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【摘要】本文采用有限元分析方法，结合大型有限元分析软件ANSYS，对钢结构节点焊接连接进行了有限元模拟和分析，了解了钢结构结构焊接节点受力时的局部应力分布特点，明确了焊缝的尺寸对节点连接的屈服破坏状态影响非常大，因此必须在具体设计中应进行合适的设计和选择。
【关键词】节点焊缝；连接；有限元
【中图分类号】TU391【文献标识码】A【文章编号】1005-1074(2009)04-0210-01
钢结构是由不同的钢结构构件通过一定的安装方式连接而形成的一种整体结构。其中，焊接连接是目前钢结构连接方式中的最主要连接方法，其优点是构造简单、不削弱构件截面、节约钢材、加工方便、易于采用自动化操作、连接的密封性好、刚度大。缺点是焊接残余应力和残余变形对结构有不利影响，焊接结构的低温冷脆问题也比较突出。目前除少数直接承受动载结构的某些连接，如重级工作制吊车梁和柱及制动梁的相互连接、标架式桥梁的节点连接，从目前使用情况看不宜采用焊接外，焊接可广泛用于工业与民用建筑钢结构和桥梁钢结
构。
1节点焊缝连接的有限元分析方法
结构工程师进行在焊接构件的设计时，首先必须考虑到焊接接头的静强度状况，同时对于要求高的接头形式，还需要考虑其动载情况，通常可以结合材料的强度理论进行手工直接计算，来校核其静强度或疲劳强度，但是对于复杂且要求严格的焊接构件，常规的计算方法计算过程将非常复杂，同时计算结果将不可靠，此时就需要采用一种更为可靠的计算方法。
有限元法作为一种有效的数值分析方法，在焊接构件的力学状况模拟中可以非常有效，我们可以通过有效的有限元分析来达到对某一问题较为精确的解答，一定程度上代替了试验的功能。有限元分析的这一精确有效的功能可以大大节约了不必要的消耗，具有很大的经济效益；本论文借住于有限元分析的方法对焊接钢结构构件的受力状况进行了模拟和分析，通过构建精确的实体有限元分析模型，采用有限元分析方法，明确了钢结构焊缝连接在外力作用下的的应力分布以及构件变形状况。
2焊件应力分布的有限元分析计算
2.1有限元模型建立通常，焊接模型由于其结构形式复杂，而且结构存在强烈的非线性，因此我们采用实体模型方法才更为精确有效，一般直接采用ANSYS的几何模型建立方式很为麻烦，这次可以采用通过CAD已经建立的实体模型，通过ANSYS的交换工程完成实体模型到有限元模型的有效转换.
2.2结构受力分析通常焊缝连接的承载力主要以轴向荷载为主，同时轴向荷载作用下，焊缝连接的破坏性更大，因此考虑焊缝连接在轴向拉力作用下的受力模拟，以分析焊缝连接下节点的受力状态。在柱端施加均布轴向荷载，逐渐线性加大荷载，直致其发生屈服变形之破坏，如前所叙，节点的弹性极限状态定义如下：节点中的组件（柱，螺栓，加劲肋）应力首次达到屈服应力前的状态。通过分析可以知道，在柱端均布轴向荷载作用下，与焊缝连接的方形柱附近应力分布最大，显然此处将首先发生屈服破坏，这也正好满足了节点连接设计中破坏应始于非节点连接部位的要求；因此，设计中应该加强与螺栓连接的柱处局部刚度，同时从加劲肋受力变化图4.8可以看出，加劲肋分但了很大的平衡应力，因此其作用必不可少，在具体设计中，应该根据其局部应力分布特点，对其尺寸和位置进行合理的设置。
2.3不同焊缝尺寸下节点连接的屈服极限分析通常发生屈服的程度和位置与法兰连接参数密切相关，从刚结构弹性设计的角度出发，仅考虑弹性极限的分析状态；关于节点的弹性极限状态定义如下：节点中的组件（柱，螺栓，法兰板）应力首次达到屈服应力前的状态。通过模拟了焊缝长度分别为5mm～25mm（每次间隔5mm）（假定焊缝长度和宽度相同）下的节点连接模型，并逐步在端部施加集中荷载直到其屈服，并分析了节点屈服极限的变化；在直径变化的初始阶段，屈服极限荷载逐渐加速的增加，当增加到一定的阶段时，屈服极限荷载停滞不变；分析原因可知，焊缝节点连接危险处在焊缝及其附近连接方形板处，在螺栓直径较小的初始阶段，焊缝及附近板作为整体结构的传递构件，由于其刚度较小，使得屈服极限荷载较小；显然随着焊缝尺寸的加大，其刚度增加，其局部应力相应变小，从而使得焊缝屈服极限荷载变大；直到某一阶段后，危险点全部转移到与焊缝连接的方形板上，此时即使焊缝尺寸继续增加，焊缝屈服极限荷载仍保持不变。
分别选取了不同焊缝尺寸发生屈服破坏下四周焊缝角点处的应力，列表如下所示。
从表1分析可以看出，不同焊缝尺寸下，屈服破坏时四周焊缝角点处的应力也有所不同，当尺寸较小时，显然焊缝处是危险点，发生破坏时其屈服强度达到其弹性极限强度；随着焊缝尺寸增加，焊缝处危险点逐渐向其他薄弱处转换，此时节点发生屈服破坏时，四周焊缝角点处的应力逐渐变小，因此具体设计中，应充分考虑应力的屈服破坏点，并加强构件的局部刚度设置。
3总结
不同焊缝尺寸下，屈服破坏时四周焊缝角点处的应力也有所不同；随着焊缝尺寸增加，焊缝处危险点逐渐向其他薄弱处转换，此时节点发生屈服破坏时，四周焊缝角点处的应力逐渐变小，因此具体设计中，应充分考虑应力的屈服破坏点，并加强构件的局部刚度设置。焊缝的尺寸对节点连接的屈服破坏状态影响非常大，因此在具体设计中应进行合适的设计和选择。
参考文献
[1]吴文科.用有限元法进行机械连接的静力分析.中国直升机设计研究所，2001
【关键词】节点焊缝；连接；有限元
【中图分类号】TU391【文献标识码】A【文章编号】1005-1074(2009)04-0210-01
钢结构是由不同的钢结构构件通过一定的安装方式连接而形成的一种整体结构。其中，焊接连接是目前钢结构连接方式中的最主要连接方法，其优点是构造简单、不削弱构件截面、节约钢材、加工方便、易于采用自动化操作、连接的密封性好、刚度大。缺点是焊接残余应力和残余变形对结构有不利影响，焊接结构的低温冷脆问题也比较突出。目前除少数直接承受动载结构的某些连接，如重级工作制吊车梁和柱及制动梁的相互连接、标架式桥梁的节点连接，从目前使用情况看不宜采用焊接外，焊接可广泛用于工业与民用建筑钢结构和桥梁钢结
构。
1节点焊缝连接的有限元分析方法
结构工程师进行在焊接构件的设计时，首先必须考虑到焊接接头的静强度状况，同时对于要求高的接头形式，还需要考虑其动载情况，通常可以结合材料的强度理论进行手工直接计算，来校核其静强度或疲劳强度，但是对于复杂且要求严格的焊接构件，常规的计算方法计算过程将非常复杂，同时计算结果将不可靠，此时就需要采用一种更为可靠的计算方法。
有限元法作为一种有效的数值分析方法，在焊接构件的力学状况模拟中可以非常有效，我们可以通过有效的有限元分析来达到对某一问题较为精确的解答，一定程度上代替了试验的功能。有限元分析的这一精确有效的功能可以大大节约了不必要的消耗，具有很大的经济效益；本论文借住于有限元分析的方法对焊接钢结构构件的受力状况进行了模拟和分析，通过构建精确的实体有限元分析模型，采用有限元分析方法，明确了钢结构焊缝连接在外力作用下的的应力分布以及构件变形状况。
2焊件应力分布的有限元分析计算
2.1有限元模型建立通常，焊接模型由于其结构形式复杂，而且结构存在强烈的非线性，因此我们采用实体模型方法才更为精确有效，一般直接采用ANSYS的几何模型建立方式很为麻烦，这次可以采用通过CAD已经建立的实体模型，通过ANSYS的交换工程完成实体模型到有限元模型的有效转换.
2.2结构受力分析通常焊缝连接的承载力主要以轴向荷载为主，同时轴向荷载作用下，焊缝连接的破坏性更大，因此考虑焊缝连接在轴向拉力作用下的受力模拟，以分析焊缝连接下节点的受力状态。在柱端施加均布轴向荷载，逐渐线性加大荷载，直致其发生屈服变形之破坏，如前所叙，节点的弹性极限状态定义如下：节点中的组件（柱，螺栓，加劲肋）应力首次达到屈服应力前的状态。通过分析可以知道，在柱端均布轴向荷载作用下，与焊缝连接的方形柱附近应力分布最大，显然此处将首先发生屈服破坏，这也正好满足了节点连接设计中破坏应始于非节点连接部位的要求；因此，设计中应该加强与螺栓连接的柱处局部刚度，同时从加劲肋受力变化图4.8可以看出，加劲肋分但了很大的平衡应力，因此其作用必不可少，在具体设计中，应该根据其局部应力分布特点，对其尺寸和位置进行合理的设置。
2.3不同焊缝尺寸下节点连接的屈服极限分析通常发生屈服的程度和位置与法兰连接参数密切相关，从刚结构弹性设计的角度出发，仅考虑弹性极限的分析状态；关于节点的弹性极限状态定义如下：节点中的组件（柱，螺栓，法兰板）应力首次达到屈服应力前的状态。通过模拟了焊缝长度分别为5mm～25mm（每次间隔5mm）（假定焊缝长度和宽度相同）下的节点连接模型，并逐步在端部施加集中荷载直到其屈服，并分析了节点屈服极限的变化；在直径变化的初始阶段，屈服极限荷载逐渐加速的增加，当增加到一定的阶段时，屈服极限荷载停滞不变；分析原因可知，焊缝节点连接危险处在焊缝及其附近连接方形板处，在螺栓直径较小的初始阶段，焊缝及附近板作为整体结构的传递构件，由于其刚度较小，使得屈服极限荷载较小；显然随着焊缝尺寸的加大，其刚度增加，其局部应力相应变小，从而使得焊缝屈服极限荷载变大；直到某一阶段后，危险点全部转移到与焊缝连接的方形板上，此时即使焊缝尺寸继续增加，焊缝屈服极限荷载仍保持不变。
分别选取了不同焊缝尺寸发生屈服破坏下四周焊缝角点处的应力，列表如下所示。
从表1分析可以看出，不同焊缝尺寸下，屈服破坏时四周焊缝角点处的应力也有所不同，当尺寸较小时，显然焊缝处是危险点，发生破坏时其屈服强度达到其弹性极限强度；随着焊缝尺寸增加，焊缝处危险点逐渐向其他薄弱处转换，此时节点发生屈服破坏时，四周焊缝角点处的应力逐渐变小，因此具体设计中，应充分考虑应力的屈服破坏点，并加强构件的局部刚度设置。
3总结
不同焊缝尺寸下，屈服破坏时四周焊缝角点处的应力也有所不同；随着焊缝尺寸增加，焊缝处危险点逐渐向其他薄弱处转换，此时节点发生屈服破坏时，四周焊缝角点处的应力逐渐变小，因此具体设计中，应充分考虑应力的屈服破坏点，并加强构件的局部刚度设置。焊缝的尺寸对节点连接的屈服破坏状态影响非常大，因此在具体设计中应进行合适的设计和选择。
参考文献
[1]吴文科.用有限元法进行机械连接的静力分析.中国直升机设计研究所，2001