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结构钢焊接残余应力三维有限元分析

发布于:2020-09-27 21:24
有限元分析

       目前对残余应力的研究理论分析方法尚不成熟,主要通过试验测量及有限元分析得到,其中主要的试验方法有应力松弛法(如钻孔法,切割法等),X射线法和裂纹法等。但这些方法还停留在实验室阶段,无法用于实际焊件残余应力的测定。因此对焊接钢结构残余应力的研究多采用有限元分析。对于简单构件的三维有限元计算已经有一定的研究成果,但因为计算的复杂性,对于梁柱焊接节点这类较复杂结构的有限元研究主要以二维计算为主。Zhang采用二维有限元及简化试验分析了栓焊混接节点中梁柱翼缘对接焊缝中的残余应力的分布,Matos等人在此基础上采用二维有限元分析了由于焊接残余应力的存在梁柱对接焊缝在静力及循环荷载下的力学性能。
       本文通过三维有限元分析,针对钢板对接焊缝及腹板与翼缘角焊缝连接的工字型截面梁,研究了焊接的温度场,残余应力分布及残余变形,并且通过有限元计算进一步研究了由于焊接残余应力的存在,热影响区内钢材受力性能的变化。
       (1)焊接残余应力的计算方法
       焊接过程的数值模拟存在着温度场与应力及变形场的藕合问题,两者相互影响。研究表明,应力及变形场对温度场分布的影响主要是变形热,而相对于焊接热量的输入很小,可以忽略不计。有限元计算过程中,矢量场计算量远大于标量场计算量,为提高计算效率,一般忽略应力及变形场对温度场的的藕合作用,采用间接法计算焊接残余应力。其计算步骤如下:①建立有限元模型,定义不同温度下材料的热物理参数,并且定义热力学边界条件(如温度,对流,辐射等);②通过移动热源的输入及冷却过程进行瞬态热计算模拟焊接温度循环过程,得到焊接过程中的瞬态温度场;③将热单元转变为结构单元,定义不同温度下材料的力学参数及结构边界条件;①把计算得到的温度场做为荷载施加到结构上求出残余应力场和残余变形。
       模拟过程中的难点在于多道焊缝的模拟、焊接热源的输入以及辐射和相变的影响。
       (2)多道焊接的模拟
       焊接过程中,按照焊接顺序,各道焊缝是依次生成的,所以在计算某一道焊缝的温度场和应力场过程中,后面施加的焊缝不应该参与计算。在有限元模拟中一般采用单元“生死”功能,将尚未焊接不参与作用的焊缝单元设为死单元,其刚度矩阵乘以一个远小于1的量。这样计算温度场时,生单元及死单元之间的热量交换趋近于零,而计算应力场时,死单元上的应力及对其相邻单元的约束也趋近于零。在计算过程中不断地“激活”单元,以模拟焊缝的不断生成过程。
       (3)焊接热源的输入
       (4)辐射及相变
       焊接过程中,焊接构件与周围环境之间存在热量交换。温度较低时,材料的散热以对流为主;温度较高时,材料的散热以辐射为主。在焊接过程有限元计算中,一般采用等效表面放热系数,用一个参数同时考虑辐射与对流的散热。文献列出了钢材的等效表面放热系数在不同温度下的数值。



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