钢结构自熔焊焊接残余应力数值模拟研究.pdf文档全文免费阅读 在线看
黄永辉
摘要：针对平板对接焊焊接时的热应力特征，采用高斯移动热源模式和通用有限元软件ANSYS进行了焊接温度场和应力场的耦合模拟分析。分析中考虑了钢材热物理参数和力学参数随温度变化的非线性性能，得到了焊后残余应力的大小与分布规律。建立了多组有限元数值模型，对比分析了焊接有效热功率、材料屈服强度、板厚和焊接速度对焊接残余应力的影响。得到了焊接残余应力大小及分布规律与各焊接参数之间的关系。
关键词：平板对接焊；残余应力；数值模拟；参数研究
中图分类号：TG404文献标志码：A
Parameter study of residual stress in flat plate of butt-welding for steel structure based on numerical simulation
Huang Yong-hui
(1. Research Center for Structural Safety and Heath Monitoring of Guangdong Education Department, Guangzhou University, Guangzhou 2. Guangzhou Municipal Key Laboratory for Structural Safety and Health Monitoring, Guangzhou 510640, China)
Abstract: According to the thermal stress characteristics of butt welding with flat plate, using the Gaussian heat source model, the coupling-calculation of temperature field and welding residual stress filed is carried out with general finite element software ANSYS. The thermo-physical performance parameters and mechanics performance parameters as the functions of temperature are taken into consideration. Multiple sets of finite element numerical model is established, and the influence of welding parameters such as effective thermal power, material yield strength, thickness of plate and welding speeding to the welding residual stress is analyzed. The relationship between the distribution rule of the residual stress and the welding parameters is obtained.
Keywords: flat plate of butt-welding; residual stress; numerical simulation; parameter study
焊接已成为钢结构中最重要和最普遍的连接方式，但由于焊接过程中不均匀温度场使材料局部屈服，产生塑性变形，当温度恢复到初始均匀状态时，就会产生残余应力。国内外研究表明焊接残余应力对于结构的静强度、疲劳强度、应力腐蚀等都有至关重要的影响[1，2]。焊接残余应力大小和规律的评估具有重要的工程意义。目前残余应力的测试手段很多[2]，并能达到一定的精度，但费时较长、经济耗费较大。而随着有限元方法的不断完善和计算机运算能力的不断提高，数值模拟逐渐显示其优势，并能较准确的模拟焊接残余应力的形成过程[3]。本文针对最常用的平板对接焊，采用ANSYS软件建立了多种不同焊接参数的三维有限元数值模型，采用间接耦合的方法对焊接温度场和应力场进行了数值模拟，对不同参数对残余应力大小和分布规律的影响进行了详细研究。
1．模型的建立
1．1建模
采用大型通用有限元软件ANSYS建立焊接结构的三维有限元模型进行弹塑性分析。共设计了四组模型，分别用来确定焊接有效热功率 ，材料屈服强度 ，板厚 、焊接速度 对焊接残余应力的影响。各组模型参数如表1-表4所示。
表1不同焊接热功率有限元模型
编 号 模型尺寸
（mm） 有效热功率（W） 焊速
（m/s） 屈服强度
（MPa）
Ⅰ-1 160×80×6 800 10 235
Ⅰ-2 160×80×6 1200 10 235
Ⅰ-3 160×80×6 1600 10 235
Ⅰ-4 160×80×6 2400 10 235
Ⅰ-5 160×80×6 2880 10 235
Ⅰ-6 160×80×6 3200 10 235
Ⅰ-7 160×80×6 4000 10 235
表2 不同材料屈服强度有限元模型
编号 模型尺寸
（mm） 有效热功
率（W） 焊速
（m/s） 屈服强度
（MPa）
Ⅱ-1 160×80×6 2400 10 235
Ⅱ-2 160×80×6 2400 10 270
Ⅱ-3 160×80×6 2400 10 300
Ⅱ-4 160×80×6 2400 10 345
Ⅱ-5 160×80×6 2400 10 370
Ⅱ-6 160×80×6 2400 10 420
表3 不同板厚有限元模型
编号 模型尺寸
（mm） 有效热功
率（W） 焊速
（m/s） 屈服强度
（MPa）
Ⅲ-1 160×80×4 2400 10 235
Ⅲ-2 160×80×6 2400 10 235
Ⅲ-3 160×80×8 2400 10 235
Ⅲ-4 160×80×10 2400 10 235
Ⅲ-5 160×80×12 2400 10 235
表4 不同焊接速度有限元模型
编号 模型尺寸（mm） 有效功率Q（W） 焊速(mm/s) 屈服强度（MPa）
Ⅳ-1 160×80×6 2400 4 235
Ⅳ-2 160×80×6 2400 6 235
Ⅳ-3 160×80×6 2400 8 235
Ⅳ-4 160×80×6 2400 10 235
Ⅳ-5 160×80×6 2400 12 235
为减小计算量，考虑到对称性，建立半结构模型，如图1所示。在焊缝附近，网格划分较小，在远离焊缝区域，单元可适当划大。半结构模型对称面采用对称约束，为避免刚体位移同时也不对结构产生较大的约束，在远离焊缝的两个角点处施加固定约束。
图1有限元模型图
1．2材料特性
对于本文所研究的低碳钢，其热物理参数按参考文献[4]取值，如表5所示，考虑了钢材热物理参数和力学参数随温度变化的非线性性能，并将相变潜热换成等效比热容来考虑相变的影响[5]，焊接材料的塑性强化模式选用双线性等向强化模型。
