【正文】 其他截面只能借用，合適與否，需要進(jìn)一步的證明。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)。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。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。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。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。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。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。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。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]。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)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(kāi)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(xiě)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?？萍嫉陌l(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(jiàn)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)。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]。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)。 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。，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。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?？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。 塑性理論(1)屈服準(zhǔn)則該準(zhǔn)則規(guī)定了開(kāi)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]。(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]。依據(jù)塑性流動(dòng)法則，塑性應(yīng)變的增量可表示為： ()的正負(fù)用來(lái)判斷塑性區(qū)的卸載，當(dāng)為卸載過(guò)程。用戶可以隨心所欲地選擇圖形用戶界面方式或者命令流的方式進(jìn)行計(jì)算。理想熱接觸允許另個(gè)出界面上具有完全不同的網(wǎng)格。焊接過(guò)程中,焊接構(gòu)件與周圍環(huán)境之間存在熱量交換。這種方法實(shí)際上是通過(guò)計(jì)算包含所有必須項(xiàng)的單元矩陣或單元載荷向量來(lái)實(shí)現(xiàn)的。在焊接過(guò)程中，焊縫及周圍溫度變化較大，生成的熱應(yīng)力也較大，變形比較明顯，因此在焊縫及其附近加密網(wǎng)格。(1)高斯分布的熱源Oyqqmx通過(guò)一定的作用面積，電弧將熱源傳遞給焊接構(gòu)件，這個(gè)作用面積就是加熱斑點(diǎn)，熱量在加熱斑點(diǎn)上的分布是不均勻的，由中心像邊緣減少，可以用高斯函數(shù)模型來(lái)近似的描述加熱斑點(diǎn)上的熱流密度 [5354]。設(shè)為橢球的前面一半能量值， 為剩下橢球能量值，且+ =2,熱源分布為在前者橢球?yàn)閇55]: ()在后半部分橢球內(nèi)熱源分布為: ()上面式子中相互獨(dú)立的a、b、c可取不同的數(shù)值。此外，焊接過(guò)程是非線性瞬態(tài)分析，殺死或重新激活單元可能引起奇異性(如結(jié)構(gòu)分析中的尖角)或剛度突變，甚至?xí)?dǎo)致很難收斂，所以必須要在各個(gè)荷載步中控制生死單元的數(shù)量，同時(shí)迭代過(guò)程的剛度縮減會(huì)導(dǎo)致不連續(xù)發(fā)生，在有單元生死的分析中打開(kāi)FULL牛頓一拉普森方法的自適應(yīng)下降選項(xiàng)將得到好的結(jié)果[56]。(3)載荷步設(shè)置 時(shí)間步長(zhǎng)的設(shè)置對(duì)計(jì)算精度有很大的影響，步長(zhǎng)越小，計(jì)算精度越準(zhǔn)確，但過(guò)小的時(shí)間步長(zhǎng)對(duì)計(jì)算機(jī)的容量要求很高，計(jì)算的時(shí)間也過(guò)長(zhǎng)。(2)時(shí)間歷程后處理POST26可以查看模型中指定點(diǎn)的分析結(jié)果隨時(shí)間、頻率等的變化關(guān)系。 (2)求解計(jì)算焊接屬于大應(yīng)變問(wèn)題，打開(kāi)大變形和大應(yīng)變選項(xiàng)，采用Full NewtonRaphson（牛頓拉普森）方法，每進(jìn)行一次平衡迭代，就修正一次剛度矩陣，同時(shí)激活自適應(yīng)下降功能，打開(kāi)自動(dòng)時(shí)間不長(zhǎng)及時(shí)間步長(zhǎng)預(yù)測(cè)加快計(jì)算和收斂。 試驗(yàn)驗(yàn)證 雙軸對(duì)稱焊接工字梁殘余應(yīng)力試驗(yàn)驗(yàn)證(。施加載荷時(shí)，讀入熱分析的節(jié)點(diǎn)溫度并制定相應(yīng)的時(shí)間點(diǎn)或載荷步。例如，在非線性分析中，以圖形顯示載荷和位移的關(guān)系?？砂凑杖缦鹿焦浪愠跏紩r(shí)間步長(zhǎng)： ()其中為沿?zé)崃髅芏确较驘崽荻攘孔畲筇幍膯卧拈L(zhǎng)度，為熱擴(kuò)散率，它等于導(dǎo)熱系數(shù)除以密度和比熱容的乘積，通過(guò)命令NSUBST或者DELTIM實(shí)現(xiàn)。(2) ANSYS的函數(shù)功能利用ANSYS中的函數(shù)功能function編寫(xiě)熱載荷施加函數(shù)，以熱源中心為中心施加熱源載荷，隨著對(duì)時(shí)間的變化的控制來(lái)實(shí)現(xiàn)熱源的移動(dòng)。(4)生熱率對(duì)于填角焊縫或者坡口焊縫，高斯熱源就難于滿足要求，通常采用生熱率的方式施加熱源載荷，將有效的熱源輸入能量轉(zhuǎn)化為焊縫單元在單位體積內(nèi)的熱生成強(qiáng)度，即； ()式中：q是生熱率；η是焊接有效系數(shù)；U是焊接電壓；I是焊接電流；V是單位焊接體積。對(duì)于移動(dòng)熱源 ()此熱源模型普遍使用在焊接溫度場(chǎng)的有限元計(jì)算中。 熱源類型的選取焊接過(guò)程通常是材料在具有高能量密度的熱源作用下，連接區(qū)域局部熔化或呈塑性狀態(tài)，進(jìn)而冷卻形成焊縫的過(guò)程。如用間接法計(jì)算熱應(yīng)力問(wèn)題，先采用具有熱單元自由度不具有結(jié)構(gòu)自由度的熱單元進(jìn)行熱分析，然后熱單元轉(zhuǎn)換成相應(yīng)具有結(jié)構(gòu)自由度不具有熱自由度的結(jié)構(gòu)單元，并把求得的節(jié)點(diǎn)溫度作為體載荷施加到模型上再進(jìn)行結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析，因此在整個(gè)分析過(guò)程中錯(cuò)在熱單元和結(jié)構(gòu)單元的轉(zhuǎn)換問(wèn)題。溫度較高時(shí),材料的散熱以輻射為主。 另外APDL語(yǔ)言編程作為ANSYS分析的輔助程序大大的方便了模擬過(guò)程的編寫(xiě)，使復(fù)雜的過(guò)程得以簡(jiǎn)化本文分析的焊接過(guò)程包括熱源施加，單元生死等比較復(fù)雜的問(wèn)題，應(yīng)用APDL語(yǔ)言編寫(xiě)命令流為分析提供了便利。ANSYS熱分析基于能量守恒的熱平衡方程，用有限元計(jì)算物體內(nèi)部各個(gè)幾點(diǎn)的溫度，并導(dǎo)出其他熱物理參數(shù)。 () () 上式子中：聯(lián)系單元中應(yīng)變與節(jié)點(diǎn)位移向量的矩陣。依據(jù)米塞斯（Von Mises）屈服準(zhǔn)則，所有方向上屈服面均勻擴(kuò)張。但對(duì)于是否達(dá)到屈服點(diǎn)并不明顯的復(fù)雜的應(yīng)力狀態(tài)，屈服準(zhǔn)則就是一個(gè)可以與簡(jiǎn)單拉伸屈服應(yīng)力相比較的標(biāo)量，從此來(lái)確定結(jié)構(gòu)是否產(chǎn)生塑性應(yīng)變。 焊接殘余應(yīng)力的分析理論 熱彈塑性分析的特點(diǎn)和假定熱彈塑性問(wèn)題屬于熱力學(xué)問(wèn)題，其力學(xué)平衡方程中自由能密度不僅與應(yīng)變有關(guān)，而且也有溫度有關(guān)的項(xiàng)。(1)空間域的離散個(gè)擁有個(gè)節(jié)點(diǎn)的單元把空間域離散，里包含個(gè)節(jié)點(diǎn)。此外，本文還考慮了相變潛熱對(duì)溫度場(chǎng)的影響。第二章 焊接過(guò)程有限元分析理論 焊接過(guò)程有限元分析特點(diǎn)采用時(shí)間和空間有限元法，相同程度構(gòu)件細(xì)節(jié)采用彈性構(gòu)件分析，探討焊接過(guò)程中，焊料和焊件之間的熱力關(guān)系、焊接殘余應(yīng)力應(yīng)變，以下為焊接過(guò)程中應(yīng)用有限元分析的特點(diǎn):(1)建立三維數(shù)值模擬模型，至少焊縫和焊縫附件是如此，用來(lái)考慮表面和內(nèi)部由于冷卻產(chǎn)生的不用影響；(2)溫度場(chǎng)模擬是典型的瞬態(tài)非線性，材料的熱物理屬性與溫度有關(guān)，產(chǎn)生的溫度梯度與時(shí)間和位置相關(guān)，但又是極不相同； (3)局部熱產(chǎn)生的歷史和力學(xué)的應(yīng)力應(yīng)變歷史將決定局部焊接過(guò)程中材料的瞬態(tài)行為；(4)焊接過(guò)程中材料將發(fā)生熔敷以及凝固，將改變材料的顯微組織而且在焊后將會(huì)改變構(gòu)件的連接；(5)連續(xù)介質(zhì)的概念將受到懷疑，因?yàn)榭赡茉谂R界點(diǎn)發(fā)生缺陷和裂紋；即使是現(xiàn)在，也無(wú)法很好的解決收斂和誤差估計(jì)困難的難題。通過(guò)近年來(lái)三維焊接應(yīng)力變形數(shù)值模擬研究現(xiàn)狀，取得的進(jìn)展和現(xiàn)有關(guān)鍵問(wèn)題的分析可知，提高模擬計(jì)算的精度和效率是今后焊機(jī)模擬的關(guān)鍵問(wèn)題[40]：(1)采用合適的熱源模型和動(dòng)態(tài)可逆自適應(yīng)網(wǎng)格生成技術(shù)可以減少網(wǎng)格和結(jié)點(diǎn)數(shù)目，在保證計(jì)算精度的同時(shí)，可大大提高運(yùn)算效率,但其技術(shù)細(xì)節(jié)及準(zhǔn)確性等迄今尚無(wú)報(bào)道；(2)通過(guò)適當(dāng)調(diào)整材料高溫性能參數(shù)有利于有限元解的收斂性，提高計(jì)算效率。同年哈爾濱工業(yè)大學(xué)的張壯南等人通過(guò)比較試驗(yàn)和有限元分析,研究了焊接殘余應(yīng)力對(duì)單軸對(duì)稱工字形懸伸梁和連續(xù)梁的整體穩(wěn)定承載力影響，并在其博士論文[39]中采用截面法對(duì)焊接單軸對(duì)稱工字形截面的殘余應(yīng)力分布進(jìn)行了測(cè)量，根據(jù)實(shí)測(cè)值，建立了接近試驗(yàn)情況的單軸對(duì)稱工字形截面殘余應(yīng)力分布模型[11]。Cleition Carvalho Silva,Jesualdo Pereira Farias 等人用手工電弧焊對(duì)小管進(jìn)行了對(duì)接焊，并用X射線測(cè)量?jī)x器進(jìn)行測(cè)量，發(fā)現(xiàn)在相似的焊接參數(shù)條件下，殘余應(yīng)力得到兩種結(jié)果，即可能很大，也可能很小，但是他們還沒(méi)有確定到底是哪種參數(shù)的小改變導(dǎo)致焊接殘余應(yīng)力的不一致性[31]。對(duì)于尺寸稍大的構(gòu)件，僅僅的解析方法無(wú)法滿足分析的需求，人們開(kāi)始向計(jì)算機(jī)程序編寫(xiě)的方面推進(jìn)，首次應(yīng)用編寫(xiě)的程序模擬一維板中堆焊由Tall等人完成 [14]。計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速崛起，帶動(dòng)了焊接熱過(guò)程數(shù)值分析的發(fā)展，對(duì)焊接熱過(guò)程的分析由實(shí)驗(yàn)階段進(jìn)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(shí)間的進(jìn)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(jìn)的方面在與他考慮了在焊接過(guò)程中十分重要的問(wèn)題就是鋼材材料在高溫下的非線性的變化過(guò)程，從此焊接熱分析被推進(jìn)到了塑性分析的階段，大大使動(dòng)態(tài)過(guò)程由繁到簡(jiǎn)；隨著加拿大的 Poley和Hibbert論文的發(fā)表，對(duì)焊接熱過(guò)程的分析由原來(lái)的單單有限元的理論分析，發(fā)展為可以編制簡(jiǎn)單的程序，可以對(duì)一些截面(矩形外)、單雙焊縫、各種坡口焊進(jìn)行焊接；接下來(lái)T現(xiàn)行鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(shí)候的焊縫的形式的不同。應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂(簡(jiǎn)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。對(duì)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。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。當(dāng)應(yīng)力循環(huán)的平均