建筑类职称论文发表基于数值模拟的钢结构平板对接焊残余应力参数

　　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。本文主要针对基于数值模拟的钢结构平板对接焊残余应力参数进行了一些研究，文章是一篇建筑类职称论文发表范文。
　　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

　　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

　　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。

　　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。

　　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。

　　1.3焊接热源与软件的实现

　　对于手工电弧焊，数值模拟时采用高斯移动热源[6]，如图2所示：

　　采用单元死活来模拟焊缝材料的融敷，在焊接热源到达之间，焊缝单元为“杀死”状态，焊接热源达到后，将其“激活”。两块试件焊接时，先焊接上表面，再焊接下表面，两次焊接时间间隔取为30分钟。

　　2.数值模拟结果

　　2.1温度场数值模拟结果

　　焊接应力场的数值模拟采用间接法[7]，必须先进行焊接温度场的数值模拟，限于篇幅，仅列出部分结果，其他类似。图3为I-4模型的焊接准稳态温度场云图，图4为焊接过程中距离焊缝中心不同距离各点的热循环曲线，表6为不同有效热功率作用下焊缝中心的最高温度。

　　由图3可知，焊接热温度场为准稳态温度场，焊接有效热功率越大，焊接熔池的尺寸就越大，焊缝中心温度也越高。由图4可知，在焊接电弧到达该截面前，该处的温度基本不变，当焊接电弧到达该截面后，该截面上各点温度值迅速升高，这符合高斯快速移动热源的温度分布规律[8]。由表6可知，当焊接热功率较小时(加热斑点处温度不足以熔化金属母材)，焊缝中心最高温度与有效热功率近似成比例增加，当焊接热功率超过一定值后，焊缝中心最高温度几乎不变，但是熔池尺寸将随着焊接热功率的增加而增加。不同焊接参数模型的温度场分布基本一致，均为准稳态温度场，这里不再赘述。

　　2.2应力场数值模拟结果　　对于残余应力，可分为沿焊缝方向的纵向残余应力，垂直于焊缝方向的横向残余应力和沿板厚度方向的残余应力，本文只研究纵向焊接残余应力的数值模拟结果。图4为I-4模型纵向焊接残余应力场云图，其它模型类似。图5为焊接模型示意图，图6为距焊缝中心不同距离测点热应力随时间变化曲线。由图6可知，在焊接过程中，测点1，2应力值由无应力状态变到压应力最大，再变到拉应力最大，在焊接完成(16s)后，应力趋于稳定，此即为焊接残余应力。测点3由于离焊缝较远，其应力时程曲线和测点1，2相反。图7为纵向焊接残余应力沿垂直于焊缝方向的分布规律曲线，由图可知，成压-拉-压的规律分布，在焊缝中心处有残余应力最大值，为236MPa，基本等于材料的屈服强度。

　　3.参数分析

　　3.1有效热功率对焊接残余应力的影响

　　图8为不同有效热功率模型纵向焊接残余应力沿垂直焊缝方向的分布规律。由图可知，纵向残余应力沿Y轴均成压-拉-压交替分布，并且在焊缝中心处应力达到最大值。不同有效热功率对残余应力分布规律的影响主要表现在受压区的形状上，有效热功率越大，受压区的面积越大，最大压残余应力也越大，这主要是因为：有效热功率越大，则焊接熔池的范围也越大，导致降温后产生拉伸残余应力的范围越大，而为了拉伸残余应力平衡，压残余应力的面积和大小也相应增大。

　　3.2屈服强度对焊接残余应力的影响

　　图9为不同屈服强度材料模型纵向焊接残余应力沿垂直焊缝方向的数值模拟结果。由图可知，纵向残余应力沿Y轴仍成压-拉-压交替分布，不同屈服强度材料模型的残余应力分布规律基本一致，最明显的区别在于最大拉应力的值，在焊缝中心处有最大拉残余应力，其值与材料的屈服强度近似相等。

　　3.3板厚对焊接残余应力的影响

　　图10为不同板厚模型纵向焊接残余应力沿垂直焊缝方向的数值模拟结果。由图可知，板厚越大，则焊缝中心处的拉伸残余应力越大，且压应力区范围越大，但压应力的峰值越小;板厚越小，拉残余应力的峰值越小，但压残余应力的峰值越大，且在远离焊缝的位置可能再次出现拉应力。出现这种情况的原因是：①板厚越大，其受到的自身约束就越大，因此拉残余应力越大;②板厚越小，则热传递更为迅速，热源影响的范围越大，因此导致远离焊缝的位置出现拉残余应力。

　　3.4焊接速度对焊接残余应的影响

　　图11为不同焊速模型纵向焊接残余应力沿垂直焊缝方向的数值模拟结果，由图可知，焊速对残余应力分布规律的影响不太明显，焊速越快则焊接拉应力的区域越大。

　　4.结论

　　采用大型通用有限元软件ANSYS建立了平板对接焊结构的三维有限元模型，进行了焊接温度场和应力场的数值模拟。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。得到了以下结论：

　　(1)纵向残余应力沿Y轴均成压-拉-压交替分布，并且在焊缝中心处应力达到最大值。不同有效热功率对残余应力分布规律的影响主要表现在受压区的形状上，有效热功率越大，受压区的面积越大，最大压残余应力也越大。

　　(2)不同屈服强度材料模型的残余应力分布规律基本一致，最明显的区别在于最大拉应力的值，材料屈服强度越大，则最大拉残余应力也越大，其值与材料的屈服强度近似相等。

　　(3)板厚越大，则焊缝中心处的拉伸残余应力越大，且压应力区范围越大，但压应力的峰值越小;板厚越小，拉残余应力的峰值越小，但压残余应力的峰值越大，且在远离焊缝的位置可能再次出现拉应力。

　　(4)焊速对残余应力分布规律的影响不太明显，焊速越快则焊接拉应力的区域越大。

　　参考文献

　　[1] 米谷茂(日)著.朱荆璞、邵会孟译.残余应力的产生与对策[M].北京：机械工业出版社，1983

　　[2] 宋天民.焊接残余应力的产生与消除[M].北京：中国石化出版社，2005

　　[3] 刘李、阮剑平、赵章焰.焊接温度场和残余应力的数值模拟.热加工工艺，2010.39(15)：153-155

　　[4] 马庆芳等.实用热物理性质手册[M].北京：中国农业机械出版社，1986

　　[5] 赵明、武传松、陈茂爱.焊接热过程数值分析中相变潜热的三种解决方案[J].焊接学报，2006(09)：55-58

　　[6] Eager.T.W，Tsai N.S. Temperature fields produced by traveling distributed heat sources[J].Welding Journal， 1983，62(12)： 346-355
　　建筑类职称论文发表期刊推荐《智能建筑电气技术》主要介绍电气、智能建筑的设计、施工、设备安装、调试、系统集成、网络技术等，报道内容既有理论研究的传播、又有实践经验的交流，包括电气、智能建筑行业的新技术、新设计、新工艺、新设备、新规范、新标准，以及国内外建筑电气及智能建筑技术方面相关动态。