钢结构焊接应力、应变的三维有限元仿真
发布时间:2016/6/14 17:38:05 阅读:

1.技术应用思路

大型钢结构焊接这一非线性过程是工程中经常碰到,但又难以对其进行准确的三维数值模拟的一个问题。对焊件进行局部加热时,焊件上会产生不均匀的温度场,从而产生变形残余应力,而变形和残余应力是影响焊接结构强度、刚度及装配精度等的重要因素。因此,对大型钢结构焊接进行准确的三维数值模拟,为钢结构设计、施工现场选择合理的焊接工艺和焊接参数、控制焊接变形提供依据,具有重要的理论和实际工程意义。上海正大商业广场工程中厚板焊接较多,且多数焊接接头是箱形截面。由于焊接过程受到多种因素的影响,焊接变形控制是个相当复杂的问题。为保证钢结构安装的顺利进行,必须有效地控制焊接变形,保证焊接接头的工程质量。

2、技术实施过程

(1)计算模型

针对上海正大商业广场工程的特点,对典型的箱形截面焊接过程一商店天桥主梁焊接进行了三维有限元分析。

有限元分析所选择的商店天桥主梁截面为TS500x1800X30X80,长度33.5m,单件重量达49t,是工程中截面最大的钢梁。该梁必须分段制作,运至现场拼装焊接,拟定的拼焊方案为:构件平躺于拼装胎架上,节点处上表面设置1m*1.8m后盖板,平焊焊接下表面板,再焊上表面板,最后焊接两条立焊缝。该方案避免了焊接过程中构件翻身甲又避免了拼装胎架搭设过高及仰焊操作,为保证施工安全和工程质量创造了条件。

1)构件的几何参数

该箱形梁上、下边均匀厚80mm的钢板,两侧钢板厚30mm,梁高1800mm,梁宽500mm。针对上海正大商业广场工程的特点,对典型的箱形截面焊接过程进行了三维有限元分析。计算选取的箱形截面高1.8m,宽600mm,上下板厚度为80mm,两侧板厚30mm。

2)力学模型和材料性能

力学摸型为非线性的热弹塑性模型,采用了米塞斯屈服条件和带有应变硬化的双线性本构关系模型,模型参数是根据16Mn钢确定的。其热物理性能指标随温度变化。计算中,采用八节点块体单元,单元数共9009个。焊接区网格的划分密于非焊接区。

(2)计算结论

通过对厚板箱形梁采用瞬时固定热源和移动线热源两种方式的三维数值模拟及对比,得出结论如下:

1)采用固定热源焊接时(即一次焊接时),上下板中间部分的残余应力值比边缘部分残余应力值大一倍;且箱型截面的四个角部的残余应力值比上下板中间部分残余应力值还大一倍以上,这是非常不利的。

2)采用移动热源多道焊焊接时(即分层焊接时),在焊接过程中可避免产生三轴拉伸残余应力,上下板和两侧板都不会产生过大的应力和变形,仅角部有较大的残余应力和变形。

3)采用固定热源成移动热源焊接时,产生的残余变形的形态不同。采用固定热源焊接时,整个箱形梁断面向其形心点一致收缩;采用移动热源焊接,箱形梁的收缩变形在其断面的四个角点处有明显的翘曲。

为了对比焊接效果,分别对钢板的多层焊接和一次性焊接两种焊接方式进行了有限元仿真。使用ANSYS程序实现了焊接过程的三维有限元仿真,分析了不同时刻时箱形焊接截面附近的温度场,应力场和应变场。

实施效果

通过多层和一次性焊接方式的对比计算,表明多层焊接方式能有效降低厚板截面上的应变和应变梯度,避免造成钢板过大的残余变形和发生翘曲。根据多层焊接仿真计算结果,综合分析和考虑到许多现场焊接条件的变化,建议80mm厚钢板至少分成10层焊接为宜,30mm厚钢板至少分成2~3层焊接为宜。

通过对典型箱形截面焊接应力和应变的仿真计算,获得了截面一次焊接和多层焊接的温度场、应力场和应变场的连续变化规律,为施工现场控制焊接变形提供了理论依据和参数,也为其他工程提供可借鉴的分析手段。

一次性焊接计算结果表明,在30mm厚钢板的温度、应力和变形沿横截面分布还比较均匀,而在80mm厚钢板截面上温度、应力、应变的变化是剧烈的,外层应变高,内层应变低,两者相差约3倍。而多层焊接计算结果表明,厚板截面上温度、应力、应变的变化梯度显著减小。通过多层和一次性焊接方式的对比计算,表明多层焊接方式能有效降低厚板截面上的应变和应变梯度,避免造成钢板过大的残余变形和发生翘曲。根据多层焊接仿真计算结果,综合分析和考虑到许多现场焊接条件的变化,建议80mm厚钢板至少分成10层焊接为宜,30mm厚钢板至少分成2~3层焊接为宜。

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