钻石型鸟嘴式方管焊接节点参数化建模及热点应力分析

１７２ ＩｎｄｕｓｔｒｉａｌＣｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎＶｏｌ.4８，Ｎｏ.５，２０１８工业建筑 ２０１８年第4８卷第５期钻石型鸟嘴式方管焊接节点参数化建模及

热点应力分析*

娄 煜 李 琛 程 斌

（上海交通大学船舶与建筑工程学院，上海 ２００２4０）

摘 要：鸟嘴式方管焊接节点具有优美的造型，并且拥有优于传统节点的受力性能。在疲劳寿命预测中，对热点应力和热点应力集中系数（SCF ）的研究是至关重要的，但由于管结构的独特造型，使得这一过程较为复杂。为模拟钻石型鸟嘴式节点的热点应力，提供了一种高效的有限元建模方法。在考虑了３个管节点几何无量纲参数（β，２γ，τ），并结合了鸟嘴节点的主要特征（包括鞍部和冠部）之后，使用ＡＮＳＹＳ参数化建模语言（ＡＰＤL ）进行建模。参照国际焊接学会（ＩＩＷ）以及方钢管规范（ＣＩＤＥＣＴ）中关于外推区范围的规定，使用映射网格划分的模型严格对照实际热点的位置，并且通过设定局部坐标，使得提取的应力方向严格垂直于焊趾方向。所有的参数化计算均通过事先编好的程序自动计算完成，通过对比已有的方型鸟嘴节点和钻石型鸟嘴节点的试验数据，验证有限元模型的正确性。该建模方法可被其他形式如Ｔ形、X 形和Ｋ形鸟嘴节点的建模借鉴。

关键词：方管结构；鸟嘴节点；有限元模型；热点应力；应力集中系数

DOI ：10.13204／j ．gyjz201805029

*国家自然科学基金项目（５１６７８３５９）。第一作者：娄煜，男，１９９３年出生，硕士。电子信箱：ｖｅｒｓａｐ＠ｙｅａｈ．ｎｅｔ收稿日期：２０１７-１２-０６PARAMETERIZED MODELING AND ANALYSIS OF STRESS CONCENTRATION OF DIAMOND BIRD -BEAK SQUARE -HOLLOW -SECTION JOINTS

LＯＵＹｕ LＩＣｈｅｎ ＣHＥＮＧＢｉｎ（ＳｃｈｏｏｌｏｆＮａｖａｌＡｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ，Ｏｃｅａｎ＆ＣｉｖｉｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＳｈａｎｇｈａｉＪｉａｏＴｏｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈａｎｇｈａｉ２００２4０，Ｃｈｉｎａ）

Abstract ：Ｂｉｒｄ-ｂｅａｋｓｑｕａｒｅｈｏｌｌｏｗｓｅｃｔｉｏｎ（ＳHＳ）ｗｅｌｄｅｄｊｏｉｎｔｓｈａｖｅｂｅｅｎｆｏｕｎｄｔｏｈａｖｅａｅｓｔｈｅｔｉｃａｌａｐｐｅａｒａｎｃｅａｎｄｔｏｐｒｏｖｉｄｅｂｅａｒｉｎｇｃａｐａｃｉｔｙｈｉｇｈｅｒｔｈａｎｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌｏｎｅｓ．Ｔｈｅｐａｒａｍｅｔｒｉｃｓｔｕｄｙｏｆｈｏｔ-ｓｐｏｔｓｔｒｅｓｓａｎｄｓｔｒｅｓｓｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｆａｃｔｏｒｓ（SCF ），ｗｈｉｃｈｐｌａｙｓａｎｉｍｐｏｒｔａｎｔｒｏｌｅｉｎｆａｔｉｇｕｅｌｉｆｅｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎ，ｉｓａｃｏｍｐｌｉｃａｔｅｄｐｒｏｃｅｓｓｆｏｒｓｕｃｈｔｕｂｕｌａｒｊｏｉｎｔｓｄｕｅｔｏｔｈｅｉｒｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎｓ．Ｔｈｅｐａｐｅｒｐｒｅｓｅｎｔｅｄａｎｅｆｆｉｃｉｅｎｔｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｍｏｄｅｌｌｉｎｇｔｅｃｈｎｉｑｕｅｔｏｓｉｍｕｌａｔｅｔｈｅｈｏｔ-ｓｐｏｔｓｔｒｅｓｓｏｆｄｉａｍｏｎｄｂｉｒｄ-ｂｅａｋｊｏｉｎｔｓ．ＴｈｅＡＮＳＹＳｐａｒａｍｅｔｒｉｃｄｅｓｉｇｎｌａｎｇｕａｇｅ（ＡＰＤL ）ｗａｓｕｓｅｄｂｙｅｍｐｌｏｙｉｎｇｔｈｒｅｅｔｙｐｉｃａｌｎｏｎ-ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｐａｒａｍｅｔｅｒｓ（ｉ．ｅ．，β，２γ，τ）ｏｆｔｕｂｕｌａｒｊｏｉｎｔｓ，ａｎｄｔｈｅｎｏｖｅｌｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎｓｉｎｃｌｕｄｉｎｇｓａｄｄｌｅａｎｄｃｒｏｗｎａｒｅａｓｏｆｂｉｒｄ-ｂｅａｋｊｏｉｎｔｓｗｅｒｅｍａｉｎｌｙｃｏｎｓｉｄｅｒｅｄｄｕｒｉｎｇｔｈｅｍｏｄｅｌｅｓｔａｂｌｉｓｈｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓ．ＴｈｅｒｅｆｉｎｅｄＦＥｍｅｓｈｅｓｇｅｎｅｒａｔｅｄｆｒｏｍｔｈｅｍａｐｍｅｓｈｉｎｇｃｏｕｌｄｍｅｅｔｔｈｅｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓｏｆｅｘｔｒａｐｏｌａｔｉｏｎｒｅｇｉｏｎｔｈａｔｗｅｒｅｓｐｅｃｉｆｉｅｄｉｎＩＩＷａｎｄＣＩＤＥＣＴｆａｔｉｇｕｅｄｅｓｉｇｎｇｕｉｄｅｓ，ｔｈｅｊｏｉｎｔｃｏｏｒｄｉｎａｔｅｓｉｎｔｈｅｅｘｔｒａｐｏｌａｔｉｏｎｒｅｇｉｏｎｓｗｅｒｅｈｉｇｈｌｙｃｏｉｎｃｉｄｅｎｔｗｉｔｈｔｈｅｐｒｅｓｐｅｃｉｆｉｅｄｌｏｃａｔｉｏｎ／ｄｉｒｅｃｔｉｏｎｓａｎｄｔｈｅｈｏｔ-ｓｐｏｔｓｔｒｅｓｓｅｓａｔｗｅｌｄｔｏｅｓｃｏｕｌｄｂｅｅｘｔｒａｐｏｌａｔｅｄｄｉｒｅｃｔｌｙｆｒｏｍｔｈｅｎｏｄａｌｓｔｒｅｓｓｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓｐｅｒｐｅｎｄｉｃｕｌａｒｔｏｔｈｅｗｅｌｄｔｏｅ．Ａｌｌｅｘｔｒａｐｏｌａｔｉｎｇｗｏｒｋｓｗｅｒｅａｕｔｏｍａｔｉｃａｌｌｙｃｏｍｐｌｅｔｅｄｂｙｐｒｅ-ｃｏｄｅｄｐｒｏｇｒａｍｓ，ｂａｓｅｄｏｎｗｈｉｃｈｓｔｒｅｓｓｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｆａｃｔｏｒ（SCF ）ｐａｒａｍｅｔｒｉｃａｎａｌｙｓｉｓａｎｄｄｅｓｉｇｎｆｏｒｍｕｌａｆｉｔｔｉｎｇｃｏｕｌｄｂｅｅｆｆｉｃｉｅｎｔｌｙｃｏｎｄｕｃｔｅｄ．ＴｈｅａｃｃｕｒａｃｙｏｆｔｈｅＦＥｍｏｄｅｌｓｗｅｒｅｖａｌｉｄａｔｅｄｂｙｃｏｍｐａｒｉｎｇｗｉｔｈｅｘｉｓｔｉｎｇｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｄａｔａｏｆｂｏｔｈｓｑｕａｒｅａｎｄｄｉａｍｏｎｄｂｉｒｄ-ｂｅａｋＳHＳＴ-ｊｏｉｎｔｓ．ＴｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｅｄｔｈａｔｔｈｅｐｒｏｐｏｓｅｄｍｏｄｅｌｅｓｔａｂｌｉｓｈｉｎｇａｐｐｒｏａｃｈｅｓｗｅｒｅａｐｐｒｏｐｒｉａｔｅｆｏｒｖａｒｉｏｕｓｊｏｉｎｔｓｈａｐｅｓｓｕｃｈａｓＴ-ｓｈａｐｅ，X -ｓｈａｐｅ，ａｎｄＫ-ｓｈａｐｅ，ｅｔｃ．Keywords ：ｓｑｕａｒｅｈｏｌｌｏｗｓｅｃｔｉｏｎ；ｂｉｒｄ-ｂｅａｋｊｏｉｎｔ；ｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｍｏｄｅｌ；ｈｏｔ-ｓｐｏｔｓｔｒｅｓｓ；ｓｔｒｅｓｓｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｆａｃｔｏｒ 鸟嘴式节点包括方型和钻石型两类。方型鸟嘴

式钢管焊接节点是方型钢管结构中的一种新型节

点，由于方形弦杆、腹杆、横梁等杆件绕其自身轴线

旋转4５°之后节点形状酷似鸟嘴而得名。而钻石型

鸟嘴式节点（ＤｉａｍｏｎｄＢｉｒｄ-ＢｅａｋＳHＳＪｏｉｎｔｓ）的主管和

支管都绕其中心轴旋转4５°，如图１所示。目前，鸟嘴万方数据