工字钢-端板组焊结构焊接残余应力有限元分析

摘要

近年来，随着数值方法和计算机技术的发展，采用有限元模拟研究焊接残余应力的方法得以发展，目前对于大型复杂结构焊接残余应力的研究比较热门。工字钢-端板组焊结构是建筑工程中最常见的节点构造形式之一，在对这种结构进行焊接过程三维有限元分析时，不但实体模型构建和有限元网格划分非常困难，而且计算时间冗长，使这类结构的有限元模拟研究受到了很大程度的限制，到目前为止，有关该类结构焊接残余应力三维有限元分析的研究尚未见报道。
　　 本课题以中厚板工字钢-端板组焊结构为研究对象，采用ANSYS软件的参数化设计语言编制有限元计算程序，选择基于生死单元技术的移动体热源模型，对模拟计算过程中所用的参考温度、焊接电流、电弧电压、焊接速度、焊缝熔融断面尺寸等部分参数进行试验测定，建立了可行的焊接温度场和应力场的数值模拟方法，对组焊结构整体模型的焊接温度场和焊接残余应力场进行了三维有限元模拟，对模拟计算结果进行了分析。本研究利用红外测量仪对观察点的焊接热循环实测，对焊缝断面熔合线观察实测，并采用盲孔法对焊接残余应力进行测量，以验证模拟结果的可靠性。温度场模拟结果与实测结果吻合良好，焊接残余应力模拟结果与测量结果趋势基本一致，表明本文三维数值模拟分析方法可行，数据可靠，为大型复杂结构整体构件焊接温度场及应力场数值模拟研究与实际应用提供了技术支持和理论依据。焊接温度场和焊接残余应力的模拟分析结论，可以为制定焊接工艺、调控焊接残余应力、优化焊接顺序等提供参考。
　　 针对大型复杂焊接结构整体模拟困难的问题，本课题提出了三种解决大型复杂钢结构焊接残余应力模拟问题的简化计算新方法，即整体结构分解算法、对称性结构简化计算方法、远距离焊缝整体结构简化计算方法，并对分解模型的尺寸及边界约束条件对焊接残余应力模拟结果的影响进行了研究，为大型复杂钢结构焊接残余应力定量计算和分析提供了新颖的方法，并可大幅度提高计算效率。
　　 本文还研究了焊接顺序对整体结构焊接残余应力的影响。在本文焊接工艺和约束条件下，焊接顺序可以改变组焊结构焊接残余应力的分布，但对残余应力峰值的影响较小，可为合理制定焊接工艺提供理论依据。
　　 本文的总体研究成果，可以为数值模拟技术在大型复杂结构焊接过程模拟研究、结构及工艺设计、工程施工中的应用提供基础性参考，具有重要的理论意义和工程实际应用价值。

目录

声明

CONTENT

摘要

第1章 绪论

1．1 选题的背景

1．2 焊接残余应力国内外的研究现状

1．2．1 焊接残余应力理论研究

1．2．2 焊接残余应力的定量分析

1．2．3 焊接过程数值模拟技术研究及其发展

1．2．4 焊接残余应力研究目前存在的问题

1．3 课题研究的目的和意义

1．4 课题研究的内容及技术思路

1．4．1 研究内容

1．4．2 研究方法及技术思路

第2章 焊接温度场的有限元模拟及试验测量

2．1 引言

2．2 焊接温度场的特点及研究现状

2．2．1 焊接温度场的特点

2．2．2 焊接温度场的国内外研究现状

2．2．3 温度场研究领域存在的问题

2．3 焊接温度场有限元分析方法简介

2．3．1 空间域的离散

2．3．2 时间域的离散

2．3．3 非线性热传导方程的求解

2．4 焊接温度场有限元分析

2．4．1 模型的建立

2．4．2 确定单元类型

2．4．3 有限元网格划分

2．4．4 参数设置

2．4．5 初始条件和边界条件

2．4．6 相变潜热

2．4．7 热源模型

2．4．8 组焊结构整体模型焊接温度场模拟结果

2．5 红外测温

2．5．1 红外测温仪

2．5．2 红外测温仪测量精度的影响因素

2．5．3 红外测温试验

2．6 焊接热循环曲线模拟结果与试验结果对比分析

2．7 本章小结

第3章 工字钢-端板组焊结构焊接残余应力的有限元模拟

3．1 引言

3．2 焊接残余应力理论与有限元分析

3．2．1 残余塑性变形理论与有限元分析方法

3．2．2 固有应变理论与有限元分析方法

3．2．3 热弹塑性理论与有限元分析方法

3．3 焊接残余应力的ANSYS有限元分析

3．3．1 焊接残余应力有限元分析的特点

3．3．2 单元选取和材料力学属性

3．3．3 位移边界条件

3．3．4 分析选项和求解

3．3．5 焊接残余应力场模拟结果

3．4 焊接残余应力测量

3．5 焊接残余应力模拟结果与试验测量结果对比分析

3．6 本章小结

第4章 工字钢-端板组焊结构残余应力整体模型分解算法

4．1 引言

4．2 工字钢-端板组焊结构整体模型的分解算法

4．3 分解模型尺寸对焊接残余应力模拟结果的影响

4．4 约束条件对分解模型计算结果的影响

4．5 本章小结

第5章 工字钢-端板组焊结构整体模型模拟的计算简化

5．1 引言

5．2 对称性结构简化计算

5．2．1 焊接顺序及分析路径的选择

5．2．2 模拟结果对比与分析

5．3 远距离焊缝整体结构计算简化

5．3．1 焊接顺序及分析路径的选择

5．3．2 模拟结果对比与分析

5．4 本章小结

第6章 整体结构不同焊接顺序对焊接残余应力的影响

6．1 引言

6．2 不同焊接顺序下焊接残余应力模拟结果的对比与分析

6．3 本章小结

第7章 结论

参考文献

致谢

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