【正文】 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。 Numerical simulation ； Monosymmetric Isection beams； Birthdeath element 碩士研究 生學(xué)位論文 第一章 緒論 4 第一章 緒論 引言 近年來(lái)，單軸對(duì)稱焊接工字梁在工程中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，與傳統(tǒng)的雙軸對(duì)稱焊接工字梁相比，其上下翼緣的強(qiáng)度都得到了充分的發(fā)揮，承載能力明顯提高，從而節(jié)省了用鋼量，在鋼材價(jià)格大幅上漲的今天更凸顯其應(yīng)用的價(jià)值 [12]，鋼結(jié)構(gòu)的承載力一直是結(jié)構(gòu)領(lǐng)域關(guān)注的焦點(diǎn)，影響單軸對(duì)稱焊接工 字梁承載力的因素很多，焊接殘余應(yīng)力是其中一個(gè)非常關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。 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]。焊接構(gòu)件的焊接接頭的疲勞強(qiáng)度的問(wèn)題和鋼材的剛性的問(wèn)題的影響因素在于，焊接時(shí)候的溫度、焊接時(shí)候所處的環(huán)境及在焊接過(guò)程中產(chǎn)生的應(yīng)力問(wèn)題，在這三方面問(wèn)題的共同作用下產(chǎn)生的，還會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)的抵抗脆斷的性能、腐蝕開(kāi)裂的性能及其在高溫下的蠕變開(kāi)裂的性能產(chǎn)生降低的效果。 應(yīng)用現(xiàn)代有限元技術(shù)，建立三維模型，對(duì)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(duì)于提高焊接結(jié)構(gòu)或接頭的承載能力 ,延長(zhǎng)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(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]。 焊接過(guò)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(guò)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(guò)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。 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(guò)程中的不均勻加熱所引起的，焊應(yīng)力按照其發(fā)生的 來(lái)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(guò)程之前的加工狀況導(dǎo)致的，焊件若經(jīng)歷過(guò)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(chǎng)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(duì)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]。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。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(jiǎn)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(lái)求解。焊接時(shí)的熱輸入是產(chǎn)生焊接應(yīng)力的決定性因素。在函數(shù)解析求解焊接溫度場(chǎng)時(shí)，這種分類可使最終的計(jì)算公式簡(jiǎn)化。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(jiǎn)化。殘余應(yīng)力對(duì)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(duì)靜載強(qiáng)度的影響。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。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(lái)，則殘余應(yīng)力將影響構(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(lái)，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。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。殘余應(yīng)力對(duì)于疲勞強(qiáng)度的影響是人們廣泛關(guān)心的問(wèn)題。結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度與應(yīng)力循環(huán)的特征有關(guān)。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。 (3)殘余應(yīng)力對(duì)結(jié)構(gòu)剛度的影響。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?cè)跇?gòu)件長(zhǎng)度方向上的分布范圍較小，但它們對(duì)剛度的影響是不可忽視的。 (4)殘余應(yīng)力對(duì)壓桿穩(wěn)定性的影響。壓應(yīng)力的疊加使壓應(yīng)力區(qū)先達(dá)到屈服強(qiáng)度。這樣就相當(dāng)于削弱了構(gòu)件的有效面積。殘余應(yīng)力對(duì)受壓桿件穩(wěn)定的影響，在桿件長(zhǎng)細(xì)比為 90 左右時(shí)最嚴(yán)重。此外，當(dāng)桿件的長(zhǎng)細(xì)比較小 (30)，相對(duì)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。局部失穩(wěn)可在焊件服役過(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(kāi)裂和高溫蠕變開(kāi)裂的能力。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。即便切削是在夾具卡固下加工，加工過(guò)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。 (6)殘余應(yīng)力對(duì)應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂的影響。由于拉應(yīng)力的作用對(duì)金屬表面腐蝕鈍化膜不斷破壞，從而加速腐蝕破壞過(guò)程。 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(kāi)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(guó)現(xiàn)行的鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范 (GB5001720xx )[7 ]中， 對(duì)于焊接梁的彈塑性整體穩(wěn)定系數(shù)是根據(jù)雙軸對(duì)稱焊接和軋制工字形截面簡(jiǎn)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。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(duì)不同截面形式下焊接殘余應(yīng)力對(duì)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)。 近年來(lái)，焊接殘余應(yīng)力對(duì)結(jié)構(gòu)承載能力的影響引起人們?cè)絹?lái)越多的關(guān)注。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(duì)殘余應(yīng)力有全面深入的了解 [8]。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(kāi)發(fā)和利用 ,對(duì)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(shì) ,焊接工藝得到了優(yōu)化，但對(duì)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(duì)計(jì)算機(jī)資源的耗費(fèi)很大，如何合理簡(jiǎn)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(wèn)題，美國(guó)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。 國(guó)內(nèi)外同類課題研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì) 國(guó)內(nèi)外焊接熱分析研究現(xiàn)狀 熱傳導(dǎo)問(wèn)題的研究早在 30 年代就開(kāi)始了，首先是 D 對(duì)焊接過(guò) 程的研究由原來(lái)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(cè)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(guò)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(guò)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(wèn)題有待進(jìn)一步的解決 [13]。Tnouce，考慮了一些對(duì)焊接過(guò)程產(chǎn)生影響的溫度因素和焊接溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)及其焊接過(guò)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(guò)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]。上面提到的程序的編寫(xiě)還是局限在線性計(jì)算，非線性的有限元分析由陳楚 (上海交通 )等人進(jìn)行研究，在焊接熱過(guò)程分析上有了一定的突破，他們考慮了各種在對(duì)焊接過(guò)程產(chǎn)生影響的重點(diǎn)問(wèn)題，并且編寫(xiě)了相應(yīng)的可以應(yīng)用在靜態(tài)動(dòng)態(tài)熱源和薄厚板件分析當(dāng)中，雖然對(duì)焊接過(guò)程分析有向前推進(jìn)了一步，但分析還停留在二維階段，對(duì)大型和復(fù)雜的結(jié)構(gòu)模擬還是無(wú)法和實(shí)際結(jié)果相符合 [19]。熱源的選取是焊接模擬過(guò)程中的關(guān)鍵的問(wèn)題， 在以往的二維問(wèn)題中應(yīng)用高斯熱源就可以很好的模擬，但對(duì)于在三維條件下，高斯熱源有些時(shí)候就不能很好 的進(jìn)行模擬，蔡洪能等人提出了熱源模型雙橢球運(yùn)動(dòng)電弧作用，應(yīng)用節(jié)點(diǎn)熱燴的判斷方法，進(jìn)行低碳鋼 (A3 鋼 )板試驗(yàn)中的焊接溫度場(chǎng)中的溫度分布進(jìn)行分析，最終和試驗(yàn)中的結(jié)果的數(shù)據(jù)符合 [1 6,18 ]。 起初對(duì)焊接應(yīng)力應(yīng)變的分析從一維的問(wèn)題開(kāi)始，應(yīng)用圖解法分析焊接過(guò)程，其中奧凱爾布洛母等人 (前蘇聯(lián)學(xué)者 )在分析中加進(jìn)了溫度變化對(duì)于材料屬性的影響 [13]。 隨著一維焊接應(yīng)力應(yīng)變的發(fā)展和完善，人們把分析逐步的向二維領(lǐng)域發(fā)展，70 年代初，對(duì)接焊和平板堆焊的二維應(yīng)力應(yīng)變分析程序就由 Iwkai 和 Muraki 編制完善，二維分析成為了可能 [13]。 隨著焊接應(yīng)力應(yīng)變理論基礎(chǔ)的不斷的完善， 80 年代，人們開(kāi)始注重更深層次的研究，開(kāi)始研究更加準(zhǔn)確的焊接應(yīng)力應(yīng)變?cè)诜植忌系内厔?shì)，通過(guò)一些計(jì)算數(shù)據(jù)，如 Josefson 等人定位焊和薄壁管件等焊接應(yīng)力過(guò)程研究數(shù)據(jù)的分析，提出了一些精度更高的焊接應(yīng)力分布趨勢(shì)和一些消減焊接應(yīng)力應(yīng)變的方法和措施 [28]。Tnouce，考慮了一些對(duì)焊接過(guò)程產(chǎn)生影響的溫度因素和焊接溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)及其焊接過(guò)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(guò)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；焊接應(yīng)力應(yīng)變的分析由薄板向著厚板，單層焊接向著雙層焊接方向發(fā)展，Shim 等人 (美國(guó) )就在熱彈塑性平面應(yīng)變有限元理論下對(duì)多層焊接的厚板件實(shí)行了計(jì)算，并且比較了不同的焊縫形式 (坡口 )下的焊接殘余應(yīng)力，以此為依據(jù)，提 取了關(guān)于厚板的焊接殘余應(yīng)力的分布的趨勢(shì) [29]。 近年來(lái)， ， ， 點(diǎn)焊焊前和焊后的溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行了 ANSYS數(shù)值模擬，得到隨著焊接時(shí)間加長(zhǎng)，焊縫周圍的拉伸殘余應(yīng)力有減小的趨勢(shì)，而隨著焊接電壓的升高，拉伸殘余應(yīng)力有加強(qiáng)的趨勢(shì) [30 ]。 ，得到焊接速度對(duì)焊接殘余應(yīng)力的影響最大，提高焊接的速度有助于降低焊接殘余應(yīng)力 [32]，此外，激光能量大小對(duì)焊接殘余應(yīng)力有巨大的影響。 二十世紀(jì) 九十 年代，汪建華等人對(duì)焊接過(guò)程應(yīng)用三維數(shù)值模擬，認(rèn)為焊接溫度場(chǎng)均屬于典型的非線性瞬態(tài)熱傳導(dǎo)，探討了影響收斂進(jìn)度的因素算，并提出了若干解決計(jì)算精度的問(wèn)題。 20xx年， 陳麗敏和陳思作，根據(jù)熱彈塑性應(yīng)力理論、有限元理論 ,用大型有限元軟件 ANSYS對(duì)焊接工字型截面梁進(jìn)行殘余應(yīng)力分析 ， 分析結(jié)果表明 ， 焊接殘余壓應(yīng)力的分布與截面幾何參數(shù)有關(guān) ,為用有限元分析焊接工字型截 面梁殘余應(yīng)力提供了一種方法 [3 5]。 20xx年清華大學(xué)的楊文等人 針對(duì)鋼板對(duì)接焊縫及腹板與翼緣角 焊縫連接的工字型截面梁，研究了焊接的溫度場(chǎng)，殘余應(yīng)力分布及殘余變形，并且通過(guò)有限元計(jì)算進(jìn)一步研究了由于焊接殘余應(yīng)力的存在，熱影響區(qū)內(nèi)鋼材受力性能的變化 [38]。同濟(jì)大學(xué)的吳蕓和張其林焊接鋁合金構(gòu)件殘余應(yīng)力試驗(yàn)研究 , 通過(guò)對(duì)測(cè)試數(shù) 據(jù)的分析整理 ,得出縱向焊接工字型截面構(gòu)件殘余應(yīng)力的分布情況 ,為進(jìn)一步總結(jié)焊接鋁合金構(gòu)件殘余應(yīng)力的分布規(guī)律及研究殘余應(yīng)力對(duì)構(gòu)件承載力的影響提供了基礎(chǔ)。 20xx年清華大學(xué)的 班慧勇等 在殘余應(yīng)力實(shí)驗(yàn)研究中 提出了適用于 Q420高強(qiáng)等邊角鋼的較為準(zhǔn)確和安全的殘余應(yīng)力分布模型和計(jì)算公式 [40]。 20 世紀(jì) 70 年代以來(lái)由于有限元技術(shù)的發(fā)展，數(shù)值模擬方法在焊接應(yīng)力變形中的研究和應(yīng)用日益廣泛，但基本上是針對(duì)二維問(wèn)題 [424 3]。 由于焊接過(guò)程的復(fù)雜性以及焊接結(jié)構(gòu)三維數(shù)值模擬中自由度大、計(jì)算效率低、計(jì)算精度難以保證等特征。利用單元“死活”技術(shù)描述多層焊及焊縫金屬的熔