【正文】 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(biāo)邁進[6]。 焊接殘余應(yīng)力概述 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。 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(xué)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、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。 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(yán)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。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(dāng)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(dāng)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(dāng)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(dāng)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(dāng)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(yán)重。當(dāng)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(dāng)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(dāng)桿件的長細比較小(30)，相對偏心又不大 (()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(yán)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(dāng)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)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。 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(GB500172003 )[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(zhǔn)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(GB500172003)[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)，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)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(xué)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，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[1011]，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)計還是工藝設(shè)計都有一定的參考價值。 國內(nèi)外同類課題研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 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 [1214]。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(xué)解析方法得出的方程的結(jié)果，更加的準(zhǔn)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，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 [15～17]。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(zhǔn)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(dāng)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