焊接已成為鋼結(jié)構(gòu)中最重要和最普遍的連接方式，但由于焊接過程中不均勻溫度場使材料局部屈服，產(chǎn)生塑性變形，當(dāng)溫度恢復(fù)到初始均勻狀態(tài)時，就會產(chǎn)生殘余應(yīng)力。本文主要針對基于數(shù)值模擬的鋼結(jié)構(gòu)平板對接焊殘余應(yīng)力參數(shù)進(jìn)行了一些研究，文章是一篇建筑類職稱論文發(fā)表范文。
　　摘 要：針對平板對接焊焊接時的熱應(yīng)力特征，采用高斯移動熱源模式和通用有限元軟件ANSYS進(jìn)行了焊接溫度場和應(yīng)力場的耦合模擬分析。分析中考慮了鋼材熱物理參數(shù)和力學(xué)參數(shù)隨溫度變化的非線性性能，得到了焊后殘余應(yīng)力的大小與分布規(guī)律。建立了多組有限元數(shù)值模型，對比分析了焊接有效熱功率、材料屈服強度、板厚和焊接速度對焊接殘余應(yīng)力的影響。得到了焊接殘余應(yīng)力大小及分布規(guī)律與各焊接參數(shù)之間的關(guān)系。

　　關(guān)鍵詞：平板對接焊,殘余應(yīng)力,數(shù)值模擬,參數(shù)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

　　國內(nèi)外研究表明焊接殘余應(yīng)力對于結(jié)構(gòu)的靜強度、疲勞強度、應(yīng)力腐蝕等都有至關(guān)重要的影響[1，2]。焊接殘余應(yīng)力大小和規(guī)律的評估具有重要的工程意義。目前殘余應(yīng)力的測試手段很多[2]，并能達(dá)到一定的精度，但費時較長、經(jīng)濟耗費較大。而隨著有限元方法的不斷完善和計算機運算能力的不斷提高，數(shù)值模擬逐漸顯示其優(yōu)勢，并能較準(zhǔn)確的模擬焊接殘余應(yīng)力的形成過程[3]。本文針對最常用的平板對接焊，采用ANSYS軟件建立了多種不同焊接參數(shù)的三維有限元數(shù)值模型，采用間接耦合的方法對焊接溫度場和應(yīng)力場進(jìn)行了數(shù)值模擬，對不同參數(shù)對殘余應(yīng)力大小和分布規(guī)律的影響進(jìn)行了詳細(xì)研究。

　　1.模型的建立

　　1.1建模

　　采用大型通用有限元軟件ANSYS建立焊接結(jié)構(gòu)的三維有限元模型進(jìn)行彈塑性分析。共設(shè)計了四組模型，分別用來確定焊接有效熱功率 ，材料屈服強度 ，板厚 、焊接速度 對焊接殘余應(yīng)力的影響。各組模型參數(shù)如表1-表4所示。

　　為減小計算量，考慮到對稱性，建立半結(jié)構(gòu)模型，如圖1所示。在焊縫附近，網(wǎng)格劃分較小，在遠(yuǎn)離焊縫區(qū)域，單元可適當(dāng)劃大。半結(jié)構(gòu)模型對稱面采用對稱約束，為避免剛體位移同時也不對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大的約束，在遠(yuǎn)離焊縫的兩個角點處施加固定約束。

　　1.2材料特性

　　對于本文所研究的低碳鋼，其熱物理參數(shù)按參考文獻(xiàn)[4]取值，如表5所示，考慮了鋼材熱物理參數(shù)和力學(xué)參數(shù)隨溫度變化的非線性性能，并將相變潛熱換成等效比熱容來考慮相變的影響[5]，焊接材料的塑性強化模式選用雙線性等向強化模型。

　　1.3焊接熱源與軟件的實現(xiàn)

　　對于手工電弧焊，數(shù)值模擬時采用高斯移動熱源[6]，如圖2所示：

　　采用單元死活來模擬焊縫材料的融敷，在焊接熱源到達(dá)之間，焊縫單元為“殺死”狀態(tài)，焊接熱源達(dá)到后，將其“激活”。兩塊試件焊接時，先焊接上表面，再焊接下表面，兩次焊接時間間隔取為30分鐘。

　　2.數(shù)值模擬結(jié)果

　　2.1溫度場數(shù)值模擬結(jié)果

　　焊接應(yīng)力場的數(shù)值模擬采用間接法[7]，必須先進(jìn)行焊接溫度場的數(shù)值模擬，限于篇幅，僅列出部分結(jié)果，其他類似。圖3為I-4模型的焊接準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)溫度場云圖，圖4為焊接過程中距離焊縫中心不同距離各點的熱循環(huán)曲線，表6為不同有效熱功率作用下焊縫中心的最高溫度。

　　由圖3可知，焊接熱溫度場為準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)溫度場，焊接有效熱功率越大，焊接熔池的尺寸就越大，焊縫中心溫度也越高。由圖4可知，在焊接電弧到達(dá)該截面前，該處的溫度基本不變，當(dāng)焊接電弧到達(dá)該截面后，該截面上各點溫度值迅速升高，這符合高斯快速移動熱源的溫度分布規(guī)律[8]。由表6可知，當(dāng)焊接熱功率較小時(加熱斑點處溫度不足以熔化金屬母材)，焊縫中心最高溫度與有效熱功率近似成比例增加，當(dāng)焊接熱功率超過一定值后，焊縫中心最高溫度幾乎不變，但是熔池尺寸將隨著焊接熱功率的增加而增加。不同焊接參數(shù)模型的溫度場分布基本一致，均為準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)溫度場，這里不再贅述。

　　2.2應(yīng)力場數(shù)值模擬結(jié)果 　　對于殘余應(yīng)力，可分為沿焊縫方向的縱向殘余應(yīng)力 ，垂直于焊縫方向的橫向殘余應(yīng)力 和沿板厚度方向的殘余應(yīng)力 ，本文只研究縱向焊接殘余應(yīng)力的數(shù)值模擬結(jié)果。圖4為I-4模型縱向焊接殘余應(yīng)力場云圖，其它模型類似。圖5為焊接模型示意圖，圖6為距焊縫中心不同距離測點熱應(yīng)力隨時間變化曲線。由圖6可知，在焊接過程中，測點1，2應(yīng)力值由無應(yīng)力狀態(tài)變到壓應(yīng)力最大，再變到拉應(yīng)力最大，在焊接完成(16s)后，應(yīng)力趨于穩(wěn)定，此即為焊接殘余應(yīng)力。測點3由于離焊縫較遠(yuǎn)，其應(yīng)力時程曲線和測點1，2相反。圖7為縱向焊接殘余應(yīng)力沿垂直于焊縫方向的分布規(guī)律曲線，由圖可知， 成壓-拉-壓的規(guī)律分布，在焊縫中心處有殘余應(yīng)力最大值，為236MPa，基本等于材料的屈服強度。

　　3.參數(shù)分析

　　3.1有效熱功率對焊接殘余應(yīng)力的影響

　　圖8為不同有效熱功率模型縱向焊接殘余應(yīng)力沿垂直焊縫方向的分布規(guī)律。由圖可知，縱向殘余應(yīng)力沿Y軸均成壓-拉-壓交替分布，并且在焊縫中心處應(yīng)力達(dá)到最大值。不同有效熱功率對殘余應(yīng)力分布規(guī)律的影響主要表現(xiàn)在受壓區(qū)的形狀上，有效熱功率越大，受壓區(qū)的面積越大，最大壓殘余應(yīng)力也越大，這主要是因為：有效熱功率越大，則焊接熔池的范圍也越大，導(dǎo)致降溫后產(chǎn)生拉伸殘余應(yīng)力的范圍越大，而為了拉伸殘余應(yīng)力平衡，壓殘余應(yīng)力的面積和大小也相應(yīng)增大。

　　3.2屈服強度對焊接殘余應(yīng)力的影響

　　圖9為不同屈服強度材料模型縱向焊接殘余應(yīng)力沿垂直焊縫方向的數(shù)值模擬結(jié)果。由圖可知，縱向殘余應(yīng)力沿Y軸仍成壓-拉-壓交替分布，不同屈服強度材料模型的殘余應(yīng)力分布規(guī)律基本一致，最明顯的區(qū)別在于最大拉應(yīng)力的值，在焊縫中心處有最大拉殘余應(yīng)力，其值與材料的屈服強度近似相等。

　　3.3板厚對焊接殘余應(yīng)力的影響

　　圖10為不同板厚模型縱向焊接殘余應(yīng)力沿垂直焊縫方向的數(shù)值模擬結(jié)果。由圖可知，板厚越大，則焊縫中心處的拉伸殘余應(yīng)力越大，且壓應(yīng)力區(qū)范圍越大，但壓應(yīng)力的峰值越小;板厚越小，拉殘余應(yīng)力的峰值越小，但壓殘余應(yīng)力的峰值越大，且在遠(yuǎn)離焊縫的位置可能再次出現(xiàn)拉應(yīng)力。出現(xiàn)這種情況的原因是：①板厚越大，其受到的自身約束就越大，因此拉殘余應(yīng)力越大;②板厚越小，則熱傳遞更為迅速，熱源影響的范圍越大，因此導(dǎo)致遠(yuǎn)離焊縫的位置出現(xiàn)拉殘余應(yīng)力。

　　3.4焊接速度對焊接殘余應(yīng)的影響

　　圖11為不同焊速模型縱向焊接殘余應(yīng)力沿垂直焊縫方向的數(shù)值模擬結(jié)果，由圖可知，焊速對殘余應(yīng)力分布規(guī)律的影響不太明顯，焊速越快則焊接拉應(yīng)力的區(qū)域越大。

　　4.結(jié)論

　　采用大型通用有限元軟件ANSYS建立了平板對接焊結(jié)構(gòu)的三維有限元模型，進(jìn)行了焊接溫度場和應(yīng)力場的數(shù)值模擬。對比分析了焊接有效熱功率，材料屈服強度，板厚和焊接速度對焊接殘余應(yīng)力的影響。得到了以下結(jié)論：

　　(1)縱向殘余應(yīng)力沿Y軸均成壓-拉-壓交替分布，并且在焊縫中心處應(yīng)力達(dá)到最大值。不同有效熱功率對殘余應(yīng)力分布規(guī)律的影響主要表現(xiàn)在受壓區(qū)的形狀上，有效熱功率越大，受壓區(qū)的面積越大，最大壓殘余應(yīng)力也越大。

　　(2)不同屈服強度材料模型的殘余應(yīng)力分布規(guī)律基本一致，最明顯的區(qū)別在于最大拉應(yīng)力的值，材料屈服強度越大，則最大拉殘余應(yīng)力也越大，其值與材料的屈服強度近似相等。

　　(3)板厚越大，則焊縫中心處的拉伸殘余應(yīng)力越大，且壓應(yīng)力區(qū)范圍越大，但壓應(yīng)力的峰值越小;板厚越小，拉殘余應(yīng)力的峰值越小，但壓殘余應(yīng)力的峰值越大，且在遠(yuǎn)離焊縫的位置可能再次出現(xiàn)拉應(yīng)力。

　　(4)焊速對殘余應(yīng)力分布規(guī)律的影響不太明顯，焊速越快則焊接拉應(yīng)力的區(qū)域越大。

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　　建筑類職稱論文發(fā)表期刊推薦《智能建筑電氣技術(shù)》主要介紹電氣、智能建筑的設(shè)計、施工、設(shè)備安裝、調(diào)試、系統(tǒng)集成、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等，報道內(nèi)容既有理論研究的傳播、又有實踐經(jīng)驗的交流，包括電氣、智能建筑行業(yè)的新技術(shù)、新設(shè)計、新工藝、新設(shè)備、新規(guī)范、新標(biāo)準(zhǔn)，以及國內(nèi)外建筑電氣及智能建筑技術(shù)方面相關(guān)動態(tài)。

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