哈尔滨工业大学硕士学位论文
摘要
Q345无缝钢管具有较好的可焊性和耐腐蚀性，并且有较好的冷、热加工
性能和综合力学性能，常用于船舶、桥梁、海洋平台等承载较高的焊接结构
件。海洋平台在运行时常承受风浪等循环荷载的作用，其管节点往往是整体
结构的薄弱部位。管节点相贯焊缝处因为几何不连续导致产生较严重且复杂
的应力集中，也常成为裂纹的萌生位置，易发生疲劳破坏而降低结构整体的
服役寿命。管节点的疲劳试验较难开展，且现有评估方法对管节点焊接接头
疲劳性能的计算精度依靠专业积累，结果无可移植性、鲁棒性低。在对比多
种焊接接头疲劳性能评估方法的优缺点后，本文选择了结构应力法作为管节
点疲劳性能评估方法。
本文通过有限元分析与试验相结合的方法对T型和K型Q345钢管相贯
节点的疲劳性能展开系统研究。结构应力法是基于断裂力学的疲劳性能预测
方法，该方法应用于有限元分析上具有网格不敏感、疲劳评估效果好等优点。
本文基于结构应力法计算原理，实现了使用壳单元对管节点快速建模分析，
并与管节点实体单元模型分析结果进行对比，验证了管节点壳单元模型的准
确性。实现了壳单元模型以更小的网格划分难度和计算代价得到和实体单元
模型相近的分析结果。在此工作基础上，基于结构应力法借助有限元软件
ABAQUS与后处理软件fe-safe对比不同几何参数主管径厚比γ和支主管外
径比β对管节点相贯处焊缝应力集中的影响规律，得出了通过降低管节点应
力集中系数实现提高管节点疲劳性能的几何参数设计原则。
对现有管节点疲劳试验报道及相关专利提出的管件约束方案进行可行性
研究，发现已有管节点约束方案存在不可重复使用、对于不同几何尺寸管件
的通用性较差等局限性，设计了两款兼容不同几何尺寸的管节点疲劳试验机
夹具。分析管节点的承载特性，借助ABAQUS分析了夹具受力状态，设计并
制造了瓶塞型夹具，开展了管节点疲劳试验，证实了夹具的适用性与可靠性。
采用自行设计的夹具，开展了T型和K型管节点主管拉伸试验和X型
管节点支管受拉疲劳试验。使用数字图像相关法（DIC）监测T型和K型管
节点试件鞍点、冠点位置的应变分布状态。然后基于已有论文中T型管节点
疲劳试验的试件尺寸及加载条件对其试件进行有限元分析计算相应的等效结
构应力。通过对夹具适用性分析，考虑到使用夹具需要满足使焊缝位置应力
I
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集中程度高于螺栓孔位置应力集中程度的限制条件。开展X型管节点支管受
拉的疲劳试验，对管节点疲劳裂纹断口进行SEM分析，并对X型管节点进
行有限元建模分析计算相应失效位置的等效结构应力。整理汇总T型与X型
管节点的疲劳寿命和等效结构应力，得到典型管节点的主S-N曲线，对管节
点疲劳性能进行评价，从典型管节点主S-N曲线中可以看出降低主管径厚比
γ有利于降低管节点相贯线焊缝位置的应力集中程度，即降低主管径厚比γ有
利于提高管节点疲劳性能。此研究结果对海洋工程管节点抗疲劳设计提供理
论指导和数据支撑。
关键词：管节点焊接接头；结构应力法；应力集中；疲劳试验
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Abstract
Q345seamlesssteelpipehasgoodweldabilityandcorrosionresistance,as
wellasgoodcoldandhotworkingpropertiesandcomprehensivemechanical
properties.Itiscommonlyusedinweldedstructuralpartswithhighloadsuchas
ships,bridges,offshoreplatforms,etc.Offshoreplatformsoftenbearcyclicloads
suc