天津生态图书馆实腹钢梁节点焊接残余应力监测与分析

摘要

目前较为传统的焊接残余应力的监测方法如盲孔法，可能会对结构构件造成一定的破损，如X射线法，可能实施成本较高，对于一些正在施工的实际工程并不适用。有限元数值模拟分析能弥补传统监测试验方法的不足，并可为实际监测提供一定的参考依据。在焊接模拟基础上，讨论厚板焊接残余应力对构件力学性能影响的研究目前较少，因此有必要将焊接模拟与实时监测相结合，以保证数值模拟的可靠性与监测的准确性。本文就是在对厚钢板焊接监测的基础上，利用ansys软件进行校核，研究了厚板焊接残余应力的分布规律。 国内外工程对焊接残余应力的研究大多是围绕薄板或中等厚度的板展开的，这也导致了国内外学者们对厚板焊接的残余应力分布不明确，没有统一的结论。本文使用 ANSYS 数值模拟软件建立了钢桁架与钢梁拼接处H型钢的厚板焊接模型，利用插值法和外推法来确定高温物理参数，弥补前人热物理参数研究的不足，模拟了不同厚度的厚板在多层多道焊的焊接及其冷却过程中温度及残余应力的变化，开创性的研究了三维厚板在工程实践中的焊接分布规律；结果表明焊接热源前方的等温线较为密集、温度梯度较大；对比不同板厚的三向应力曲线，发现它们都在焊接区域中心处呈现出一个向腹板下方弯起的“弯沟”，板越厚“弯沟”幅度越大，并且在焊缝中心处横压纵拉，垂直焊缝方向稍稍远离焊缝，纵压横拉，横向残余应力大于纵向残余应力，横向残余应力在熄焊处达到最大。 对比现场监测数据与ansys数值模拟数据，结果表明焊接热源前方温度变化大，靠近焊缝处，上翼缘板上下表面的纵向残余应力的都是压应力，且自底面到顶面不断增长，对比不同板厚的残余应力，基本上厚度越厚，纵、横向残余应力越大，且厚度增加的越大，纵、横向残余应力增加的越缓慢。在翼缘板边缘区域横向残余应力为拉应力，大于纵向残余应力，固定端处的混凝土未发现开裂，其拉应变小于极限拉应变值，故固定端处混凝土受力合理，均未开裂。这与数值模拟结果吻合良好，验证了数值模拟的准确性和现场监测的可靠性。 本文通过ansys有限元数值模拟得到厚板多层多道焊的温度、应力数据，与此同时，对厚板焊接过程进行实时监测，将两者数据进行分析对比，可在事前对焊接残余应力进行调整和控制，并提出一系列减小焊接残余应力的措施。

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1.1 课题研究背景及意义

1.1.1 课题研究背景

1.1.2 课题研究意义

1.2 国内外研究现状概述

1.2.1 焊接温度场研究现状

1.2.2 焊接应力场研究现状

1.3 本文研究内容

2.2 焊接的有限元理论基础

2.3 焊接温度场计算结果及分析

第3章 监测概况及监测温度场分析

3.2.4 应变监测

第4章 应力场监测结果

4.1 应力监测结果分析

4.2 应力监测结果对比

4.3 固定端处混凝土的状态

4.4 数值模拟与监测数据对比

4.5 本章小结

第5章 控制焊接残余应力方法研究

5.1 减少焊接残余应力的焊前措施

5.2 减少残余应力的焊后措施

5.3 本章小结

第6章 结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致 谢