【正文】 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(guò)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(cè)量結(jié)果吻合較好，對(duì)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]。鋼材在焊接和冷卻的過(guò)程中, 其局部形成一個(gè)很不均勻的溫度場(chǎng), 由于膨脹和收縮的程度和速度不同, 溫度場(chǎng)內(nèi)各部分鋼材的變形相互制約, 產(chǎn)生了不可逆轉(zhuǎn)的塑性變形, 導(dǎo)致焊件在完全冷卻后, 其上仍然存在著殘余應(yīng)力，即焊接殘余應(yīng)力[4]。 web thickness while maintaining the same circumstances, to change the height of the web, with the abdominal plate thickness ratio increases, the upper and lower flange of the residual stress gradually decreases gradually increasing tension zone, the web up and down the residual tensile stress decreases, but with the gradual increase in the area of ??web, web up and down the residual stress gradually increased, there is increasing trend of pression zone。通過(guò)研究梁翼緣寬厚比、腹板高厚比、上下翼緣寬度比等參數(shù)對(duì)單軸對(duì)稱截面殘余應(yīng)力影響可知：在保持上翼緣寬度不變的情況下，改變翼緣的厚度，隨著翼緣寬厚比逐漸減小，上下翼緣和腹板的殘余應(yīng)力逐漸減小，受拉區(qū)有增大趨勢(shì)；在保持腹板厚度不變的情況下，改變腹板的高度，隨著腹板高厚比逐漸增大，上下翼緣的殘余應(yīng)力逐漸減小，受拉區(qū)逐漸增大，腹板上下殘余拉應(yīng)力逐漸減小，但是隨著腹板面積的逐漸加大，腹板上下殘余壓應(yīng)力逐漸加大，受壓區(qū)有增大趨勢(shì)；在保持上翼緣寬度不變的情況下，改變下翼緣的寬度，隨著上下翼緣寬度比逐漸減小，上下翼緣和腹板殘余應(yīng)力有所增加，上下翼緣殘余應(yīng)力在分布趨勢(shì)和數(shù)值上趨于一致，腹板上下殘余壓應(yīng)力在數(shù)值上也趨于一致，梯度逐漸減小，單軸對(duì)稱截面殘余應(yīng)力在分布曲線上趨于雙軸對(duì)稱截面殘余應(yīng)力經(jīng)典分布。我國(guó)現(xiàn)行鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范(GB500172003 )中只提出了雙軸對(duì)稱焊接工字梁的整體穩(wěn)定系數(shù)，其他截面只能借用，合適與否，需要進(jìn)一步的證明。因此，本文對(duì)單軸對(duì)稱焊接工字梁的殘余應(yīng)力進(jìn)行研究，為其整體穩(wěn)定設(shè)計(jì)提供參考。通過(guò)對(duì)單軸對(duì)稱焊接工字梁殘余應(yīng)力的模擬計(jì)算，為以后焊接結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供重要依據(jù)。 on the flange width to maintain the same in the case, change the width of lower flange, with the upper and lower flange width ratio decreases, the upper and lower flange and web an increase in residual stress, residual stress in the upper and lower flange distribution line on the trends and values, the residual pressive stress in the upper and lower webs value is also consistent, gradient decreases, the residual stress in the uniaxial symmetry crosssection on the distribution curve residual stress tends to biaxial symmetry classic crosssection distribution. Uniaxial symmetry by beam welders residual stress simulation, optimization for the future design of welded structures provide an important basis.Keywords: Welding residual stress。殘余應(yīng)力的峰值甚至可能達(dá)到或超過(guò)材料的屈服極限,當(dāng)這些焊接構(gòu)件投入使用時(shí),它們所受載荷引起的工作應(yīng)力與其內(nèi)部的焊接殘余應(yīng)力相疊加,將導(dǎo)致焊接構(gòu)件產(chǎn)生二次變形和焊接殘余應(yīng)力的重新分布,是的其在鋼材的保證穩(wěn)定性能的尺寸和它的剛度方面的能力下降了[5]。 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(guò)程中，熱應(yīng)力、相變應(yīng)力、 加工應(yīng)力等超過(guò)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(zhǎng)度方向的縱向焊接應(yīng)力，垂直于焊縫長(zhǎng)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(guò)程。這些變化在焊接過(guò)程中，每時(shí)每刻都影響焊接溫度場(chǎng)和焊接應(yīng)力的分布。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(chǎng)分布，因而也改變著焊接殘余應(yīng)力的分布規(guī)律。 焊接殘余應(yīng)力對(duì)焊接結(jié)構(gòu)的影響在焊件過(guò)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。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(lái)，殘余應(yīng)力的存在就不影響構(gòu)件的承載能力，即對(duì)構(gòu)件的靜載強(qiáng)度沒(méi)有影響。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。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。應(yīng)力集中系數(shù)越高，殘余應(yīng)力的影響也就越顯著。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。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。當(dāng)桿件的長(zhǎng)細(xì)比較大(150)，它的臨界應(yīng)力本來(lái)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(duì)穩(wěn)定性不會(huì)產(chǎn)生影響。(5)殘余應(yīng)力對(duì)機(jī)械加工精度的影響。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(lái)達(dá)到這個(gè)目的。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。要分析焊接殘余應(yīng)力對(duì)單軸對(duì)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(guó)家用各種方法對(duì)構(gòu)件中的殘余應(yīng)力進(jìn)行了測(cè)量,并通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析,給出了普通工字型鋼、焊接雙軸對(duì)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(duì)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(duì)稱焊接工字梁殘余應(yīng)力的分布對(duì)其整體穩(wěn)定設(shè)計(jì)具有重要意義[8]。目前對(duì)焊接殘余應(yīng)力研究的理論分析方法尚不成熟，主要通過(guò)試驗(yàn)測(cè)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(wú)法用于實(shí)際焊件殘余應(yīng)力的測(cè)定[9]。羅森賽爾在熱源方面的突破，其通過(guò)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(wèn)題；而正式在焊接過(guò)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(guò)程中其沒(méi)有研究材料的高溫物理性能變化和對(duì)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(guò)程中的關(guān)鍵問(wèn)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(shì)，整個(gè)過(guò)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(wú)法很好的模擬真?zhèn)€焊接的過(guò)程，得到和現(xiàn)實(shí)相符合的結(jié)果，而焊接過(guò)程的在焊縫區(qū)域的非線性變化是研究焊接問(wèn)題的重點(diǎn)，該理論在實(shí)用方面還存在一定的缺陷 [1214]。國(guó)內(nèi)對(duì)于焊接熱的研究開始于唐慕堯(西安交通)等人，他們對(duì)薄板的焊接熱過(guò)程的溫度場(chǎng)的進(jìn)行了分析，得到了其的溫度隨著焊接過(guò)程的分布規(guī)律，此規(guī)律符合了，焊接過(guò)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(yàn)的結(jié)果對(duì)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]。 國(guó)內(nèi)外的焊接殘余應(yīng)力研究的現(xiàn)狀起始于20世紀(jì)30年代的一些簡(jiǎn)單的試驗(yàn)的測(cè)量和數(shù)據(jù)的整理，開始了人們對(duì)焊接應(yīng)力應(yīng)變進(jìn)行分析和研究，然后50～60年代通過(guò)研究人員理論經(jīng)驗(yàn)和數(shù)據(jù)的不斷積累逐漸的形成了一些在理論方面的權(quán)威理論作品例如梅蘭和帕爾庫(kù)斯的《由于定常溫度場(chǎng)而產(chǎn)生的熱應(yīng)力》[2223]和帕爾庫(kù)斯單獨(dú)寫的《非定常熱應(yīng)力》[24]，全面的總結(jié)當(dāng)時(shí)人們?cè)诤附討?yīng)力應(yīng)變方面取得的一些進(jìn)展。這一年代的又一個(gè)突破就是對(duì)焊接過(guò)程的另一個(gè)關(guān)鍵因素的考慮，就是焊接過(guò)程中金屬的熔敷產(chǎn)生的相變組織變化 [27]。科技的發(fā)展總是由簡(jiǎn)單到復(fù)雜，二維焊接應(yīng)力應(yīng)變的完善，使得三維分析初見端倪，Chidiac(加拿大)首次在厚板的應(yīng)力應(yīng)變中建立了三維的有限元的溫度場(chǎng)分析模型，考慮了焊接過(guò)程中，由于高溫熔化，而導(dǎo)致的材料本身顯微晶體組織的變化和生長(zhǎng)。Dean Deng和Hidekazu Murakawa的結(jié)論是在薄板焊接過(guò)程中厚度方向幾乎不存在溫度梯度，利用大變形理論數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值比較吻合，而利用小變形理論數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相差較大[33]。2006年，北京大學(xué)的楊娜，龍麗華等人以有限元分析軟件ANSYS為工作平臺(tái),基于非線性板殼有限元理論,采用殼單元對(duì)輕型門式剛架中H型鋼楔形薄壁梁進(jìn)行考慮雙重非線性的全過(guò)程分析,分析了殘余應(yīng)力，對(duì)變截面和等截面H型鋼梁的相關(guān)屈曲性能的影響,殘余應(yīng)力的存在與否對(duì)構(gòu)件相關(guān)屈曲性能影響很大,因此,在H型鋼楔形梁的相關(guān)屈曲分析中必須考慮縱向殘余應(yīng)力的影響，殘余應(yīng)力峰值越大,構(gòu)件延性越好,但是同時(shí)極限承載力越低[36,37]。2008年，西安建筑大學(xué)的馮艷輝在其碩士論文中分析了殘余應(yīng)力對(duì)焊接梁的影響[9]。在大多數(shù)情況下，焊接應(yīng)力變形是三維問(wèn)題，特別是現(xiàn)代焊接結(jié)構(gòu)越來(lái)越大型復(fù)雜化，而且還存在許多不確定因素,雖然有些可以簡(jiǎn)化為二維問(wèn)題分析[4445]，但是在實(shí)際工程中真正可以簡(jiǎn)化的例子并不多，因此三維焊接應(yīng)力變形模擬是必然趨勢(shì)。并行操作和高性能數(shù)據(jù)交換開關(guān)是分布式并行系統(tǒng)的開中重要的兩個(gè)方面；(4)在焊接物理模擬過(guò)程中采用相似理論可以有效減小模擬件的幾何尺寸，減少結(jié)構(gòu)的自由度和計(jì)算工作量，盡管結(jié)構(gòu)的尺寸被縮小，位移、溫度應(yīng)力的結(jié)果也很好吻合，節(jié)省計(jì)算時(shí)間的目的沒(méi)有達(dá)到，所以還需要進(jìn)一步的簡(jiǎn)化模型。 課題研究技術(shù)路線本課題是單軸對(duì)稱焊接工字梁殘余應(yīng)力數(shù)值模擬，采用理論和有限元分析相結(jié)合,循序漸進(jìn)的技術(shù)路線和步驟：首先收集資料進(jìn)行理論分析，結(jié)合已有實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛯?duì)構(gòu)件作初步設(shè)計(jì)，勾勒出具體的模型，應(yīng)用Ansys中的熱分析和靜力分析,對(duì)所建模型進(jìn)行三維有限元模擬，求出模型焊接殘余應(yīng)力的分布與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相比較，驗(yàn)證分析的正確性。 焊接有限元模型的簡(jiǎn)化焊接過(guò)程是一個(gè)涉及到多個(gè)學(xué)科共同作用和多個(gè)物理現(xiàn)象的復(fù)雜過(guò)程。，在做焊接過(guò)程有限元分析時(shí)，由于焊接溫度場(chǎng)和顯微組織變化對(duì)焊接應(yīng)力場(chǎng)的影響要大于后者對(duì)后者的影響，所有只需要考慮前者對(duì)后者的影響，就可以滿足要求即考慮單向耦合。溫度場(chǎng)三維熱傳導(dǎo)控制方程如下： ()式中，—內(nèi)熱源；—材料比熱容；—溫度場(chǎng)溫度分布函數(shù)；—材料密度；—傳熱時(shí)間；—材料導(dǎo)熱系數(shù)。由于時(shí)間域和空間域兩種函數(shù)的不耦合性，在建立有限元是應(yīng)用部分離散的方法。瞬態(tài)非線性熱平衡矩陣方程： ()(27)式也可以表示為： ()單元矩陣元素由下列各式給出： ()是單元對(duì)熱傳導(dǎo)矩陣的貢獻(xiàn)，式中：, 為微分算子的矩陣形式： ()熱傳導(dǎo)矩陣的單元熱交換邊界修正； ()單元對(duì)熱比容矩陣的影響 ()溫度載荷由單元移動(dòng)熱源對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的 ()溫度載荷由單元給定熱流邊界產(chǎn)生的 ()溫度載荷單元給定對(duì)流交換熱邊界產(chǎn)生的這樣就可以在空間域把包含空間域和時(shí)間域的偏微分方程離散成為求解個(gè)節(jié)點(diǎn)溫度的常微分初值問(wèn)題?？梢园颜麄€(gè)時(shí)間域劃分成若干個(gè)時(shí)間的單元，逐個(gè)的推導(dǎo)出時(shí)間域各個(gè)瞬間時(shí)間段的溫度場(chǎng)函數(shù)值。焊接溫度場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)之間是雙向耦合。 塑性理論(1)屈服準(zhǔn)則該準(zhǔn)則規(guī)定了開始時(shí)候材料的塑性應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)，一個(gè)單值的等效應(yīng)力被計(jì)算得出，通過(guò)與屈服強(qiáng)度進(jìn)行比較來(lái)確定材料何時(shí)屈服[13]。材料開始屈服的條件是，等效應(yīng)力超出材料的屈服極限，塑性變形產(chǎn)生。(3)強(qiáng)化準(zhǔn)則強(qiáng)化準(zhǔn)則描述了初始屈服準(zhǔn)則隨著塑性應(yīng)變的增加是怎樣發(fā)展的，有兩種計(jì)算模型組合，隨動(dòng)強(qiáng)化準(zhǔn)則和等向強(qiáng)化準(zhǔn)則[13]。σ1σ1初始屈服面