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結(jié)構(gòu)鋼焊接殘余應(yīng)力三維有限元分析

發(fā)布于:2020-09-27 21:24
有限元分析

       目前對殘余應(yīng)力的研究理論分析方法尚不成熟,主要通過試驗(yàn)測量及有限元分析得到,其中主要的試驗(yàn)方法有應(yīng)力松弛法(如鉆孔法,切割法等),X射線法和裂紋法等。但這些方法還停留在實(shí)驗(yàn)室階段,無法用于實(shí)際焊件殘余應(yīng)力的測定。因此對焊接鋼結(jié)構(gòu)殘余應(yīng)力的研究多采用有限元分析。對于簡單構(gòu)件的三維有限元計(jì)算已經(jīng)有一定的研究成果,但因?yàn)橛?jì)算的復(fù)雜性,對于梁柱焊接節(jié)點(diǎn)這類較復(fù)雜結(jié)構(gòu)的有限元研究主要以二維計(jì)算為主。Zhang采用二維有限元及簡化試驗(yàn)分析了栓焊混接節(jié)點(diǎn)中梁柱翼緣對接焊縫中的殘余應(yīng)力的分布,Matos等人在此基礎(chǔ)上采用二維有限元分析了由于焊接殘余應(yīng)力的存在梁柱對接焊縫在靜力及循環(huán)荷載下的力學(xué)性能。
       本文通過三維有限元分析,針對鋼板對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,殘余應(yīng)力分布及殘余變形,并且通過有限元計(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。
       (1)焊接殘余應(yīng)力的計(jì)算方法
       焊接過程的數(shù)值模擬存在著溫度場與應(yīng)力及變形場的藕合問題,兩者相互影響。研究表明,應(yīng)力及變形場對溫度場分布的影響主要是變形熱,而相對于焊接熱量的輸入很小,可以忽略不計(jì)。有限元計(jì)算過程中,矢量場計(jì)算量遠(yuǎn)大于標(biāo)量場計(jì)算量,為提高計(jì)算效率,一般忽略應(yīng)力及變形場對溫度場的的藕合作用,采用間接法計(jì)算焊接殘余應(yīng)力。其計(jì)算步驟如下:①建立有限元模型,定義不同溫度下材料的熱物理參數(shù),并且定義熱力學(xué)邊界條件(如溫度,對流,輻射等);②通過移動熱源的輸入及冷卻過程進(jìn)行瞬態(tài)熱計(jì)算模擬焊接溫度循環(huán)過程,得到焊接過程中的瞬態(tài)溫度場;③將熱單元轉(zhuǎn)變?yōu)榻Y(jié)構(gòu)單元,定義不同溫度下材料的力學(xué)參數(shù)及結(jié)構(gòu)邊界條件;①把計(jì)算得到的溫度場做為荷載施加到結(jié)構(gòu)上求出殘余應(yīng)力場和殘余變形。
       模擬過程中的難點(diǎn)在于多道焊縫的模擬、焊接熱源的輸入以及輻射和相變的影響。
       (2)多道焊接的模擬
       焊接過程中,按照焊接順序,各道焊縫是依次生成的,所以在計(jì)算某一道焊縫的溫度場和應(yīng)力場過程中,后面施加的焊縫不應(yīng)該參與計(jì)算。在有限元模擬中一般采用單元“生死”功能,將尚未焊接不參與作用的焊縫單元設(shè)為死單元,其剛度矩陣乘以一個遠(yuǎn)小于1的量。這樣計(jì)算溫度場時,生單元及死單元之間的熱量交換趨近于零,而計(jì)算應(yīng)力場時,死單元上的應(yīng)力及對其相鄰單元的約束也趨近于零。在計(jì)算過程中不斷地“激活”單元,以模擬焊縫的不斷生成過程。
       (3)焊接熱源的輸入
       (4)輻射及相變
       焊接過程中,焊接構(gòu)件與周圍環(huán)境之間存在熱量交換。溫度較低時,材料的散熱以對流為主;溫度較高時,材料的散熱以輻射為主。在焊接過程有限元計(jì)算中,一般采用等效表面放熱系數(shù),用一個參數(shù)同時考慮輻射與對流的散熱。文獻(xiàn)列出了鋼材的等效表面放熱系數(shù)在不同溫度下的數(shù)值。



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