K节点应力集中系数的试验和数值研究方法

力。本研究中采用第二种定义。
相应的节点的应力集中系数，SCF，定义为：
SCF = σ HSS
(8)
σ nom
其中σ nom 为名义应力，其大小可以通过式(5)~式(7)
Shao[9]提出了模拟 K 节点焊缝尺寸的方法。这 种方法也应用于估算 T 和 Y 型节点焊缝大小[10]。 下面比较详细地介绍这种模拟焊缝的方法。
图 1 显示了一个典型的 K 节点，并表明了沿着 焊缝处的几个关键部位(跟点、鞍点和冠点)以及经 常使用的几个无量纲化几何参数(β，γ，τ，ζ和α)。 在工程实践中使用的 K 型节点，通常两个支管的直 径和厚度是相同的，但两个支管和主管之间的夹角 可以不相同。
因子，θs 为支管与主管之间的最小夹角，m 是一个 常数。
同样，T3 也可以通过下列公式得到：
T3 = k3 × tb
(3)
工程力学
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k3
=
FOS内
⎡ ⎢1 − ⎢⎣
⎛ ⎜ ⎝
θi −θs 900 −θs
⎞n ⎟ ⎠
⎤ ⎥ ⎥⎦
(4)
公式(4)中， FOS内 也是一个比例因子，n 为一常数。
焊缝的尺寸可以通过调节 FOS外 、 FOS内 、m、n 和θs
很大兴趣，因为这些节点结构的破坏往往都是发生 此对管节点疲劳寿命的预测就显得非常重要。
在焊缝处。海洋平台中的管道结构主要承受的是由
在管节点疲劳破坏的研究中，应力集中系数
于海浪和海风造成的循环载荷，在经过一定的时间 (SCF)是评价其疲劳寿命的重要参数。国内和国际
————————————————— 收稿日期：2005-09-08；修改日期：2005-11-19 作者简介：*邵永波(1973)，男，山东人，副教授，博士，主要从事海洋平台管节点疲劳断裂的研究(E-mail: cybshao@); LIE SengTjhen，男，新加坡人，副教授，博士，主要从事结构工程方面的研究(E-mail: cstlie@.sg)
如图 2 所示，K 节点焊缝的上 的焊缝尺寸，T3 为支管内表面在主管上的焊缝尺 寸。图 2(a)和图 2(b)中所示的分别为支管与主管之
焊趾
焊根
(b) 900<θo<1800 图 2 焊缝的模拟
Fig. 2 Modelling of the weld
构(IIW)[14]疲劳设计准则。在这种定义中，热点应力 表述为“垂直于焊缝的结构应力的外推插值结果”。
这种定义在工程实践中被大多数设计者和研究者
所采用。由于节点在发生疲劳破坏的时候，表面裂
纹将沿着焊缝处萌生并扩展。节点中的裂纹模式主
要为 I 型裂纹，即张开型裂纹。因此垂直与焊缝的 应力将作为 I 型裂纹的主要驱动力。显然，Den[12] 定义的热点应力要大于第二种定义规定的热点应
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工程力学
上普遍使用的评价管节点疲劳寿命的方法是 S-N 曲 线法[1]。在 S-N 曲线中，S 代表了节点中沿着焊缝 周围最大应力幅，N 为节点结构在发生疲劳失效之 前所能承受的循环载荷的次数。在计算最大应力幅 的时候，经常使用的参数是应力集中系数。在计算 管节点应力集中系数的时候，可以采用数值方法， 如有限元法或者边界元法。也可以采用试验方法。 从已有的国外文献中可以发现，对管节点的静力测 试基本上都集中在 T 节点[2]，或者小型的 K 节点[3]。 国内在 80 年代末期对于 K 节点的研究比较多，发 表了一系列有关成果[4~6]。由于海洋平台中使用的 节点通常直径和厚度都是比较大，因此有必要对大 型的 K 节点进行试验测试，研究其应力集中程度。 在用数值方法对管节点的应力集中系数进行计算 的时候，已有的文献中经常采用壳体单元模拟整个 结构，或者采用实体单元但忽略了焊缝对计算结果 的影响，因此所得到的数值结果往往过于保守，低 估了节点的使用寿命[7]。本文提出了模拟节点焊缝 尺寸的方法，并通过计算分析了焊缝对节点应力集 中程度的影响。
摘 要：工程中常用的评价海洋平台中管节点疲劳寿命的方法是使用 S-N 曲线。当管节点承受疲劳载荷作用的时 候，可以通过数值或者试验方法得到沿着焊缝处的热点应力幅的大小。然后通过 S-N 曲线，可以预测此节点在破 坏前可以承受疲劳载荷的循环次数。应力幅的大小可以由应力集中系数这个参数来确定。对 K 型节点在承受基本 载荷作用下的应力集中系数进行了数值和试验分析，得到了各种基本载荷作用下 K 节点沿着焊缝处应力分布情况 和极值应力点的位置。 关键词：管节点；应力集中系数；数值和试验分析；疲劳寿命；S-N 曲线；热点应力幅 中图分类号：TU398; O346 文献标识码：A
来确定。在满足 AWS 规范[11]的条件下，各个参数
的适用范围为：
FOS外 ≥ 0.3 θ s ≥ 300 0 ≤ FOS内 ≤ 0.25 m=2.0
n=0.4 1.2 数值模拟
在用有限单元法计算管节点应力集中系数的
时候，采用 3-D 实体单元可以更精确地模拟焊缝尺 寸的大小，以及反应沿着管壁应力分布情况。此外，
EXPERIMENTAL AND NUMERICAL STUDIES OF THE STRESS CONCENTRATION FACTOR (SCF) OF TUBULAR K-JOINTS
*SHAO Yong-bo1, LIE Seng-Tjhen2
(1. School of Civil Engineering, Yantai University, Yantai, Shandong 264005, China; 2. School of Civil & Environmental Engineering, Nanyang Technological University, Singapore, 639798)
第 23 卷增刊 I Vol. 23 Sup. I
工程力学
2006 年 6 月 June 2006
ENGINEERING MECHANICS
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文章编号：1000-4750(2006)Sup.I-0079-07
K 节点应力集中系数的试验和数值研究方法
*邵永波 1，LIE Seng-Tjhen2
(1. 烟台大学土木工程学院, 烟台 264005; 2. 新加坡南洋理工大学土木与环境工程学院, 新加坡 639798)
焊 焊根根
焊趾
(a) 00<θo≤900
1.1 焊缝的几何模拟 在节点结构中，主管和支管之间通过焊接连在
一起的。主管和支管之间的交线是一条非常复杂的 空间曲线。Cao 等[8]研究得到了这条交线的几何方 程，从而使得在数值模拟中对节点的数值模拟变得 可行。此外，由于焊缝的存在将增加节点结构的刚 度，从而减小节点处的应力集中程度，因此对于焊 缝的精确模拟将影响有限元结果的准确性。
节点在轴向力、平面内弯曲和平面外弯曲作用下的
名义应力，F、Mi 和 Mo 分别为轴向力、平面内弯曲 作用下的弯矩和平面外作用下的弯矩，d 和 t 分别 为支管的直径和厚度。
管节点的热点记为σ HSS 。热点应力的定义仍然
有所争议。DEn[12]推荐热点应力为“沿着焊缝处的极 值应力”，它“考虑了管节点的几何参数的影响”，也 就是最大主应力值。van Wingerde 等[13]提出了热点 应力的另外一种定义。这种定义采用了国际焊接结
承受基本载荷作用的 K 节点，名义应力可以通过下
列公式得到：
σ n,AX
=
(π[d 2
4F − (d − 2t)2 ])
(5)
σ n,IPB
=
32dM i (π[d 4 − (d − 2t)4 ])
(6)
σ n,OPB
=
32dM o (π[d 4 − (d − 2t)4 ])
(7)
在式(5)~式(7)中， σ n,Ax ， σ n,IPB 和 σ n,OPB 分别为 K
S-N curve; hot spot stress range
圆截面 K 型节点作为支承结构广泛应用于海 洋平台结构中。对于这些管道结构，支管通常是焊
后，疲劳裂纹将在焊缝处萌生并沿着焊缝扩展从而 导致整个结构的破坏的。在工程实践中，需要确保
接在主管的表面上。焊接节点的连接引起研究者的 节点结构在使用工作期限内不会发生失效破坏，因
在进行有限元网格划分的时候，在焊缝附近区域应
该采用精细的网格，而在远离焊缝区域，则采用比
较粗糙的网格以减少计算所需要的存储空间。图 3 所示的为焊缝区域的有限单元网格图。在图 3a 中， 沿着管壁厚度方向上采用了 6 层单元，沿着焊缝的 周向则分为 96 个单元。
(a) 焊缝周围区域的有限元网格
(b) 整体有限元网格 图 3 K 节点有限元网格
Abstract: The most commonly used method to estimate the service life of a tubular joint in offshore engineering is by referring to S-N curves. The hot spot stress (HSS) range along the weld toe is obtained by either numerical method or experimental test if a tubular joint is subjected to fatigue loadings. From a corresponding S-N curve, the number of fatigue loading cycles that the joint can sustain before failure can be predicted according to the HSS range. The HSS range is frequently calculated from a parameter called stress concentration factor (SCF). In this study, numerical and experimental analyses of the SCFs of tubular K-joints subjected to basic loadings were conducted. The stress distributions along the weld toe and the corresponding locations of the peak SCF values of the K-joints subjected to different basic loadings were obtained. Key words: tubular joints; stress concentration factor (SCF); numerical and experimental analyses; fatigue life;