厚钢板对接焊接三维有限元数值模拟与分析

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1、第３１卷第１期建筑科学与工程学报Ｖｏｌ．３１Ｎｏ．１２０１４年３月ＪｏｕｒｎａｌｏｆＡｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅａｎｄＣｉｖｉｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＭａｒ．２０１４文章编号：１６７３２０４９（２０１４）０１００９００８厚钢板对接焊接三维有限元数值模拟与分析郭彦林，陈航，袁星（清华大学土木工程系，北京１０００８４）摘要：采用有限元数值模拟方法，建立考虑热固耦合效应的钢板对接焊接的三维有限元模型，运用生死单元技术模拟焊接全过程，从焊接残余变形和残余应力的角度，验证了分析模型的有效性，并分析了板件边界约束、焊接层数与道数、板件厚度、焊接顺序以及施工工艺

2、对计算结果的影响。探讨了简化计算的可能性与正确性，并考虑了保温和设置支撑等施工工艺对焊接施工的影响。研究成果可为设计与施工提供一定的参考。关键词：厚钢板；对接焊接；热结构耦合；残余应力；残余变形；有限元；数值模拟中图分类号：ＴＵ７５８文献标志码：Ａ３犇犉犻狀犻狋犲犈犾犲犿犲狀狋犖狌犿犲狉犻犮犪犾犛犻犿狌犾犪狋犻狅狀犪狀犱犃狀犪犾狔狊犻狊狅狀犅狌狋狋犠犲犾犱犻狀犵狅犳犜犺犻犮犽犛狋犲犲犾犘犾犪狋犲ＧＵＯＹａｎｌｉｎ，ＣＨＥＮＨａｎｇ，ＹＵＡＮＸｉｎｇ（ＤｅｐａｒｔｍｅｎｔｏｆＣｉｖｉｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＴｓｉｎｇｈｕａＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｂ

3、ｅｉｊｉｎｇ１０００８４，Ｃｈｉｎａ）犃犫狊狋狉犪犮狋：Ｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｗａｓａｄｏｐｔｅｄｔｏｅｒｅｃｔ３Ｄｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｍｏｄｅｌ，ｃｏｎｓｉｄｅｒｉｎｇｈｅａｔｓｏｌｉｄｃｏｕｐｌｉｎｇｅｆｆｅｃｔ．Ｍｅａｎｗｈｉｌｅ，ｌｉｖｅｄｅａｄｅｌｅｍｅｎｔｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｗａｓａｐｐｌｉｅｄｔｏｓｉｍｕｌａｔｅｔｈｅｗｈｏｌｅｗｅｌｄｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓ．Ｔｈｅｅｆｆｅｃｔｉｖｅｎｅｓｓｏｆｔｈｅｍｏｄｅｌｗａｓｖｅｒｉｆｉｅｄｉｎｔｈｅａｓｐｅｃｔｓｏｆｒｅｓｉｄｕａｌｄｅｆｏｒｍ

4、ａｔｉｏｎａｎｄｒｅｓｉｄｕａｌｓｔｒｅｓｓ．Ｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｓｏｆｐｌａｔｅｂｏｕｎｄａｒｙｃｏｎｓｔｒａｉｎｔ，ｗｅｌｄｉｎｇｌａｙｅｒａｎｄｐａｓｓ，ｐｌａｔｅｔｈｉｃｋｎｅｓｓ，ｗｅｌｄｉｎｇｓｅｑｕｅｎｃｅａｎｄｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｐｒｏｃｅｓｓｏｎｔｈｅｂｅｈａｖｉｏｒｏｆｓｔｅｅｌｐｌａｔｅｓｏｎｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓｗｅｒｅａｎａｌｙｚｅｄ．Ｔｈｅｐｏｓｓｉｂｉｌｉｔｙａｎｄｃｏｒｒｅｃｔｎｅｓｓｏｆｓｉｍｐｌｉｆｉｅｄｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｗｅｒｅｄｉｓｃｕｓｓｅｄ．Ｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｓｏｆｃｏｎｓｔｒ

5、ｕｃｔｉｏｎｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓｓｕｃｈａｓｈｅａｔｐｒｅｓｅｒｖａｔｉｏｎａｎｄｓｕｐｐｏｒｔｓｅｔｔｉｎｇｏｎｗｅｌｄｉｎｇｗｅｒｅｃｏｎｓｉｄｅｒｅｄ．Ｔｈｅｃｏｎｃｌｕｓｉｏｎｓｃａｎｐｒｏｖｉｄｅｓｏｍｅｒｅｆｅｒｅｎｃｅｓｔｏｗｅｌｄｉｎｇｄｅｓｉｇｎａｎｄｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ．犓犲狔狑狅狉犱狊：ｔｈｉｃｋｓｔｅｅｌｐｌａｔｅ；ｂｕｔｔｗｅｌｄｉｎｇ；ｔｈｅｒｍａｌｓｔｒｕｃｔｕｒａｌｃｏｕｐｌｉｎｇ；ｒｅｓｉｄｕａｌｓｔｒｅｓｓ；ｒｅｓｉｄｕａｌｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ；ｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔ；ｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏ

6、ｎ焊接过程的物理现象非常复杂，是一个涉及高０引言［１］温电弧物理、传热、冶金和力学的复杂过程。焊接目前，随着高层结构的发展，钢板剪力墙、巨形产生的残余应力与残余变形之间存在相互的协调，钢结构柱和复杂钢结构节点的使用越来越多。在钢如残余变形得到了释放，则残余应力变小；反之，残结构施工过程中，焊接产生的残余应力和残余变形余变形被约束，残余应力就变大。目前获取焊接残如果得不到有效的控制，会对结构的受力和外观产余应力和残余变形的方法主要有试验测量法和数值生很大的影响。模拟法。对于残余变形的测量比较方便，而测量残收稿日期：２０１３１１１６基金项目：清华大学自

7、主科研计划杰出贡献专项项目（２０１２Ｚ１０１３４）作者简介：郭彦林（１９５８），男，陕西富平人，教授，博士研究生导师，工学博士，Ｅｍａｉｌ：ｇｙｌ＠ｍａｉｌ．ｔｓｉｎｇｈｕａ．ｅｄｕ．ｃｎ。２建筑科学与工程学报２０１４年余应力主要有应力松弛法（包括钻孔法、切条法等）、Ｔ（犜－犜）δ（３）ε犻犼＝α犻犼ｒ犻犼Ｘ射线法和裂纹法等。然而这些方法仅停留在实验烄１犻＝犼δ犻犼＝烅（４）室阶段，用于小尺寸构件的科学研究，无法适用于大烆０犻≠犼［２］型复杂构件焊接残余应力的测量，因此对于钢结式中：α为材料热膨胀系数；犜为温度；犜为参考温犻犼ｒ构焊接残余应力和残余

8、变形的研究多采用有限元数度；δ为δ算子。犻犼值模拟方法。在通用有限元软件ＡＮＳＹＳ中，有２种考