U肋与顶板连接焊缝残余应力的三维数值模拟

摘要

正交异性钢桥面板因经济耐久，轻质高强等优点，被广泛运用于世界大、中跨度桥梁。但其结构复杂，板件众多，大都通过焊接方式连接，焊缝处必然存在残余应力。焊接残余应力的存在会降低钢桥面板的使用性能，如抗腐蚀、抗疲劳和稳定性能等。当前完全控制和消除焊接残余应力还不太现实，钢桥面板上还会存在很大的残余应力。为保证钢桥面板的使用安全，需要准确认识残余应力的大小及其分布规律。残余应力的试验测量耗时耗力，论文采用数值模拟技术进行定量分析，主要工作包括:
　　(1)简单介绍了焊接残余应力的基础知识，回顾了焊接数值模拟技术的国内外发展现状，并总结了焊接模拟的相关理论和方法，包括焊接温度场和应力场的理论;
　　(2)以港珠澳大桥为背景，采用ANSYS有限元软件建立U肋与顶板连接焊缝的三维模型，选定合理的材料参数和热源模型，使用生死单元技术模拟焊料的熔化和填充，分别进行温度场和应力场的模拟计算;
　　(3)对模拟计算结果进行分析，得到温度场和应力场的分布规律:热源移动位置，焊缝金属温度急剧升高至熔融，随着热源的离开，温度又迅速下降最终至室温;顶板近U肋表面焊缝区的最大残余拉应力约为屈服强度的1.2倍，远焊缝区的最大残余压应力约为屈服强度的0.1倍;U肋近焊缝区的最大残余拉应力达到屈服强度，远焊缝区的最大残余压应力约为屈服强度的0.1倍;
　　(4)分析材料参数、焊接工艺参数和几何模型参数对焊接残余应力的影响，得到更为准确的模拟计算结果，为合理的焊接工艺提供数据支持;
　　模拟计算结果说明:U肋与顶板连接焊缝残余应力是可以用ANSYS软件进行数值模拟的;顶板和U肋残余应力的计算结果和分布趋势与前人的研究相接近;参数变化对焊接残余应力的影响很大。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 论文研究背景及意义

1．2 焊接残余应力概述

1．2．1 焊接残余应力概念及分类

1．2．2 焊接残余应力产生机理

1．2．3 焊接残余应力的分布

1．2．4 焊接残余应力对结构性能的影响

1．3 焊接数值模拟在国内外的研究现状

1．3．1 焊接温度场研究进展

1．3．2 焊接应力场研究进展

1．3．3 现阶段的研究存在的一些问题

1．4 本文主要研究内容

第2章 焊接有限元分析的理论基础

2．1 焊接有限元分析的特点

2．2 焊接有限元模型的简化

2．3 ANSYS软件在焊接模拟中的应用

2．3．1 ANSYS有限元分析的基本过程

2．3．2 ANSYS软件在焊接模拟中的应用

2．4 焊接温度场分析理论

2．4．1 焊接传热的基本定律

2．4．2 焊接温度场的基本方程

2．4．3 焊接非线性瞬态热传导的有限元分析

2．5 焊接应力场分析理论

2．5．1 塑性理论

2．5．2 焊接热塑性理论

2．6 本章小结

第3章 温度场和应力场的数值模拟

3．1 焊接温度场和应力场的数值计算方法

3．2 焊接温度场的模拟计算

3．2．1 模型的建立

3．2．2 施加热源荷载

3．2．3 温度场的求解过程

3．3 焊接应力场的模拟计算

3．3．1 前处理

3．3．2 边界条件

3．3．3 温度荷载的施加及求解

3．4 本章小结

第4章 温度场的计算结果及分析

4．1 焊接熔池

4．2 第一道焊缝温度场分析

4．2．1 焊接过程温度场分析

4．2．2 冷却过程温度场分析

4．3 第二道焊缝温度场分析

4．4 温度时间历程变化

4．4．1 热源移动不同位置焊缝中心节点温度历程曲线

4．4．2 顶板靠近U肋一侧表面温度时间历程曲线

4．5 本章小结

第5章 应力场的计算结果及分析

5．1 U肋和顶板的焊接应力场

5．2 U肋顶板的焊接残余应力场

5．3 U肋与顶板焊接残余应力

5．3．1 顶板不同路径上的焊接残余应力

5．3．2 U肋不同路径上的焊接残余应力

5．4 本章小结

第6章 U肋与顶板焊缝残余应力模型参数分析

6．1 材料参数对焊接残余应力影响

6．2 焊接工艺参数对残余应力的影响

6．2．1 焊缝的焊道数量对残余应力的影响

6．2．2 焊道层间温度变化对残余应力的影响

6．2．3 焊接速度变化对残余应力的影响

6．2．4 热功率变化对残余应力的影响

6．3 几何模型参数对焊接残余应力的影响

6．3．1 顶板厚度变化对残余应力的影响

6．3．2 焊件长度变化对残余应力的影响

6．3．3 顶板宽度变化残余应力的影响

6．3．4 U肋高度变化对残余应力的影响

6．4 本章小结

结论与展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间参加的科研项目