結(jié)構(gòu)鋼焊接殘余應(yīng)力三維有限元分析

目前對殘余應(yīng)力的研究理論分析方法尚不成熟，主要通過試驗測量及有限元分析得到，其中主要的試驗方法有應(yīng)力松弛法(如鉆孔法，切割法等)，X射線法和裂紋法等。但這些方法還停留在實驗室階段，無法用于實際焊件殘余應(yīng)力的測定。因此對焊接鋼結(jié)構(gòu)殘余應(yīng)力的研究多采用有限元分析。對于簡單構(gòu)件的三維有限元計算已經(jīng)有一定的研究成果，但因為計算的復雜性，對于梁柱焊接節(jié)點這類較復雜結(jié)構(gòu)的有限元研究主要以二維計算為主。Zhang采用二維有限元及簡化試驗分析了栓焊混接節(jié)點中梁柱翼緣對接焊縫中的殘余應(yīng)力的分布，Matos等人在此基礎(chǔ)上采用二維有限元分析了由于焊接殘余應(yīng)力的存在梁柱對接焊縫在靜力及循環(huán)荷載下的力學性能。
本文通過三維有限元分析，針對鋼板對接焊縫及腹板與翼緣角焊縫連接的工字型截面梁，研究了焊接的溫度場，殘余應(yīng)力分布及殘余變形，并且通過有限元計算進一步研究了由于焊接殘余應(yīng)力的存在，熱影響區(qū)內(nèi)鋼材受力性能的變化。
(1)焊接殘余應(yīng)力的計算方法
焊接過程的數(shù)值模擬存在著溫度場與應(yīng)力及變形場的藕合問題，兩者相互影響。研究表明，應(yīng)力及變形場對溫度場分布的影響主要是變形熱，而相對于焊接熱量的輸入很小，可以忽略不計。有限元計算過程中，矢量場計算量遠大于標量場計算量，為提高計算效率，一般忽略應(yīng)力及變形場對溫度場的的藕合作用，采用間接法計算焊接殘余應(yīng)力。其計算步驟如下：①建立有限元模型，定義不同溫度下材料的熱物理參數(shù)，并且定義熱力學邊界條件(如溫度，對流，輻射等)；②通過移動熱源的輸入及冷卻過程進行瞬態(tài)熱計算模擬焊接溫度循環(huán)過程，得到焊接過程中的瞬態(tài)溫度場；③將熱單元轉(zhuǎn)變?yōu)榻Y(jié)構(gòu)單元，定義不同溫度下材料的力學參數(shù)及結(jié)構(gòu)邊界條件；①把計算得到的溫度場做為荷載施加到結(jié)構(gòu)上求出殘余應(yīng)力場和殘余變形。
模擬過程中的難點在于多道焊縫的模擬、焊接熱源的輸入以及輻射和相變的影響。
(2)多道焊接的模擬
焊接過程中，按照焊接順序，各道焊縫是依次生成的，所以在計算某一道焊縫的溫度場和應(yīng)力場過程中，后面施加的焊縫不應(yīng)該參與計算。在有限元模擬中一般采用單元“生死”功能，將尚未焊接不參與作用的焊縫單元設(shè)為死單元，其剛度矩陣乘以一個遠小于1的量。這樣計算溫度場時，生單元及死單元之間的熱量交換趨近于零，而計算應(yīng)力場時，死單元上的應(yīng)力及對其相鄰單元的約束也趨近于零。在計算過程中不斷地“激活”單元，以模擬焊縫的不斷生成過程。
(3)焊接熱源的輸入
(4)輻射及相變
焊接過程中，焊接構(gòu)件與周圍環(huán)境之間存在熱量交換。溫度較低時，材料的散熱以對流為主；溫度較高時，材料的散熱以輻射為主。在焊接過程有限元計算中，一般采用等效表面放熱系數(shù)，用一個參數(shù)同時考慮輻射與對流的散熱。文獻列出了鋼材的等效表面放熱系數(shù)在不同溫度下的數(shù)值。

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