点的滞回性能进行分析,分析了支管和弦管外径比、弦管径厚比、支管和弦管厚度比、支管与弦管夹角等参数的影响。结果发现,支管和弦管直径比越大,节点的滞回性能越好;增大弦管径厚比和支弦管轴线间夹角,节点的滞回性能反而降低。节点的滞回性能受支弦管厚度比的变化影响不大。

钢管混凝土KK型节点疲劳性能试验

为研究钢管混凝土KK(CFST-KK)型节点疲劳性能,开展了CFST-KK型节点模型疲劳试验,分析了CFST-KK型节点热点应力分布规律和疲劳性能演化过程;建立了CFST-KK型节点实体有限元模型,结合试验和有限元结果,分析了CFST-KK型节点与钢管混凝土K(CFST-K)型节点疲劳性能的差异性;研究了不同参数对KK型节点疲劳性能影响,探讨了适用于CFST-KK型节点疲劳寿命的评价方法。研究结果表明:采用二次外推方式计算的CFST-KK型节点,最大热点应力位于受拉支管相贯焊缝的主管侧冠点偏外鞍点15°处;计算CFST-KK型节点应力集中系数时,支管名义应力可仅考虑轴力和面内弯矩的影响而不考虑面外弯矩的影响,其应力集中系数为6.36,比CFST-K型节点大80.2%;CFST-KK型节点的疲劳裂纹萌生于最大热点应力处,在反复加载过程中裂纹沿焊趾根部向两侧与主管壁厚方向延伸,裂纹向外鞍点扩展的速度要略快于向内鞍点扩展的速度,停止反复加载后裂纹并未贯穿主管管壁;受支管面外弯矩与支管间空间效应的影响,CFST-KK型节点的抗疲劳性能与CFST-K型节点有明显差异;主管内填混凝土能提升CFST-KK型节点径向刚度,缓解应力集中情况;支管面外夹角增大会增大支管间空间效应的影响;考虑钢管内混凝土影响的CFST-K型节点的热力应力与疲劳寿命曲线在评价CFST-KK型节点疲劳寿命时具有良好的精度。

弯曲弦杆的圆钢管节点静力性能研究

以上海旗忠网球中心钢屋盖工程为背景,探讨了弦杆轴线弯曲的圆管桁架焊接节点的静力性能。进行了空间TT、KT’T、KK和平面K等4种节点形式共9个试件的静力破坏试验。在相同节点形式的条件下,直接比较了弯曲弦杆节点与平直弦杆节点之间在整个受力过程中的性能。应用有限元法进一步分析了弯曲弦杆的曲率半径变化对节点承载力的影响。研究表明,在实际结构工程中广泛应用的弦杆曲率半径范围内,弦杆的弯曲对圆管节点性能没有显著的不利影响。计算弯曲弦杆的圆管节点设计强度时建议采用现有规范中适合平直弦杆的节点公式。