基于数值模拟的钢结构平板对接焊残余应力参数研究

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1、基于数值模拟的钢结构平板对接焊残余应力参数研究摘要：针对平板对接焊焊接时的热应力特征，采用高斯移动热源模式和通用有限元软件ANSYS进行了焊接温度场和应力场的耦合模拟分析。分析中考虑了钢材热物理参数和力学参数随温度变化的非线性性能，得到了焊后残余应力的大小与分布规律。建立了多组有限元数值模型，对比分析了焊接有效热功率、材料屈服强度、板厚和焊接速度对焊接残余应力的影响。得到了焊接残余应力大小及分布规律与各焊接参数之间的关系。关键词：平板对接焊;残余应力;数值模拟;参数研究中图分类号：TG404文献标志码：APa

2、rameterstudyofresidualstressinflatplateofbutt-weldingforsteelstructurebasedonnumericalsimulationHuangYong-hui（1.ResearchCenterforStructuralSafetyandHeathMonitoringofGuangdongEducationDepartment，GuangzhouUniversity，Guangzhou2.GuangzhouMunicipalKeyLaboratoryf

3、orStructuralSafetyandHealthMonitoring，Guangzhou510640，China）Abstract：Accordingtothethermalstresscharacteristicsofbuttweldingwithflatplate，usingtheGaussianheatsourcemodel，thecoupling-calculationoftemperaturefieldandweldingresidualstressfilediscarriedoutwithg

4、eneralfiniteelement8softwareANSYS.Thethermo-physicalperformanceparametersandmechanicsperformanceparametersasthefunctionsoftemperaturearetakenintoconsideration.Multiplesetsoffiniteelementnumericalmodelisestablished，andtheinfluenceofweldingparameterssuchaseff

5、ectivethermalpower，materialyieldstrength，thicknessofplateandweldingspeedingtotheweldingresidualstressisanalyzed.Therelationshipbetweenthedistributionruleoftheresidualstressandtheweldingparametersisobtained.Keywords：flatplateofbutt-welding;residualstress;num

6、ericalsimulation;parameterstudy焊接已成为钢结构中最重要和最普遍的连接方式，但由于焊接过程中不均匀温度场使材料局部屈服，产生塑性变形，当温度恢复到初始均匀状态时，就会产生残余应力。国内外研究表明焊接残余应力对于结构的静强度、疲劳强度、应力腐蚀等都有至关重要的影响[1，2]。焊接残余应力大小和规律的评估具有重要的工程意义。目前残余应力的测试手段很多[2]，并能达到一定的精度，但费时较长、经济耗费较大。而随着有限元方法的不断完善和计算机运算能力的不断提高，数值模拟逐渐显示其优势，并能

7、较准确的模拟焊接残余应力的形成过程[3]。本文针对最常用的平板对接焊，采用ANSYS软件建立了多种不同焊接参数的三维有限元数值模型，采用间接耦合的方法对焊接温度场和应力场进行了数值模拟，对不同参数对残余应力大小和分布规律的影响进行了详细研究。81.模型的建立1.1建模采用大型通用有限元软件ANSYS建立焊接结构的三维有限元模型进行弹塑性分析。共设计了四组模型，分别用来确定焊接有效热功率，材料屈服强度，板厚、焊接速度对焊接残余应力的影响。各组模型参数如表1-表4所示。表1不同焊接热功率有限元模型为减小计算量，考

8、虑到对称性，建立半结构模型，如图1所示。在焊缝附近，网格划分较小，在远离焊缝区域，单元可适当划大。半结构模型对称面采用对称约束，为避免刚体位移同时也不对结构产生较大的约束，在远离焊缝的两个角点处施加固定约束。图1有限元模型图1.2材料特性对于本文所研究的低碳钢，其热物理参数按参考文献[4]取值，如表5所示，考虑了钢材热物理参数和力学参数随温度变化的非线性性能，并将相变潜热换成等效比热容来考虑相变的影