一种正交异性板U肋与横隔板围焊处抗疲劳结构优化方法与流程

本发明属于正交异性钢桥面板焊接领域，具体涉及一种正交异性板u肋与横隔板围焊处抗疲劳结构优化方法。

背景技术：

正交异性钢桥面板，是用纵横向互相垂直的加劲肋(纵肋和横肋)连同桥面盖板所组成的共同承受车轮载荷的结构。这种结构由于其刚度在互相垂直的两个方向上有所不同，造成结构上的各向异性。一般认为正交异性钢桥容易出现疲劳裂纹的区域是桥面板、横梁和纵肋三者相交的位置和横梁腹板孔洞附近的应力集中处，所以大多数的疲劳问题是围绕这几种情况展开的。由于正交异性钢桥面板结构受力复杂，影响疲劳性能的因素较多，如载荷、结构尺寸、开孔形式、焊接工艺等，并且疲劳计算方法还有很多不完善的地方，得到较为精确的疲劳性能评估较为困难。正交异性钢桥面板的构造形式也在不断地变化和改进，因此对于正交异型钢桥面板的细部构造进行结构优化是十分必要的。正交异性钢桥面板u肋与横隔板间围焊处由于存在应力集中，易出现疲劳问题。

技术实现要素：

针对现有技术中问题，本发明提供了一种正交异性板u肋与横隔板围焊处抗疲劳结构优化方法，其目的在于解决正交异性板u肋与横隔板围焊处应力集中的问题，得到一种正交异性板u肋与横隔板围焊处应力不集中的结构，进而提高正交异性板u肋与横隔板围焊处的疲劳强度。

为解决上述技术问题，本发明通过以下技术方案予以解决：

一种正交异性板u肋与横隔板围焊处抗疲劳结构优化方法，包括以下步骤：

s1)在u肋内部与横隔板对应位置的每侧设置加强板；

s2)以u肋与横隔板上开设的孔洞处的连接点o为基准确定加强板的宽度、长度和厚度，设加强板从基准位置到靠近u肋底端的宽度为a1，设加强板从基准位置到靠近u肋开口端的宽度为a2，设加强板从基准位置沿加强板长度方向的长度为b，设加强板的厚度为t1；

s3)以a1、a2、t1和b作为设计变量(dv)，以u肋与横隔板焊缝处的应力值(s1_max)作为状态变量(sv)，以加强板的体积(vou)作为目标函数(obj)，进行优化设计；

s4)多次重复s3)，确定最优的a1、a2、t1和b的值。

进一步地，还包括步骤：s5)根据s4)中确定的a1、a2、t1和b的最优值，加工加强板并进行安装。

进一步地，所述s1)中，在u肋内部与横隔板对应位置的每侧沿纵向焊接加强板。

进一步地，加强板与u肋之间采用全部焊接。

进一步地，所述s2)中，(a1+a2)/2≤t1。

进一步地，所述s3)中，利用有限元软件ansys对加强板进行优化设计。

进一步地，所述s4)中，利用有限元软件ansys经过八次循环后求得最优解，第八组为最优解，最优解确定a1、a2、t1和b的尺寸分别为13mm、14mm、14mm和135mm。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：本发明在u肋内部与横隔板对应位置的每侧设置加强板；然后以u肋与横隔板上开设的孔洞处的连接点o为基准确定加强板的宽度、长度和厚度，设加强板从基准位置到靠近u肋底端的宽度为a1，设加强板从基准位置到靠近u肋开口端的宽度为a2，设加强板从基准位置沿加强板长度方向的长度为b，设加强板的厚度为t1；然后以a1、a2、t1和b作为设计变量(dv)，以u肋与横隔板焊缝处的应力值(s1_max)作为状态变量(sv)，以加强板的体积(vou)作为目标函数(obj)，进行优化设计；然后进行多次优化设计后确定最优的a1、a2、t1和b的值。经过优化分析，第一焊趾的最大应力值为46.711mpa，比改进前降低了33.29％；第二焊趾的最大应力值为37.99mpa，比改进前增加了17.26％(增加5.593mpa)；焊根处最大应力为40.51mpa，比改进前增加了2.9％(增加1.151mpa)。由此可见，本发明不仅有效的降低了围焊处的应力集中，得到一种正交异性板u肋与横隔板围焊处应力不集中的结构，进而提高正交异性板u肋与横隔板围焊处的疲劳强度，而且第二焊趾和焊根处的最大应力并未增加。

进一步地，加强板与u肋之间采用全部焊接，这样的焊接方式确保了加强板可以完全焊接接触到u肋上。

进一步地，加强板的宽度的一半小于等于加强板的厚度，可以确保加强板与u肋更好的焊接。

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式中的技术方案，下面将对具体实施方式描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为正交异性钢u肋与横隔板细部构造示意图；

图2为图1中u肋与横隔板间焊缝局部放大示意图；

图3为图2中a-a向u肋与横隔板间焊缝剖面示意图；

图4为图2中b-b向u肋与横隔板间焊缝剖面示意图；

图5为本发明方案中加强板位置尺寸示意图；

图6为图5中加强板的c向示意图；

图7对比方案1中加强板位置尺寸示意图；

图8为对比方案2中加强板位置尺寸示意图；

图9为图8中加强板的d向示意图；

图10为第一焊趾节点第一主应力改进前后变化曲线；

图11为第二焊趾节点第一主应力改进前后变化曲线；

图12为焊根节点第一主应力改进前后变化曲线。

图中：1-u肋；2-横隔板；3-第一焊趾；4-第二焊趾；5-焊根。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

结合图1、图2、图3和图4所示，正交异性板u肋1与横隔板2围焊处包括第一焊趾3、第二焊趾4和焊根5，第一焊趾3为焊点与u肋1焊接部分，第二焊趾4为焊点与横隔板2焊接部分，焊根5为焊点与u肋1和横隔板2共同焊接的部分。

本发明一种正交异性板u肋与横隔板围焊处抗疲劳结构优化方法，包括以下步骤：

s1)如图5所示，在u肋1内部与横隔板2对应位置的每侧沿纵向各焊接一块加强板，为了确保所加强板可以完全焊接接触到u肋1上，加强板与u肋1之间采用全部焊接；

s2)结合图5和图6所示，以u肋1与横隔板2上开设的孔洞处的连接点o为基准确定加强板的宽度、长度和厚度，设加强板从基准位置到靠近u肋1底端的宽度为a1，设加强板从基准位置到靠近u肋1开口端的宽度为a2，设加强板从基准位置沿加强板长度方向的长度为b，设加强板的厚度为t1；为了确保加强板可以完全焊接触到u肋上，加强板的厚度需要控制在一定的范围内，即需要保证(a1+a2)/2≤t1；

s3)以a1、a2、t1和b作为设计变量(dv)，以u肋(1)与横隔板(2)焊缝处的应力值(s1_max)作为状态变量(sv)，以加强板的体积(vou)作为目标函数(obj)，利用有限元软件ansys对加强板进行优化设计；

s4)利用有限元软件ansys对加强板进行优化设计，多次重复s3)，确定最优的a1、a2、t1和b的值，经过八次循环后求得最优解，第八组为最优解，最优解确定a1、a2、t1和b的尺寸分别为13mm、14mm、14mm和135mm；经过优化分析，第一焊趾3的最大应力值为46.711mpa，比改进前降低了33.29％；第二焊趾4的最大应力值为37.99mpa，比改进前增加了17.26％(增加5.593mpa)；焊根5处最大应力为40.51mpa，比改进前增加了2.9％(增加1.151mpa)；

s5)根据s4)中确定的a1、a2、t1和b的最优值，加工加强板并进行安装。

为验证说明本发明结构优化的效果，以及为检验本发明细部构造改进方案的优化效果，提出另外两组对比方案1和对比方案2如下。

对比方案1：

如图7所示，对比方案1为在与横隔板2对应位置的u肋1内部焊接一块加强板，为了确定加强板的尺寸，以图7中所示原点o为基准来调整加强板的尺寸h1和h2及板厚t。通过控制加强板的这三个尺寸来求得最优的加强板大小，使围焊处的第一主应力最大值最优。本对比方案所选工况为围焊处应力最大时的工况，即单边轮载位于单个u肋中间时的工况。结合现有钢板的型号以及加强板的加工难度等，将各变量的最优解取整，获得加强板的最终优结果h1、h2和t分别为5mm、84mm和4mm。利用对比方案1，第一焊趾3的最大应力为45.135mpa，比改进前降低了35.54％，第二焊趾4变为危险部位，第二焊趾4的最大应力增加到了56.49mpa，比改进前增加了24.093mpa，但比改进前第一焊趾3的最大值(70.013mpa)降低了19.31％，焊根5中最大应力为39.65mpa，比改进前几乎没有变化。总之，增加加强板后围焊处的应力集中降低了，第二焊趾4的最大应力有所增加，但对比方案1中，该构造细节的最大应力下降了19.31％，所以增加合理尺寸的加强板可以有效的降低围焊处应力集中，提高此构造细节疲劳强度。

对比方案2：

结合图8和图9所示，在正交异性钢桥面板u肋1内部与横隔板2对应位置每侧沿横向贴焊一块加强板。以图8和图9中原点o为基准来确定加强板的高度a3、a4，宽度b1以及厚度t2的尺寸。为了确保加强板可以完全焊接触到u肋1上，需所加强板要采用全剖焊接，加强板的厚度需要控制在一定的范围内，即需要保证b1要小于板厚t2。优化设计时以a2、a3、t2和b1作为设计变量(dv)，以焊缝处的应力值(s1_max)作为状态变量(sv)，以加强板的体积(vou)目标函数(obj)。

作为本发明的某一优选实施例，在ansys软件中经过八次循环后即求得最优解。将最优解数值取整后，最终确定a3、a4、t2和b1的尺寸分别为12mm、15mm、11.5mm和21mm。第一焊趾3的最大应力值为52.8mpa，比改进前降低了24.6％(降低17.223mpa)；第二焊趾4的最大应力值为32.673mpa，比改进前增加了0.85％(增加0.276mpa)；焊根5处最大应力为40.532mpa，比改进前增加了2.98％(增加1.173mpa)。此改进方案同样降低了围焊处的应力集中，同时使第一焊趾3、第二焊趾4和焊根处的最大应力并没有增加很多。

如下表1为改进前后焊缝第一主应力最大值对比，通过表1可以更加清楚的说明本发明结构优化的效果。

表1：改进前后焊缝第一主应力最大值对比表

如图10、图11和图12分别给出了本发明改进前后以及对比方案1和对比方案2中第一焊趾3、第二焊趾4和焊根5处应力变化的对比曲线。对比改进前后曲线可以得出：本发明的改进方案和两组对比方案均可以有效的降低第一焊趾3围焊处应力集中，表1为改进前后焊缝处第一主应力最大值的对比，由计算结果可知本发明的改进方案和对比方案1要优于对比方案2，但是对比方案1使第二焊趾4处的最大应力值明显增加，而且最大应力离圆弧开口处比较近，此处同样容易产生疲劳裂纹。本发明的改进方案以及两种对比方案对焊根5处最大应力值影响不大。综上所述，本发明的改进方案结果较理想，它可以有效的降低围焊处的应力集中，而且使第二焊趾4处最大主应力增加不多，从而提高该构造细节的疲劳寿命。

最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为