【正文】 其他截面只能借用，合適與否，需要進一步的證明。通過對單軸對稱焊接工字梁殘余應力的模擬計算，為以后焊接結構的優(yōu)化設計提供重要依據(jù)。殘余應力的峰值甚至可能達到或超過材料的屈服極限,當這些焊接構件投入使用時,它們所受載荷引起的工作應力與其內(nèi)部的焊接殘余應力相疊加,將導致焊接構件產(chǎn)生二次變形和焊接殘余應力的重新分布,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，應力應變動態(tài)過程。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，殘余應力的存在就不影響構件的承載能力，即對構件的靜載強度沒有影響。如果構件中存在著殘余應力，則它將始終作用于應力循環(huán)中，使整個應力循環(huán)的應力值偏移一個值，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，應予重視。當桿件的長細比較大(150)，它的臨界應力本來就比較低時，或者當殘余應力的數(shù)值較低時，外載應力與殘余應力之和在失穩(wěn)前仍未達到屈服強度，則殘余應力對穩(wěn)定性不會產(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。要分析焊接殘余應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力分布，許多國家用各種方法對構件中的殘余應力進行了測量,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力分布圖，但是,能查閱到的有關單軸對稱焊接工字形截面殘余應力分布的文獻較少，因此，準確全面的了解單軸對稱焊接工字梁殘余應力的分布對其整體穩(wěn)定設計具有重要意義[8]。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的方程，研究了在固體中動態(tài)熱源的傳導問題；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)生影響的構件在大小方面等因素，焊接過程中的關鍵問題就是在于，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)生各種復雜的變化，單純的應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]。 國內(nèi)外的焊接殘余應力研究的現(xiàn)狀起始于20世紀30年代的一些簡單的試驗的測量和數(shù)據(jù)的整理，開始了人們對焊接應力應變進行分析和研究，然后50～60年代通過研究人員理論經(jīng)驗和數(shù)據(jù)的不斷積累逐漸的形成了一些在理論方面的權威理論作品例如梅蘭和帕爾庫斯的《由于定常溫度場而產(chǎn)生的熱應力》[2223]和帕爾庫斯單獨寫的《非定常熱應力》[24]，全面的總結當時人們在焊接應力應變方面取得的一些進展?？萍嫉陌l(fā)展總是由簡單到復雜，二維焊接應力應變的完善，使得三維分析初見端倪，Chidiac(加拿大)首次在厚板的應力應變中建立了三維的有限元的溫度場分析模型，考慮了焊接過程中，由于高溫熔化，而導致的材料本身顯微晶體組織的變化和生長。2006年，北京大學的楊娜，龍麗華等人以有限元分析軟件ANSYS為工作平臺,基于非線性板殼有限元理論,采用殼單元對輕型門式剛架中H型鋼楔形薄壁梁進行考慮雙重非線性的全過程分析,分析了殘余應力，對變截面和等截面H型鋼梁的相關屈曲性能的影響,殘余應力的存在與否對構件相關屈曲性能影響很大,因此,在H型鋼楔形梁的相關屈曲分析中必須考慮縱向殘余應力的影響，殘余應力峰值越大,構件延性越好,但是同時極限承載力越低[36,37]。在大多數(shù)情況下，焊接應力變形是三維問題，特別是現(xiàn)代焊接結構越來越大型復雜化，而且還存在許多不確定因素,雖然有些可以簡化為二維問題分析[4445]，但是在實際工程中真正可以簡化的例子并不多，因此三維焊接應力變形模擬是必然趨勢。 課題研究技術路線本課題是單軸對稱焊接工字梁殘余應力數(shù)值模擬，采用理論和有限元分析相結合,循序漸進的技術路線和步驟：首先收集資料進行理論分析，結合已有實驗模型對構件作初步設計，勾勒出具體的模型，應用Ansys中的熱分析和靜力分析,對所建模型進行三維有限元模擬，求出模型焊接殘余應力的分布與實驗結果相比較，驗證分析的正確性。，在做焊接過程有限元分析時，由于焊接溫度場和顯微組織變化對焊接應力場的影響要大于后者對后者的影響，所有只需要考慮前者對后者的影響，就可以滿足要求即考慮單向耦合。由于時間域和空間域兩種函數(shù)的不耦合性，在建立有限元是應用部分離散的方法?？梢园颜麄€時間域劃分成若干個時間的單元，逐個的推導出時間域各個瞬間時間段的溫度場函數(shù)值。 塑性理論(1)屈服準則該準則規(guī)定了開始時候材料的塑性應力應變狀態(tài)，一個單值的等效應力被計算得出，通過與屈服強度進行比較來確定材料何時屈服[13]。(3)強化準則強化準則描述了初始屈服準則隨著塑性應變的增加是怎樣發(fā)展的，有兩種計算模型組合，隨動強化準則和等向強化準則[13]。依據(jù)塑性流動法則，塑性應變的增量可表示為： ()的正負用來判斷塑性區(qū)的卸載，當為卸載過程。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行計算。理想熱接觸允許另個出界面上具有完全不同的網(wǎng)格。焊接過程中,焊接構件與周圍環(huán)境之間存在熱量交換。這種方法實際上是通過計算包含所有必須項的單元矩陣或單元載荷向量來實現(xiàn)的。在焊接過程中，焊縫及周圍溫度變化較大，生成的熱應力也較大，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通過一定的作用面積，電弧將熱源傳遞給焊接構件，這個作用面積就是加熱斑點，熱量在加熱斑點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)模型來近似的描述加熱斑點上的熱流密度 [5354]。設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為[55]: ()在后半部分橢球內(nèi)熱源分布為: ()上面式子中相互獨立的a、b、c可取不同的數(shù)值。此外，焊接過程是非線性瞬態(tài)分析，殺死或重新激活單元可能引起奇異性(如結構分析中的尖角)或剛度突變，甚至會導致很難收斂，所以必須要在各個荷載步中控制生死單元的數(shù)量，同時迭代過程的剛度縮減會導致不連續(xù)發(fā)生，在有單元生死的分析中打開FULL牛頓一拉普森方法的自適應下降選項將得到好的結果[56]。(3)載荷步設置 時間步長的設置對計算精度有很大的影響，步長越小，計算精度越準確，但過小的時間步長對計算機的容量要求很高，計算的時間也過長。(2)時間歷程后處理POST26可以查看模型中指定點的分析結果隨時間、頻率等的變化關系。 (2)求解計算焊接屬于大應變問題，打開大變形和大應變選項，采用Full NewtonRaphson（牛頓拉普森）方法，每進行一次平衡迭代，就修正一次剛度矩陣，同時激活自適應下降功能，打開自動時間不長及時間步長預測加快計算和收斂。 試驗驗證 雙軸對稱焊接工字梁殘余應力試驗驗證(。施加載荷時，讀入熱分析的節(jié)點溫度并制定相應的時間點或載荷步。例如，在非線性分析中，以圖形顯示載荷和位移的關系。可按照如下公式估算初始時間步長： ()其中為沿熱流密度方向熱梯度量最大處的單元的長度，為熱擴散率，它等于導熱系數(shù)除以密度和比熱容的乘積，通過命令NSUBST或者DELTIM實現(xiàn)。(2) ANSYS的函數(shù)功能利用ANSYS中的函數(shù)功能function編寫熱載荷施加函數(shù)，以熱源中心為中心施加熱源載荷，隨著對時間的變化的控制來實現(xiàn)熱源的移動。(4)生熱率對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化為焊縫單元在單位體積內(nèi)的熱生成強度，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。對于移動熱源 ()此熱源模型普遍使用在焊接溫度場的有限元計算中。 熱源類型的選取焊接過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)，進而冷卻形成焊縫的過程。如用間接法計算熱應力問題，先采用具有熱單元自由度不具有結構自由度的熱單元進行熱分析，然后熱單元轉換成相應具有結構自由度不具有熱自由度的結構單元，并把求得的節(jié)點溫度作為體載荷施加到模型上再進行結構應力分析，因此在整個分析過程中錯在熱單元和結構單元的轉換問題。溫度較高時,材料的散熱以輻射為主。 另外APDL語言編程作為ANSYS分析的輔助程序大大的方便了模擬過程的編寫，使復雜的過程得以簡化本文分析的焊接過程包括熱源施加，單元生死等比較復雜的問題，應用APDL語言編寫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，用有限元計算物體內(nèi)部各個幾點的溫度，并導出其他熱物理參數(shù)。 () () 上式子中：聯(lián)系單元中應變與節(jié)點位移向量的矩陣。依據(jù)米塞斯（Von Mises）屈服準則，所有方向上屈服面均勻擴張。但對于是否達到屈服點并不明顯的復雜的應力狀態(tài)，屈服準則就是一個可以與簡單拉伸屈服應力相比較的標量，從此來確定結構是否產(chǎn)生塑性應變。 焊接殘余應力的分析理論 熱彈塑性分析的特點和假定熱彈塑性問題屬于熱力學問題，其力學平衡方程中自由能密度不僅與應變有關，而且也有溫度有關的項。(1)空間域的離散個擁有個節(jié)點的單元把空間域離散，里包含個節(jié)點。此外，本文還考慮了相變潛熱對溫度場的影響。第二章 焊接過程有限元分析理論 焊接過程有限元分析特點采用時間和空間有限元法，相同程度構件細節(jié)采用彈性構件分析，探討焊接過程中，焊料和焊件之間的熱力關系、焊接殘余應力應變，以下為焊接過程中應用有限元分析的特點:(1)建立三維數(shù)值模擬模型，至少焊縫和焊縫附件是如此，用來考慮表面和內(nèi)部由于冷卻產(chǎn)生的不用影響；(2)溫度場模擬是典型的瞬態(tài)非線性，材料的熱物理屬性與溫度有關，產(chǎn)生的溫度梯度與時間和位置相關，但又是極不相同； (3)局部熱產(chǎn)生的歷史和力學的應力應變歷史將決定局部焊接過程中材料的瞬態(tài)行為；(4)焊接過程中材料將發(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改變構件的連接；(5)連續(xù)介質(zhì)的概念將受到懷疑，因為可能在臨界點發(fā)生缺陷和裂紋；即使是現(xiàn)在，也無法很好的解決收斂和誤差估計困難的難題。通過近年來三維焊接應力變形數(shù)值模擬研究現(xiàn)狀，取得的進展和現(xiàn)有關鍵問題的分析可知，提高模擬計算的精度和效率是今后焊機模擬的關鍵問題[40]：(1)采用合適的熱源模型和動態(tài)可逆自適應網(wǎng)格生成技術可以減少網(wǎng)格和結點數(shù)目，在保證計算精度的同時，可大大提高運算效率,但其技術細節(jié)及準確性等迄今尚無報道；(2)通過適當調(diào)整材料高溫性能參數(shù)有利于有限元解的收斂性，提高計算效率。同年哈爾濱工業(yè)大學的張壯南等人通過比較試驗和有限元分析,研究了焊接殘余應力對單軸對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]中采用截面法對焊接單軸對稱工字形截面的殘余應力分布進行了測量，根據(jù)實測值，建立了接近試驗情況的單軸對稱工字形截面殘余應力分布模型[11]。Cleition Carvalho Silva,Jesualdo Pereira Farias 等人用手工電弧焊對小管進行了對接焊，并用X射線測量儀器進行測量，發(fā)現(xiàn)在相似的焊接參數(shù)條件下，殘余應力得到兩種結果，即可能很大，也可能很小，但是他們還沒有確定到底是哪種參數(shù)的小改變導致焊接殘余應力的不一致性[31]。對于尺寸稍大的構件，僅僅的解析方法無法滿足分析的需求，人們開始向計算機程序編寫的方面推進，首次應用編寫的程序模擬一維板中堆焊由Tall等人完成 [14]。計算機技術的快速崛起，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用了有限元技術；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T現(xiàn)行鋼結構設計規(guī)范(GB500172003)[7]中，包含了焊接構件的變形和殘余應力影響條件下的軸心受力焊接構件的整體穩(wěn)定的系數(shù)，規(guī)范中鋼結構劃分為了8種不同的類型，是根據(jù)焊接結構所選用的焊接時候的焊縫的形式的不同。應力腐蝕開裂(簡稱應力腐蝕)是拉應力和腐蝕介質(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，壓縮殘余應力將降低翼緣的局部穩(wěn)定性。構件截面上的壓縮殘余應力將與外載引起的壓應力疊加。當應力循環(huán)的平均