單軸對稱焊接工字梁殘余應(yīng)力研究

1、單軸對稱焊接工字梁殘余應(yīng)力研究摘要：焊接殘余應(yīng)力是影響梁整體穩(wěn)定的重要因素，在梁整體穩(wěn)定設(shè)計中應(yīng)該考慮殘余應(yīng)力對梁的影響。我國現(xiàn)行鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范(gb50017-2003 )中只提出了雙軸對稱焊接工字梁的整體穩(wěn)定系數(shù)，其他截面只能借用，合適與否，需要進一步的證明。因此，本文對單軸對稱焊接工字梁的殘余應(yīng)力進行研究，為其整體穩(wěn)定設(shè)計提供參考。本文以焊接過程的有限元理論為基礎(chǔ)，總結(jié)前人的經(jīng)驗和成果，應(yīng)用大型通用軟件ansys對焊接過程進行三維數(shù)值模擬，首先采用間接法，對現(xiàn)有單雙軸對稱截面焊接工字梁實驗進行模擬，以生熱率的形式施加熱源，同時通過“控制單元的生死”有效模擬了焊縫金屬的填充、熔化和凝固過程，有

2、限元計算結(jié)果與試驗結(jié)果比較吻合，證實了計算模型的有效性，為用有限元分析焊接工字形截面梁殘余應(yīng)力提供了一種方法，并對單雙軸對稱截面焊接工字梁殘余應(yīng)力進行計算對可知：單軸對稱截面梁上下翼緣殘余應(yīng)力分布曲線與雙軸對稱截面上下翼緣殘余應(yīng)力分布區(qū)曲線類似，呈拋物線分布，但單軸對稱截面上下翼緣殘余應(yīng)力在數(shù)值上并不完全相同，殘余壓應(yīng)力在數(shù)值上有一定差別；單軸對稱截面梁腹板殘余應(yīng)力分布曲線與雙軸對稱截面腹板殘余應(yīng)力分布曲線不同，腹板兩端的殘余應(yīng)力并不成對稱分布，靠近下翼緣一側(cè)的殘余壓應(yīng)力要小于靠近上翼緣一側(cè)的殘余壓應(yīng)力，呈梯形分布。這是由于上下翼緣寬度不同造成溫度場分布不同，從而導(dǎo)致殘余應(yīng)力的不對稱分布。通過

3、研究梁翼緣寬厚比、腹板高厚比、上下翼緣寬度比等參數(shù)對單軸對稱截面殘余應(yīng)力影響可知：在保持上翼緣寬度不變的情況下，改變翼緣的厚度，隨著翼緣寬厚比逐漸減小，上下翼緣和腹板的殘余應(yīng)力逐漸減小，受拉區(qū)有增大趨勢；在保持腹板厚度不變的情況下，改變腹板的高度，隨著腹板高厚比逐漸增大，上下翼緣的殘余應(yīng)力逐漸減小，受拉區(qū)逐漸增大，腹板上下殘余拉應(yīng)力逐漸減小，但是隨著腹板面積的逐漸加大，腹板上下殘余壓應(yīng)力逐漸加大，受壓區(qū)有增大趨勢；在保持上翼緣寬度不變的情況下，改變下翼緣的寬度，隨著上下翼緣寬度比逐漸減小，上下翼緣和腹板殘余應(yīng)力有所增加，上下翼緣殘余應(yīng)力在分布趨勢和數(shù)值上趨于一致，腹板上下殘余壓應(yīng)力在數(shù)值上也趨

4、于一致，梯度逐漸減小，單軸對稱截面殘余應(yīng)力在分布曲線上趨于雙軸對稱截面殘余應(yīng)力經(jīng)典分布。通過對單軸對稱焊接工字梁殘余應(yīng)力的模擬計算，為以后焊接結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計提供重要依據(jù)。關(guān)鍵詞：焊接殘余應(yīng)力；數(shù)值模擬；單軸對稱工字梁；生死單元 abstractwelding residual stress is the effect of the whole stability of the important factors beam, the overall stability in beam design should be considered in the influence of the resi

5、dual stress of the beam. our current steel structure specifications (gb50017-2003) only put forward the dual axle welding symmetrically strander overall stability coefficient of the beam, and other section can only borrow, if appropriate, need to be further proof. therefore, this paper single beam w

6、elding of axisymmetric encountered residual stress in research, for its overall stability provides referen-ce for the design.in this paper, the finite element welding process based on the theory, summed up the experiences and results, a large general-purpose application software ansys three-dimensio

7、nal numerical simulation of welding process, first using the indirect method, symmetrical cross-section of existing single-axis beam welders experiment simulation, in order to impose the form of heat rate of heat at the same time through the control unit of the life and death effective simulation of

8、 the weld metal filling, melting and solidification process, finite element analysis good agreement with the experimental results, confirming the effective computational model sex, for the use of finite element analysis-shaped cross-section beam welders provide a method of residual stress, and singl

9、e-axis symmetrical cross-section beam welders for residual stress calculation shows that: the upper and lower flange section beam axis symmetrical residual stress distribution curve symmetrical cross-section from top to bottom flange with the biaxial residual stress distribution curve is similar to

10、a parabolic distribution, but the uniaxial symmetry section of the upper and lower flange residual stress are not identical in value, the residual compressive stress there are some differences in values; uniaxial symmetry beams with web biaxial residual stress distribution curve symmetrical cross-se

11、ction of different web residual stress distribution curve, the residual stress at both ends of the web is not as symmetrical, close to the lower flange side of the residual compressive stress is less than one near the top flange side of the residual compressive stress, trapezoidal distribution. this

12、 is due to the different upper and lower flange width of the temperature distribution caused by different, resulting in asymmetric distribution of residual stress.by studying the beam flange width to thickness ratio, web thickness ratio, the upper and lower flange width and other parameters of the u

13、niaxial symmetry than the cross-section shows the residual stress effects: on the flange width to maintain the same in the case, change the thickness of the flange, with the flange width to thickness ratio decreases, the upper and lower flange and web of residual stress gradually decreases with incr

14、ease in tension zone trends; web thickness while maintaining the same circumstances, to change the height of the web, with the abdominal plate thickness ratio increases, the upper and lower flange of the residual stress gradually decreases gradually increasing tension zone, the web up and down the r

15、esidual tensile stress decreases, but with the gradual increase in the area of web, web up and down the residual stress gradually increased, there is increasing trend of compression zone; on the flange width to maintain the same in the case, change the width of lower flange, with the upper and lower

16、 flange width ratio decreases, the upper and lower flange and web an increase in residual stress, residual stress in the upper and lower flange distribution line on the trends and values, the residual compressive stress in the upper and lower webs value is also consistent, gradient decreases, the re

17、sidual stress in the uniaxial symmetry cross-section on the distribution curve residual stress tends to biaxial symmetry classic cross-section distribution. uniaxial symmetry by beam welders residual stress simulation, optimization for the future design of welded structures provide an important basi

18、s.keywords: welding residual stress; numerical simulation；monosymmetric i-section beams；birth-death element碩士研究生學位論文第一章 緒論5第一章 緒論1.1 引言近年來，單軸對稱焊接工字梁在工程中的應(yīng)用越來越廣泛，與傳統(tǒng)的雙軸對稱焊接工字梁相比，其上下翼緣的強度都得到了充分的發(fā)揮，承載能力明顯提高，從而節(jié)省了用鋼量，在鋼材價格大幅上漲的今天更凸顯其應(yīng)用的價值1-2，鋼結(jié)構(gòu)的承載力一直是結(jié)構(gòu)領(lǐng)域關(guān)注的焦點，影響單軸對稱焊接工字梁承載力的因素很多，焊接殘余應(yīng)力是其中一個非常關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。焊接的

19、技術(shù)核心通常是構(gòu)件局部加熱熔化,隨后是連續(xù)的冷卻3。鋼材在焊接和冷卻的過程中, 其局部形成一個很不均勻的溫度場, 由于膨脹和收縮的程度和速度不同, 溫度場內(nèi)各部分鋼材的變形相互制約, 產(chǎn)生了不可逆轉(zhuǎn)的塑性變形, 導(dǎo)致焊件在完全冷卻后, 其上仍然存在著殘余應(yīng)力，即焊接殘余應(yīng)力4。殘余應(yīng)力的峰值甚至可能達到或超過材料的屈服極限,當這些焊接構(gòu)件投入使用時,它們所受載荷引起的工作應(yīng)力與其內(nèi)部的焊接殘余應(yīng)力相疊加,將導(dǎo)致焊接構(gòu)件產(chǎn)生二次變形和焊接殘余應(yīng)力的重新分布,是的其在鋼材的保證穩(wěn)定性能的尺寸和它的剛度方面的能力下降了5。焊接構(gòu)件的焊接接頭的疲勞強度的問題和鋼材的剛性的問題的影響因素在于，焊接時候的

20、溫度、焊接時候所處的環(huán)境及在焊接過程中產(chǎn)生的應(yīng)力問題，在這三方面問題的共同作用下產(chǎn)生的，還會對結(jié)構(gòu)的抵抗脆斷的性能、腐蝕開裂的性能及其在高溫下的蠕變開裂的性能產(chǎn)生降低的效果。綜合上面的各種原因，對其的研究以逐步的成為結(jié)構(gòu)領(lǐng)域的重點課題3。應(yīng)用現(xiàn)代有限元技術(shù)，建立三維模型，對焊件進行仿真模擬，掌握其產(chǎn)生和存在的規(guī)律性,并采取相應(yīng)的技術(shù)措施改善其分布特性,對于提高焊接結(jié)構(gòu)或接頭的承載能力,延長使用壽命具有重要的工程實用價值，ansys是以有限元分析為基礎(chǔ)的大型通用cae軟件,其強大的熱、結(jié)構(gòu)耦合及瞬態(tài)、非線性分析能力使其在焊接模擬技術(shù)中具有廣闊的前景,已有研究人員基于ansys軟件，編制了焊接殘余

21、應(yīng)力數(shù)值模擬的程序,并給出了具體實現(xiàn)過程,利用該程序?qū)嶒灪附釉嚢宓臍堄鄳?yīng)力進行了數(shù)值模擬,模擬結(jié)果與測量結(jié)果吻合較好，對于焊接殘余應(yīng)力的研究正在向著定量化、精確化的目標邁進6。1.2 焊接殘余應(yīng)力概述1.2.1 焊接殘余應(yīng)力的概念焊件在焊接過程中，熱應(yīng)力、相變應(yīng)力、 加工應(yīng)力等超過屈服極限（yield strength），以致冷卻后焊件中留有未能消除的應(yīng)力，這樣，焊接冷卻后的殘余在焊件中的宏觀應(yīng)力稱為殘余焊接應(yīng)力，焊接應(yīng)力包括沿焊縫長度方向的縱向焊接應(yīng)力，垂直于焊縫長度方向的橫向焊接應(yīng)力和沿厚度方向的焊接應(yīng)力。焊接過程中，焊縫區(qū)被急速的加熱，并局部熔化，焊材受熱膨脹，焊接熱應(yīng)力的產(chǎn)生是由于周

22、圍溫度較低區(qū)域的約束，隨著溫度的升高，受熱區(qū)域的屈服極限下降，有部分的焊接熱應(yīng)力的超出了常溫下的屈服強度，這樣，熱壓縮的焊縫區(qū)域形成，經(jīng)過冷卻降溫，和附件的區(qū)域相比，減小、縮短或者變窄，所以，此區(qū)域就以殘余拉應(yīng)力為主，附近區(qū)域就以殘余壓應(yīng)力為主，而降溫冷卻過程中由于纖維組織而產(chǎn)生的體積變化發(fā)生在溫度較低的區(qū)域，而且材料有較高的屈服極限，這樣該區(qū)域就會以殘余壓應(yīng)力為主，而且它的附近區(qū)域會議殘余拉應(yīng)力為主。 產(chǎn)生焊接殘余應(yīng)力的情況可以應(yīng)用經(jīng)驗法則來判斷：熱應(yīng)力為最后冷卻的區(qū)域，焊接拉伸應(yīng)力為主，焊接壓應(yīng)力是在相變的應(yīng)力為主時。1.2.2 焊接殘余應(yīng)力產(chǎn)生的原因及影響因素焊接殘余應(yīng)力產(chǎn)生的主要原因是

23、由焊接過程中的不均勻加熱所引起的，焊應(yīng)力按照其發(fā)生的來源分為三種情況：直接產(chǎn)生的殘余應(yīng)力，不均勻加熱和冷卻導(dǎo)致的，決定在于不均勻加熱和冷卻的溫度梯度，是焊接殘余用應(yīng)力產(chǎn)生的關(guān)鍵；間接產(chǎn)生的殘余應(yīng)力，焊接過程之前的加工狀況導(dǎo)致的，焊件若經(jīng)歷過軋剎或拉拔時，都會使之具有此類殘余應(yīng)力，這種殘余應(yīng)力在某種場合下會加到焊接殘余應(yīng)力上去，也往往會在焊后的變形中產(chǎn)生附加性影響，而且外界約束對于焊件產(chǎn)生的附加應(yīng)力也應(yīng)該歸于此類型應(yīng)力；組織變化產(chǎn)生的殘余應(yīng)力，相變導(dǎo)致比熱容變化產(chǎn)生組織變化導(dǎo)致的，盡管因材料中碳的含量不同而異，但一般情況下這種影響必須要加以考慮的是發(fā)生相變的溫度和平均冷卻速度8。焊接應(yīng)力的產(chǎn)生和

24、發(fā)展是一個隨加熱與冷卻而變化的材料熱彈塑性，應(yīng)力應(yīng)變動態(tài)過程。以熔焊方法為例，影響焊接應(yīng)力產(chǎn)生的主要因素有以下2個方面:(1)材料物理特性和力學性能的影響。熱導(dǎo)率、比熱容、密度或由這幾個參數(shù)聯(lián)合表示的熱擴散率，是影響焊接溫度場分布的主要物理參數(shù)。線膨脹系數(shù)隨溫度的變化則是決定焊接熱應(yīng)力應(yīng)變的重要物理特性。這些變化在焊接過程中，每時每刻都影響焊接溫度場和焊接應(yīng)力的分布。這些變化也構(gòu)成了理論分析和數(shù)值計算(如有限元數(shù)值分析)時的復(fù)雜性和局限性，因此，在一般簡化計算中，只用一定溫度范圍內(nèi)的這些參數(shù)的平均值來求解。(2)不同類型焊接熱源的影響。焊接時的熱輸入是產(chǎn)生焊接應(yīng)力的決定性因素。焊接熱源的種類、

25、熱源能量密度的分布、熱源的移動速度、被焊接件的形狀與厚度都直接影響著熱源引起的溫度場分布，因而也改變著焊接殘余應(yīng)力的分布規(guī)律。在函數(shù)解析求解焊接溫度場時，這種分類可使最終的計算公式簡化。而用有限元方法數(shù)值求解時，原則上允許考慮任何復(fù)雜的情況;但實際上，為了節(jié)省運算時間，從經(jīng)濟的角度考慮也需作相應(yīng)的簡化。1.2.3 焊接殘余應(yīng)力對焊接結(jié)構(gòu)的影響在焊件過程中，焊接結(jié)構(gòu)的殘余應(yīng)力和其所受載荷引起的工作應(yīng)力相互疊加，使其產(chǎn)生二次變形和殘余應(yīng)力的重新分布，這不但會降低焊接結(jié)構(gòu)的剛性和尺寸穩(wěn)定性，而且在溫度和介質(zhì)的共同作用下，還會嚴重影響結(jié)構(gòu)和焊接接頭的疲勞強度、抗脆斷能力、抵抗應(yīng)力腐蝕開裂和高溫蠕變開裂

26、的能力。殘余應(yīng)力對結(jié)構(gòu)性能的影響主要有以下幾個方面: (1)殘余應(yīng)力對靜載強度的影響。如果材料具有足夠的塑性，且結(jié)構(gòu)的受力特征使得其在承載后能充分表現(xiàn)其塑性變形能力，則當疊加后的應(yīng)力峰值達到后就不再增加，僅產(chǎn)生塑性變形。應(yīng)力未達到屈服強度的區(qū)域，則隨著外力的增加，應(yīng)力繼續(xù)增加，整個截面上的應(yīng)力逐漸趨于均勻，直到構(gòu)件截面上全部應(yīng)力都達到屈服強度為止。只要材料有足夠的塑性變形能力且能在承載后充分地表現(xiàn)出來，殘余應(yīng)力的存在就不影響構(gòu)件的承載能力，即對構(gòu)件的靜載強度沒有影響。但若因結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)或結(jié)構(gòu)自身特點使得其內(nèi)在的塑性變形能力不能在承載后充分地表現(xiàn)出來，則殘余應(yīng)力將影響構(gòu)件的承載能力。例如，雖然材

27、料具有足夠的塑性，但在低溫環(huán)境下存在三向拉伸殘余應(yīng)力作用的情況下，會阻礙塑性變形的產(chǎn)生，從而也會大大降低構(gòu)件的承載能力。如果材料是脆性材料或因結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)或結(jié)構(gòu)自身特點使得其內(nèi)在的塑性變形能力不能在承載后充分地表現(xiàn)出來，由于材料不能進行塑性變形，那么，隨著外力的增加，構(gòu)件中不可能應(yīng)力均勻化。應(yīng)力峰值將不斷增加，直至達到材料的屈服極限值，并發(fā)生局部破壞，最后導(dǎo)致整個構(gòu)件斷裂。脆性材料殘余應(yīng)力的存在，會使承載能力下降，導(dǎo)致斷裂。(2)殘余應(yīng)力對疲勞強度的影響。殘余應(yīng)力對于疲勞強度的影響是人們廣泛關(guān)心的問題。如果構(gòu)件中存在著殘余應(yīng)力，則它將始終作用于應(yīng)力循環(huán)中，使整個應(yīng)力循環(huán)的應(yīng)力值偏移一個值，這種

28、偏移只改變其平均值，不改變其幅值。結(jié)構(gòu)的疲勞強度與應(yīng)力循環(huán)的特征有關(guān)。當應(yīng)力循環(huán)的平均值增加時，其極限幅值就降低，反之則提高。因此，如應(yīng)力集中處存在著拉伸殘余應(yīng)力，疲勞強度就降低。應(yīng)力集中系數(shù)越高，殘余應(yīng)力的影響也就越顯著。(3)殘余應(yīng)力對結(jié)構(gòu)剛度的影響。當外載產(chǎn)生的應(yīng)力與結(jié)構(gòu)中某區(qū)域的殘余應(yīng)力疊加之和達到屈服點時，這一區(qū)域的材料就會產(chǎn)生局部塑性變形，喪失了進一步承受外荷載的能力，造成結(jié)構(gòu)的有效截面積減小，結(jié)構(gòu)的剛度也隨之降低。在實際的生產(chǎn)中，各種焊縫和火焰校正都可能在相當大的截面上產(chǎn)生較大的殘余應(yīng)力，雖然它們在構(gòu)件長度方向上的分布范圍較小，但它們對剛度的影響是不可忽視的。特別是采用大量火焰校

29、正后的焊接梁，在加載后可能產(chǎn)生較大的變形，而卸載后回彈量不足，應(yīng)予重視。(4)殘余應(yīng)力對壓桿穩(wěn)定性的影響。構(gòu)件截面上的壓縮殘余應(yīng)力將與外載引起的壓應(yīng)力疊加。壓應(yīng)力的疊加使壓應(yīng)力區(qū)先達到屈服強度。該區(qū)應(yīng)力不再增加，從而使該區(qū)喪失進一步承受外力的能力。這樣就相當于削弱了構(gòu)件的有效面積。應(yīng)該指出，殘余應(yīng)力的影響只在構(gòu)件的一定的長細比范圍內(nèi)起作用。殘余應(yīng)力對受壓桿件穩(wěn)定的影響，在桿件長細比為90左右時最嚴重。當桿件的長細比較大(150)，它的臨界應(yīng)力本來就比較低時，或者當殘余應(yīng)力的數(shù)值較低時，外載應(yīng)力與殘余應(yīng)力之和在失穩(wěn)前仍未達到屈服強度，則殘余應(yīng)力對穩(wěn)定性不會產(chǎn)生影響。此外，當桿件的長細比較小(30

30、)，相對偏心又不大 (0.1)時，其臨界應(yīng)力主要決定于桿件的全面屈服，殘余應(yīng)力也不致產(chǎn)生大的影響。對翼緣的寬度與厚度的比值(b/t)較大的h形截面，壓縮殘余應(yīng)力將降低翼緣的局部穩(wěn)定性。局部失穩(wěn)可在焊件服役過程中，焊接結(jié)構(gòu)的殘余應(yīng)力和其所受載荷引起的工作應(yīng)力相互疊加，使其產(chǎn)生二次變形和殘余應(yīng)力的重新分布，這不但會降低焊接結(jié)構(gòu)的剛性和尺寸穩(wěn)定性，而且在溫度和介質(zhì)的共同作用下，還會嚴重影響結(jié)構(gòu)和焊接接頭的疲勞強度、抗脆斷能力、抵抗應(yīng)力腐蝕開裂和高溫蠕變開裂的能力。(5)殘余應(yīng)力對機械加工精度的影響。焊件若未經(jīng)消除應(yīng)力處理，內(nèi)部會存在自相平衡的殘余應(yīng)力。而機械切削加工把一部分材料從工件切去，如切削掉的

31、是承受殘余應(yīng)力的部分金屬，破壞了原來工件中殘余應(yīng)力的平衡，焊件則產(chǎn)生變形(稱為二次變形)，從而使殘余應(yīng)力重新分布，以求得新的平衡。即便切削是在夾具卡固下加工，加工過程雖不會表現(xiàn)出這種二次變形，但當夾具一旦撤除，二次變形馬上就會出現(xiàn)，仍然影響加工精度。保證焊件加工精度最徹底的辦法是先消除焊接殘余應(yīng)力，然后再進行機械加工，有時也可以在機械加工工藝上做些調(diào)整來達到這個目的。(6)殘余應(yīng)力對應(yīng)力腐蝕開裂的影響。應(yīng)力腐蝕開裂(簡稱應(yīng)力腐蝕)是拉應(yīng)力和腐蝕介質(zhì)共同作用下產(chǎn)生裂縫的一種現(xiàn)象，在一定的材料和介質(zhì)的組合下發(fā)生。由于拉應(yīng)力的作用對金屬表面腐蝕鈍化膜不斷破壞，從而加速腐蝕破壞過程。拉應(yīng)力越大，發(fā)生應(yīng)

32、力腐蝕斷裂越快，如有殘余拉應(yīng)力，則會和工作應(yīng)力疊加，加速應(yīng)力腐蝕開裂。1.3 課題研究的目的和意義在焊接梁中，由于焊接殘余應(yīng)力很大，從一開始加載荷起，焊接梁實際上也就進入彈塑性工作階段，我國現(xiàn)行的鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范(gb50017-2003 )7中，對于焊接梁的彈塑性整體穩(wěn)定系數(shù)是根據(jù)雙軸對稱焊接和軋制工字形截面簡支梁在考慮等效殘余應(yīng)力情況下導(dǎo)出的，其它截面情況只能借用，是否合適，尚需進一步具體分析。因此，分析焊接殘余應(yīng)力對單軸對稱焊接工字梁整體穩(wěn)定的影響，為其整體穩(wěn)定設(shè)計提供參考，成為本課題的目的。而焊接殘余應(yīng)力是影響梁整體穩(wěn)定的重要因素，在梁整體穩(wěn)定設(shè)計中應(yīng)對不同截面形式下焊接殘余應(yīng)力對焊接結(jié)構(gòu)的

33、影響加以考慮，以優(yōu)化梁的整體穩(wěn)定設(shè)計。要分析焊接殘余應(yīng)力對單軸對稱焊接工字梁整體穩(wěn)定的影響，就先要得到其殘余應(yīng)力分布，許多國家用各種方法對構(gòu)件中的殘余應(yīng)力進行了測量,并通過統(tǒng)計分析,給出了普通工字型鋼、焊接雙軸對稱工字形鋼、軋制h型鋼等截面的殘余應(yīng)力分布圖，但是,能查閱到的有關(guān)單軸對稱焊接工字形截面殘余應(yīng)力分布的文獻較少，因此，準確全面的了解單軸對稱焊接工字梁殘余應(yīng)力的分布對其整體穩(wěn)定設(shè)計具有重要意義8。近年來，焊接殘余應(yīng)力對結(jié)構(gòu)承載能力的影響引起人們越來越多的關(guān)注?，F(xiàn)行鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范(gb50017-2003)7中，包含了焊接構(gòu)件的變形和殘余應(yīng)力影響條件下的軸心受力焊接構(gòu)件的整體穩(wěn)定的系數(shù)，

34、規(guī)范中鋼結(jié)構(gòu)劃分為了8種不同的類型，是根據(jù)焊接結(jié)構(gòu)所選用的焊接時候的焊縫的形式的不同。要計算焊接構(gòu)件的承載能力的影響必須以求得焊接殘余應(yīng)力為基礎(chǔ)，必須對殘余應(yīng)力有全面深入的了解8。目前對焊接殘余應(yīng)力研究的理論分析方法尚不成熟，主要通過試驗測量，由于實驗受到各種因素的限制，導(dǎo)致收集的數(shù)據(jù)的精度并不能達到要求，無法用于實際焊件殘余應(yīng)力的測定9。焊接殘余應(yīng)力分布規(guī)律的研究仍是鋼結(jié)構(gòu)領(lǐng)域的熱點和難點10；隨著ansys等大型應(yīng)用軟件的開發(fā)和利用,對于焊接殘余應(yīng)力的研究也進入了仿真模擬的時代,它不僅可以減少實驗的用時、減少花費,還能知道構(gòu)件上殘余應(yīng)力連續(xù)的分布的趨勢,焊接工藝得到了優(yōu)化，但對于焊接殘余應(yīng)

35、力的分析還有許多工作要做：首先，焊接殘余應(yīng)力數(shù)值模擬對計算機資源的耗費很大，如何合理簡化焊接殘余應(yīng)力數(shù)值模擬的力學模型是有待解決的重要課題之一；其次，焊接殘余應(yīng)力的數(shù)值研究在精確性和穩(wěn)定性方面還有一些問題，美國焊接結(jié)構(gòu)研究中心p.dongf.w.burst經(jīng)過多年研究發(fā)現(xiàn)，目前焊接殘余應(yīng)力計算結(jié)果在很多時候偏大，也有極少數(shù)時候可能出現(xiàn)偏小的情況10-11，因此建立一套完整的焊接殘余應(yīng)力的數(shù)值分析理論及數(shù)值模擬方法尤其重要。針對以上的情況，本文應(yīng)用ansys對單軸對稱焊接工字梁進行焊接殘余應(yīng)力三維數(shù)值模擬分析，從而彌補單軸對稱焊接工字梁在殘余應(yīng)力分析方面的不足，該研究成果無論是對承載力設(shè)計還是工

36、藝設(shè)計都有一定的參考價值。1.4 國內(nèi)外同類課題研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢1.4.1 國內(nèi)外焊接熱分析研究現(xiàn)狀熱傳導(dǎo)問題的研究早在30年代就開始了，首先是d羅森賽爾在熱源方面的突破，其通過熱分析中的以有的理論熱傳導(dǎo)的方程，研究了在固體中動態(tài)熱源的傳導(dǎo)問題；而正式在焊接過程理論方面進行一系列的研究的是rykalin院士(蘇聯(lián))，他的理論分析把熱源具體的劃分為了，點熱源、線熱源和面熱源，這三種熱源的表現(xiàn)形式，現(xiàn)在仍在使用，但是在分析過程中其沒有研究材料的高溫物理性能變化和對方程的解答產(chǎn)生影響的構(gòu)件在大小方面等因素，焊接過程中的關(guān)鍵問題就是在于，其焊接鋼材的材料屬性是隨著溫度的變化而變化的，并且不是呈現(xiàn)線性

37、變化趨勢，整個過程都是呈現(xiàn)為非線性的變化，之間鋼材會發(fā)生各種復(fù)雜的變化，單純的應(yīng)用固定溫度下的材料的屬性，是無法很好的模擬真?zhèn)€焊接的過程，得到和現(xiàn)實相符合的結(jié)果，而焊接過程的在焊縫區(qū)域的非線性變化是研究焊接問題的重點，該理論在實用方面還存在一定的缺陷 12-14。對焊接過程的研究由原來的知識在理論層面的研究，轉(zhuǎn)換到了實驗研究上，一切理論的產(chǎn)生都要以大量的實驗為理論基礎(chǔ)，在實驗的數(shù)據(jù)積累和測量的方面，木原博、稻埂道夫和adames等人做出了大量的貢獻，他們從前人的已有的理論為基本點，結(jié)合自己的實驗數(shù)據(jù)，通過一系列的整理和檢驗，推導(dǎo)出了在各種不一樣的條件下比應(yīng)用數(shù)學解析方法得出的方程的結(jié)果，更加的

38、準確的焊接過程的熱傳導(dǎo)方程，采用這種方法也存在著一定的弊端，實驗時間和精度方面的問題有待進一步的解決 13。計算機技術(shù)的快速崛起，帶動了焊接熱過程數(shù)值分析的發(fā)展，對焊接熱過程的分析由實驗階段進入到了數(shù)值模擬，1966年wi1son和nicken首次在固體的熱傳遞中應(yīng)用了有限元技術(shù)；隨著時間的進一步的推移，有限元的方法的到了上田辛雄得應(yīng)用，其比前人前進的方面在與他考慮了在焊接過程中十分重要的問題就是鋼材材料在高溫下的非線性的變化過程，從此焊接熱分析被推進到了塑性分析的階段，大大使動態(tài)過程由繁到簡；隨著加拿大的 poley和hibbert論文的發(fā)表，對焊接熱過程的分析由原來的單單有限元的理論分析，

39、發(fā)展為可以編制簡單的程序，可以對一些截面(矩形外)、單雙焊縫、各種坡口焊進行焊接；接下來ttnouce，考慮了一些對焊接過程產(chǎn)生影響的溫度因素和焊接溫度場、應(yīng)力場及其焊接過程出現(xiàn)的金屬相變潛熱耦合作用，并且構(gòu)件在上述考慮條件下的焊接過程熱的本構(gòu)方程，為以后在這方面的研究的各位研究人士提供了很好的可以參考的資料 1517。國內(nèi)對于焊接熱的研究開始于唐慕堯(西安交通)等人，他們對薄板的焊接熱過程的溫度場的進行了分析，得到了其的溫度隨著焊接過程的分布規(guī)律，此規(guī)律符合了，焊接過程中溫度的基本假設(shè)，即準穩(wěn)態(tài)分布，并和已有的試驗的結(jié)果對比分析，證明了該方法的正確性，并以此編寫了焊接熱分析的程序 18。上面

40、提到的程序的編寫還是局限在線性計算，非線性的有限元分析由陳楚(上海交通)等人進行研究，在焊接熱過程分析上有了一定的突破，他們考慮了各種在對焊接過程產(chǎn)生影響的重點問題，并且編寫了相應(yīng)的可以應(yīng)用在靜態(tài)動態(tài)熱源和薄厚板件分析當中，雖然對焊接過程分析有向前推進了一步，但分析還停留在二維階段，對大型和復(fù)雜的結(jié)構(gòu)模擬還是無法和實際結(jié)果相符合 19。二維分析的局限性，推動了焊接熱分析向三維方面發(fā)展，但是，三維分析也面臨著各種難題，有待解決，這些難題都是基于焊接本身各種因素的非線性的特點產(chǎn)生的，而不管是幾維問題都要急需攻克的一個關(guān)鍵點，就是收斂和精度效率問題，由于大的非線性使得整個計算過程收斂十分困難，計算時

41、間過長，王建華(上海交通)和日本大阪大學進行了三維問題的研究探討，就三維分析中的關(guān)鍵問題，收斂和精度效率問題加已分析，提出了一些解決的方法，而且對一些實例進行了實際的模擬分析，對三維分析還有待進一步的研究，以能在保證又快又準確的條件下，更好的模擬復(fù)雜構(gòu)件 20-22。熱源的選取是焊接模擬過程中的關(guān)鍵的問題，在以往的二維問題中應(yīng)用高斯熱源就可以很好的模擬，但對于在三維條件下，高斯熱源有些時候就不能很好的進行模擬，蔡洪能等人提出了熱源模型雙橢球運動電弧作用，應(yīng)用節(jié)點熱燴的判斷方法，進行低碳鋼(a3鋼)板試驗中的焊接溫度場中的溫度分布進行分析，最終和試驗中的結(jié)果的數(shù)據(jù)符合16,18。1.4.2 國內(nèi)

42、外的焊接殘余應(yīng)力研究的現(xiàn)狀起始于20世紀30年代的一些簡單的試驗的測量和數(shù)據(jù)的整理，開始了人們對焊接應(yīng)力應(yīng)變進行分析和研究，然后5060年代通過研究人員理論經(jīng)驗和數(shù)據(jù)的不斷積累逐漸的形成了一些在理論方面的權(quán)威理論作品例如梅蘭和帕爾庫斯的由于定常溫度場而產(chǎn)生的熱應(yīng)力22-23和帕爾庫斯單獨寫的非定常熱應(yīng)力24，全面的總結(jié)當時人們在焊接應(yīng)力應(yīng)變方面取得的一些進展。起初對焊接應(yīng)力應(yīng)變的分析從一維的問題開始，應(yīng)用圖解法分析焊接過程，其中奧凱爾布洛母等人(前蘇聯(lián)學者)在分析中加進了溫度變化對于材料屬性的影響 13。對于尺寸稍大的構(gòu)件，僅僅的解析方法無法滿足分析的需求，人們開始向計算機程序編寫的方面推進，

43、首次應(yīng)用編寫的程序模擬一維板中堆焊由tall等人完成 14。隨著一維焊接應(yīng)力應(yīng)變的發(fā)展和完善，人們把分析逐步的向二維領(lǐng)域發(fā)展，70年代初，對接焊和平板堆焊的二維應(yīng)力應(yīng)變分析程序就由iwkai和muraki編制完善，二維分析成為了可能13。這一年代的又一個突破就是對焊接過程的另一個關(guān)鍵因素的考慮，就是焊接過程中金屬的熔敷產(chǎn)生的相變組織變化 27。隨著焊接應(yīng)力應(yīng)變理論基礎(chǔ)的不斷的完善，80年代，人們開始注重更深層次的研究，開始研究更加準確的焊接應(yīng)力應(yīng)變在分布上的趨勢，通過一些計算數(shù)據(jù)，如josefson等人定位焊和薄壁管件等焊接應(yīng)力過程研究數(shù)據(jù)的分析，提出了一些精度更高的焊接應(yīng)力分布趨勢和一些消減

44、焊接應(yīng)力應(yīng)變的方法和措施 28。焊接應(yīng)力應(yīng)變的研究與計算機的發(fā)展密切結(jié)合，向著更加精確和細致的方面拓寬，對影響焊接應(yīng)力應(yīng)變的因素考慮越來越多，90年代，焊接應(yīng)力應(yīng)變開始考慮焊接過程當中熱源的輻射問題、焊接過程中金屬熔化產(chǎn)生的熔敷現(xiàn)象和焊接構(gòu)件和空氣之間的熱傳遞的問題，mahin等人在考慮了以上的因素的條件下，還考慮了溫度場和應(yīng)力場的耦合關(guān)系，選用實驗的方法來矯正熱源的分布趨勢，計算出的焊接應(yīng)力和用衍射中子得到的實驗結(jié)果很好的得到了吻合；接下來ttnouce，考慮了一些對焊接過程產(chǎn)生影響的溫度因素和焊接溫度場、應(yīng)力場及其焊接過程出現(xiàn)的金屬相變潛熱耦合作用，并且構(gòu)件在上述考慮條件下的焊接過程熱的本

45、構(gòu)方程，為以后在這方面的研究的各位研究人士提供了很好的可以參考的資料；焊接應(yīng)力應(yīng)變的分析由薄板向著厚板，單層焊接向著雙層焊接方向發(fā)展，shim等人(美國)就在熱彈塑性平面應(yīng)變有限元理論下對多層焊接的厚板件實行了計算，并且比較了不同的焊縫形式(坡口)下的焊接殘余應(yīng)力，以此為依據(jù)，提取了關(guān)于厚板的焊接殘余應(yīng)力的分布的趨勢 29?？萍嫉陌l(fā)展總是由簡單到復(fù)雜，二維焊接應(yīng)力應(yīng)變的完善，使得三維分析初見端倪，chidiac(加拿大)首次在厚板的應(yīng)力應(yīng)變中建立了三維的有限元的溫度場分析模型，考慮了焊接過程中，由于高溫熔化，而導(dǎo)致的材料本身顯微晶體組織的變化和生長。近年來，i.ranjbarnodeh，s.s

46、erajzadeh，a.h.kokabii等人運用二維空間模型對點焊焊前和焊后的溫度場和應(yīng)力場進行了ansys數(shù)值模擬，得到隨著焊接時間加長，焊縫周圍的拉伸殘余應(yīng)力有減小的趨勢，而隨著焊接電壓的升高，拉伸殘余應(yīng)力有加強的趨勢30。cleition carvalho silva,jesualdo pereira farias 等人用手工電弧焊對小管進行了對接焊，并用x射線測量儀器進行測量，發(fā)現(xiàn)在相似的焊接參數(shù)條件下，殘余應(yīng)力得到兩種結(jié)果，即可能很大，也可能很小，但是他們還沒有確定到底是哪種參數(shù)的小改變導(dǎo)致焊接殘余應(yīng)力的不一致性31。e.m.anawa和a.g.oiabi對不同焊縫材料激光焊接進行

47、了殘余應(yīng)力的測量和控制，得到焊接速度對焊接殘余應(yīng)力的影響最大，提高焊接的速度有助于降低焊接殘余應(yīng)力32，此外，激光能量大小對焊接殘余應(yīng)力有巨大的影響。dean deng和hidekazu murakawa的結(jié)論是在薄板焊接過程中厚度方向幾乎不存在溫度梯度，利用大變形理論數(shù)值模擬結(jié)果與實驗值比較吻合，而利用小變形理論數(shù)值模擬與實驗結(jié)果相差較大33。二十世紀九十年代，汪建華等人對焊接過程應(yīng)用三維數(shù)值模擬，認為焊接溫度場均屬于典型的非線性瞬態(tài)熱傳導(dǎo)，探討了影響收斂進度的因素算，并提出了若干解決計算精度的問題。1996年，顧強陳和紹蕃，應(yīng)用熱彈塑性應(yīng)力分析理論，有限元法計算了厚板焊接箱型截面的殘余應(yīng)力

48、分布34。2003年，陳麗敏和陳思作，根據(jù)熱彈塑性應(yīng)力理論、有限元理論,用大型有限元軟件ansys對焊接工字型截面梁進行殘余應(yīng)力分析，分析結(jié)果表明，焊接殘余壓應(yīng)力的分布與截面幾何參數(shù)有關(guān),為用有限元分析焊接工字型截面梁殘余應(yīng)力提供了一種方法35。2006年，北京大學的楊娜，龍麗華等人以有限元分析軟件ansys為工作平臺,基于非線性板殼有限元理論,采用殼單元對輕型門式剛架中h型鋼楔形薄壁梁進行考慮雙重非線性的全過程分析,分析了殘余應(yīng)力，對變截面和等截面h型鋼梁的相關(guān)屈曲性能的影響,殘余應(yīng)力的存在與否對構(gòu)件相關(guān)屈曲性能影響很大,因此,在h型鋼楔形梁的相關(guān)屈曲分析中必須考慮縱向殘余應(yīng)力的影響，殘余應(yīng)

49、力峰值越大,構(gòu)件延性越好,但是同時極限承載力越低36,37。2007年清華大學的楊文等人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38。同年哈爾濱工業(yè)大學的張壯南等人通過比較試驗和有限元分析,研究了焊接殘余應(yīng)力對單軸對稱工字形懸伸梁和連續(xù)梁的整體穩(wěn)定承載力影響，并在其博士論文39中采用截面法對焊接單軸對稱工字形截面的殘余應(yīng)力分布進行了測量，根據(jù)實測值，建立了接近試驗情況的單軸對稱工字形截面殘余應(yīng)力分布模型11。同濟大學的吳蕓和張其林焊接鋁合金構(gòu)件殘余應(yīng)力試驗

50、研究,通過對測試數(shù)據(jù)的分析整理,得出縱向焊接工字型截面構(gòu)件殘余應(yīng)力的分布情況,為進一步總結(jié)焊接鋁合金構(gòu)件殘余應(yīng)力的分布規(guī)律及研究殘余應(yīng)力對構(gòu)件承載力的影響提供了基礎(chǔ)。2008年，西安建筑大學的馮艷輝在其碩士論文中分析了殘余應(yīng)力對焊接梁的影響9。2010年清華大學的班慧勇等在殘余應(yīng)力實驗研究中提出了適用于q420高強等邊角鋼的較為準確和安全的殘余應(yīng)力分布模型和計算公式40。1.4.3 焊接殘余應(yīng)力數(shù)值模擬的發(fā)展趨勢利用計算機研究焊接應(yīng)力和變形問題始于20世紀60年代，主要研究一維焊接應(yīng)力的產(chǎn)生機制41。20世紀70年代以來由于有限元技術(shù)的發(fā)展，數(shù)值模擬方法在焊接應(yīng)力變形中的研究和應(yīng)用日益廣泛，但

51、基本上是針對二維問題42-43。在大多數(shù)情況下，焊接應(yīng)力變形是三維問題，特別是現(xiàn)代焊接結(jié)構(gòu)越來越大型復(fù)雜化，而且還存在許多不確定因素,雖然有些可以簡化為二維問題分析44-45，但是在實際工程中真正可以簡化的例子并不多，因此三維焊接應(yīng)力變形模擬是必然趨勢。由于焊接過程的復(fù)雜性以及焊接結(jié)構(gòu)三維數(shù)值模擬中自由度大、計算效率低、計算精度難以保證等特征。通過近年來三維焊接應(yīng)力變形數(shù)值模擬研究現(xiàn)狀，取得的進展和現(xiàn)有關(guān)鍵問題的分析可知，提高模擬計算的精度和效率是今后焊機模擬的關(guān)鍵問題40：(1)采用合適的熱源模型和動態(tài)可逆自適應(yīng)網(wǎng)格生成技術(shù)可以減少網(wǎng)格和結(jié)點數(shù)目，在保證計算精度的同時，可大大提高運算效率,但

52、其技術(shù)細節(jié)及準確性等迄今尚無報道；(2)通過適當調(diào)整材料高溫性能參數(shù)有利于有限元解的收斂性，提高計算效率;利用單元“死活”技術(shù)描述多層焊及焊縫金屬的熔敷；(3)利用并行計算技術(shù)可提高焊接數(shù)值模擬的計算效率,開發(fā)高性能的并行程序和分布處理系統(tǒng)，是今后發(fā)展的趨勢。并行操作和高性能數(shù)據(jù)交換開關(guān)是分布式并行系統(tǒng)的開中重要的兩個方面；(4)在焊接物理模擬過程中采用相似理論可以有效減小模擬件的幾何尺寸，減少結(jié)構(gòu)的自由度和計算工作量，盡管結(jié)構(gòu)的尺寸被縮小，位移、溫度應(yīng)力的結(jié)果也很好吻合，節(jié)省計算時間的目的沒有達到，所以還需要進一步的簡化模型。應(yīng)用有限元進行三維模擬還存在著這樣或那樣的問題,將三維焊接過程數(shù)值

53、模擬技術(shù)廣泛運用于工程實際，仍然需要進一步提高計算效率和保證計算精度。1.5 課題的研究內(nèi)容本課題是單軸對稱焊接工字梁殘余應(yīng)力數(shù)值模擬及整體穩(wěn)定性分析，采用理論和有限元分析相結(jié)合,循序漸進的技術(shù)路線和步驟，主要研究內(nèi)容如下：(1)建立可行的焊接工字形梁焊接處的三維溫度場及殘余應(yīng)力的動態(tài)模擬分析方法。(2)通過變化參數(shù)對單軸對稱焊接工字梁進行數(shù)值分析，分析參數(shù)變化對焊后殘余應(yīng)力的分布規(guī)律的影響。1.6 課題研究技術(shù)路線本課題是單軸對稱焊接工字梁殘余應(yīng)力數(shù)值模擬，采用理論和有限元分析相結(jié)合,循序漸進的技術(shù)路線和步驟：首先收集資料進行理論分析，結(jié)合已有實驗?zāi)Ｐ蛯?gòu)件作初步設(shè)計，勾勒出具體的模型，應(yīng)用

54、ansys中的熱分析和靜力分析,對所建模型進行三維有限元模擬，求出模型焊接殘余應(yīng)力的分布與實驗結(jié)果相比較，驗證分析的正確性。然后建立單軸對稱焊接工字梁模型，計算模型在不同參數(shù)下的焊接殘余應(yīng)力的分布規(guī)律。第二章 焊接過程有限元分析理論2.1 焊接過程有限元分析特點采用時間和空間有限元法，相同程度構(gòu)件細節(jié)采用彈性構(gòu)件分析，探討焊接過程中，焊料和焊件之間的熱-力關(guān)系、焊接殘余應(yīng)力應(yīng)變，以下為焊接過程中應(yīng)用有限元分析的特點:(1)建立三維數(shù)值模擬模型，至少焊縫和焊縫附件是如此，用來考慮表面和內(nèi)部由于冷卻產(chǎn)生的不用影響；(2)溫度場模擬是典型的瞬態(tài)非線性，材料的熱物理屬性與溫度有關(guān)，產(chǎn)生的溫度梯度與時間

55、和位置相關(guān)，但又是極不相同； (3)局部熱產(chǎn)生的歷史和力學的應(yīng)力應(yīng)變歷史將決定局部焊接過程中材料的瞬態(tài)行為；(4)焊接過程中材料將發(fā)生熔敷以及凝固，將改變材料的顯微組織而且在焊后將會改變構(gòu)件的連接；(5)連續(xù)介質(zhì)的概念將受到懷疑，因為可能在臨界點發(fā)生缺陷和裂紋；即使是現(xiàn)在，也無法很好的解決收斂和誤差估計困難的難題。另一個工業(yè)和加工過程中存在的問題是，在分析前需要確定的很多材料隨溫度變化的性能參數(shù)，現(xiàn)在高溫下的性能參數(shù)數(shù)據(jù)非常少，基本屬于空白狀態(tài)。2.2 焊接有限元模型的簡化焊接過程是一個涉及到多個學科共同作用和多個物理現(xiàn)象的復(fù)雜過程。如圖2.1。從圖2.1中我們不難看出，在焊接有限元分析中所要

56、輸入和輸出的基本的參數(shù)。并在分析中突出了相變對焊接過程的影響，焊接溫度場應(yīng)力場及顯微組織之間的影響。圖2.1也可以簡化為2.2，強烈影響用實箭頭表示，較弱影響用虛線箭頭表示。從圖2.2我們不難看出，在做焊接過程有限元分析時，由于焊接溫度場和顯微組織變化對焊接應(yīng)力場的影響要大于后者對后者的影響，所有只需要考慮前者對后者的影響，就可以滿足要求即考慮單向耦合。本文僅研究了單向耦合問題。此外，本文還考慮了相變潛熱對溫度場的影響。熱源模型，熔池模型，熱力學性能化學成分，焊接參數(shù)，晶粒尺寸瞬態(tài)溫度場相變行為力學特性應(yīng)力與變形顯微組織的形成和發(fā)展熱 應(yīng) 力變 形 熱相變潛熱相變相變應(yīng)力動力學相變圖2.1 顯微組