【正文】 這三方面問題的共同作用下產(chǎn)生的，還會(huì)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(diǎn)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(jìn)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(shí)用價(jià)值， ANSYS 是以有限元分析為基礎(chǔ)的大型通用 CAE 軟件 ,其強(qiáng)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，編制了焊接殘余應(yīng)力數(shù)值模擬的程序 ,并給出了具體實(shí)現(xiàn)過程 ,利用該程序?qū)?shí)驗(yàn)焊接試板的殘余應(yīng)力進(jìn)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(jìn) [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 碩士研究 生學(xué)位論文 第一章 緒論 5 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(qiáng)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(huì)以殘余壓應(yīng)力為主，而且它的附近區(qū)域會(huì)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(yàn)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(shí)。 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(shí)，都會(huì)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(huì)加到焊接殘余應(yīng)力上去，也往往會(huì)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(gè)隨加熱與冷卻而變化的材料熱彈塑性，應(yīng)力應(yīng)變動(dòng)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(gè)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(gè)參數(shù)聯(lián)合表示的熱擴(kuò)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(shí)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(jì)算 (如有限元數(shù)值分析 )時(shí)的復(fù)雜性和局限性，因此，在一般簡化計(jì)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(shí)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(dòng)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(shí)，這種分類可使最終的計(jì)算公式簡化。而用有限元方法數(shù)值求解時(shí)，原則上允許考慮任何復(fù)雜的情況 。但實(shí)際上，為了節(jié)省運(yùn)算時(shí)間，從經(jīng)濟(jì)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(huì)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(huì)嚴(yán)重影響結(jié)構(gòu)和焊接接頭的疲勞強(qiáng)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(gè)方面 : (1)殘余應(yīng)力對靜載強(qiáng)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(dá)到后就不再增加，僅產(chǎn)生塑性變形。應(yīng)力未達(dá)到屈服強(qiáng)度的區(qū)域，則隨著外力的增加，應(yīng)力繼續(xù)增加，整個(gè) 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(dá)到屈服強(qiáng)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(qiáng)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(diǎn)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(huì)阻礙塑性變形的產(chǎn)生，從而也會(huì)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(diǎn)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(jìn)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(dá)到材料的屈服極限值，并發(fā)生局部破壞，最后導(dǎo)致整個(gè)構(gòu)件斷裂。脆性材料殘余應(yīng)力的存在，會(huì)使承載能力下降，導(dǎo)致斷裂。 (2)殘余應(yīng)力對疲勞強(qiáng)度的影響。殘余應(yīng)力對于疲勞強(qiáng)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(gè)應(yīng)力循環(huán)的應(yīng)力值偏移一個(gè)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(qiáng)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(shí)，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(qiáng)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(dá)到屈服點(diǎn)時(shí)，這一區(qū)域的材料就會(huì)產(chǎn)生局部塑性變形，喪失了進(jìn)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(shí)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(dá)到屈服強(qiáng)度。該區(qū)應(yīng)力不再增加，從而使該區(qū)喪失進(jìn)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(xì)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(xì)比為 90 左右時(shí)最嚴(yán)重。當(dāng)桿件的長細(xì)比較大 (150)，它的臨界應(yīng)力本來就比較低時(shí)，或者當(dāng)殘余應(yīng)力的數(shù)值較低時(shí)，外載應(yīng)力與殘余應(yīng)力之和在失穩(wěn)前仍 未達(dá)到屈服強(qiáng)度，則殘余應(yīng)力對穩(wěn)定性不會(huì)產(chǎn)生影響。此外，當(dāng)桿件的長細(xì)比較小 (30)，相對偏心又不大 (()時(shí)，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(huì)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(huì)嚴(yán)重影響結(jié)構(gòu)和焊接接頭的疲勞強(qiáng)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(jī)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(huì)存在自相平衡的殘余應(yīng)力。而機(jī)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(huì)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(huì)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(jìn)行機(jī)械加工，有時(shí)也可以在機(jī)械加工 工藝上做些調(diào)整來達(dá)到這個(gè)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(huì)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(shí)際上也就進(jìn)入彈塑性工作階段，我國現(xiàn)行的鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范 (GB5001720xx )[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(jìn)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(jì)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(jì)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(jì)。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(jìn)行了測量 ,并通過統(tǒng)計(jì)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(xiàn)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(jì)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。 現(xiàn)行鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范 (GB5001720xx)[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(shí)候的焊縫的形式的不同。要計(jì)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(yàn)測量，由于實(shí)驗(yàn)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(dá)到要求， 無法用于實(shí)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(diǎn)和難點(diǎn) [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(jìn)入了仿真模擬的時(shí)代 ,它不僅可以減少實(shí)驗(yàn)的用時(shí)、減少花費(fèi) ,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(jì)算機(jī)資源的耗費(fèi)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，美國焊接結(jié)構(gòu)研究中心 ，目前焊接殘余應(yīng)力計(jì)算結(jié)果在很多時(shí)候偏大，也有極少數(shù)時(shí)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(jìn)行焊接殘余應(yīng)力三維數(shù)值模擬分析，從而彌補(bǔ)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(jì)還是工藝設(shè)計(jì)都有一定的參考價(jià)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(dòng)態(tài)熱源的傳導(dǎo)問題；而正式在焊接過程理論方面進(jìn)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(diǎn)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(gè)過程都是呈現(xiàn)為非線性的變化，之間鋼材會(huì)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(shí)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(diǎn)，該理論在實(shí)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(shí)在理論層面的研究，轉(zhuǎn)換到了實(shí)驗(yàn)研究上，一切理論的產(chǎn)生都要以大量的實(shí)驗(yàn)為理論基礎(chǔ)，在實(shí)驗(yàn)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(xiàn)，他們從前人的已有的理論為基本點(diǎn)，結(jié)合自己的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，通過一系列的整理和檢驗(yàn)，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(shí)驗(yàn)時(shí)間和精度方面的問題有待進(jìn)一步的解決 [13]。 計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速崛起，帶動(dòng)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(shí)驗(yàn)階段進(jìn)入到了數(shù)值模擬， 1966 年 Wi1