厚板焊接柱残余应力的有限元分析.docx
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厚板焊接柱残余应力的有限元分析
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结构分析
_
.
...
.
厚板焊接柱残余应力的有限元分析
顾
强
（西安建筑科技大学
摘
要
厚板焊接柱极限承载力研究的关键是焊接残余应力的确定
.
计算了厚板焊接箱形截面的残余应力分布结果表明由于三维残余应力的影响厚板焊接箱形截面中纵向残
.
余拉应力的峰值略高于钢材的屈服点残余压应力分布区的大小及压应力峰值不仅与焊接轴人热量有关而且
与截面积的大小有直接关系受厚板截面本身的几何形状所影响箱形截面有焊缝一侧壁板与另一侧壁板残余
应力分布及大小有明显的不同两个1/箱形截面的焊接残余应力实测基本上验证了理论分析4
.
关健词
厚板焊接柱
焊接残余应力
有限元法
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陈绍蕃
1705）
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本文应用热弹塑性应力分析理论
有限元法
:
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山记
1
引
言
极限承载力国内的高层钢结构大多采用厚板焊接组合截面柱这种厚板截面的焊接残
、
。
高层建筑及重型厂房中的钢柱经常用到
板厚
40仙n以上的轧制H型钢或焊接钢板
。
’
余应力分布复杂对柱子极限承载力必曲线
影响较大针对我国的实际情况急需对各种
.
组合截面国外主要采用轧制或焊接H型
钢已根据实测残余应力分布定出此类柱的
*
厚板焊接截面柱的残余应力进行研究得出柱子必曲线以便纳人设计规范
钢结构
1望年第1期拓
。
本研究课题系国家自然科学基金资助项目
l2
1第1卷总第3期
厚板焊接柱残余应力的有限元分析
从6年代开始国内外许多学者对钢0
板及钢构件中的残余应力作了大量研究各
随温度变化
。
在长柱内当焊接温度场在截面上变
’
种薄板焊接截面的残余应力分布目前已基本得到解决其研究成果已在不同的设计规范中得到反映随着厚板截面柱在钢结构工程中越来越多地应用敦促美国里海大学在60
。
化但不沿柱轴线变化时将发生平面应
）5变（
。
分析模型取为单位长度柱段考虑到实
。
际构件焊接温度应力并非是理想的平面应变
问题按平面应变问题分析会使构件内产生一
定的约束应力这部分误差应该消除消除
方法详见后文对于坡
.
年代中期至7年代初期对厚板及厚板截面0构件的残余应力进行了系统的研究
1〔,一〔.幻
并
口
多层焊后一层焊
,
据此结果定出了厚板柱的必曲线他们的
研究手段主要是基于对厚板及厚壁H形截
。
缝盖住了前一层的表面并使其受高温作用熔化部位消除了残余应力使应力重新分布计算时焊缝层间温度取为20℃
.22
.
引起一部分已焊好的金属将重新熔化新的
。
面进行残余应力测试对厚板焊接箱形截面
的测试及用理论分析的方法确定厚板焊接截
面的残余应力尚未见诸文献
。
。
热弹塑性应力基本理论
（1弹性本构关系）
厚板组合截面的焊接工艺复杂焊道层
数多残余应力沿板厚变化简化的理论分析方法对此无能为力大量的测试统计又耗
时耗资较多使这一研究没有得到应有的
、
参照文献[]6
。
:
{d}之和
全应变增量{d}可以表示s
。
。
成弹性应变增量{d}与温度应变增量
进展本文结合国家自然科学基金项目高层钢结构成套技术中的子课题厚板柱的
”“
。
“
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。
￡
。
。
:
（l）
。
（2）
残余应力和必曲线的研究对厚板焊接组合截面的残余应力进行了系列研究在完成非
线性焊接热传导有限元计算的前提下本文
.
”
其中[]De-
’
为弹性矩阵田玉的逆阵由于[玉D
与温度T有关（2式的微分为:
）
作为系列研究的一部分应用弹塑性热应力
理论有限元法跟踪厚板柱坡
。
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。
一
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·
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’
口
多层焊接过
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程中的瞬时温度应力最后得到残余应力分
胀系数
布这是对厚板构件焊接残余应力传统测试
方法的革新
2
.
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、
。
:
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。
+
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:
。
:
（4）（5）
将公式（3）（4）代入公式（l）得
理论分析
分析假定（l施焊前板件内初始应力为零;）（2钢材为理想弹塑性体塑性行为服从）
（d。
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。
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二
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“
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（3弹性应变塑性应变与温度应变不藕）
、
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、
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.
门
、、
（2塑性本构关系）（4钢材的弹性模量屈服点膨胀系数）设理想弹塑性材料的屈服函数为f（xa
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31
结构分析
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。
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（8）
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由（7）及（10式得出:
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。
公式（12为塑性区的增量应力一应变关系）
.
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时为弹性卸
。
平衡方程
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“‘‘
载应力应变关系仍为（5式）
由虚功原理得出单元增量平衡方程为l:
]v应变分量为
:
对平面应变问题应力
一
（14）
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.23
““
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一
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。
d。
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。
:
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。
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d:
、
T
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儿何方程弹塑性热应力计算采用三角形常应变单
d‘·,一
元位移模式为线性函数{奢=[川{占}}
“,
{d科
v
。
“
一
‘
节点外力增量节点位移增量
、
打
。
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·
一
。
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伸}
‘
=
[
u
,
v
‘,
u,
v,
u
]为单元节点位
·
T
式中[]{c在弹塑性区分别应为[】DD}
移向量【为形函数矩阵川应变为:
、\了’es|les
[Dl
甲,
{}
]k[
c
已,
{C}
‘,
乓气少场今rl!
|
、
丢
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（15）
一
l
式中
（13）
=
=艺[]k
‘
但占}一节点位移增量对焊
0
[B必]]
“
接情况艺ldF}=
.25
d毛F}二艺{dR}
“
计算程序
热弹塑性应力有限元计算的求解过程是
给定时间增量△:
由热传导计算得出焊接
钢结构
1卯6
年第
I期
1第1卷总第3期
厚板焊接柱残余应力的有限元分析
温度场的变化将温度增量代人平衡方程
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x
火
50）（120
x
60
x
750
x
x
750
x
50
’
6（）X
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600
（15）解出各节点位移增量由几何方程物
。
、
70
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x
04
x
1以刃
x
160）（
50
理方程求出各单元的应力增量这样就可以
了解整个焊接过程中动态应力应变的变化过程和最终的残余应力程序采用变刚度加
。
、
。
截面其中60
及国外资料
。
6（）X
。
07截面同后文残余
应力实测截面一致参考京城大厦工程实践经综合分析坡口深度取
。
权系数法编制
。
（1/一1/3板厚开）2
。
。
口角度为45一600
“
。
按理想平面应变模型分析会给焊件中
假定四条焊缝同时施焊利用对称性计
带来一部分约束应力当焊件冷却到最后阶
段接近常温时整个截面的温度将会持平
。
算1/截面焊接热传导的有限元分析及钢4
5材的热物性参数取值参见文献〔〕电弧有
.
各点的温度均为常数不同的构件持平温
5度在3℃一7℃间变化在随后的冷却0
。
效功率
V=O75
.
q=024叮I.
U
叮二住7
U二34v
焊速
nlc
/s
。
箱形内外表面为散热边界
过程中构件沿焊缝纵向有均匀收缩的趋
条件对称面为绝热边界条件反对称位移
为零
。
。
势平面应变模型限制了这种收缩在焊件
。
截面上产生一定的法向约束拉力使最终的残余应力分布不能满足自平衡条件实际上
有限长的构件在冷却过程中沿焊缝纵向是有
收缩的不会出现约束拉力基于以上的分
.
。
750
x
750
x
08
:
截面焊道数为
7
层7
道1一3道单丝埋弧焊电流I二75
4一7
A0
。
道
.
双丝埋弧焊前后丝电流均为
50
、
、
I=75A0
析本文以焊件冷却至温度持平阶段时截面
上满足自平衡条件的应力分布作为残余应力
50
x
x
06
。
、
120
x
12O0
x
40
:
截面焊
道为4层4道
I二750
1一2
道
单遨埋弧焊
、
模式
3
。
A3
x
一4
。
道双丝埋弧焊前后丝电流
x
:
08截面焊道为
.
计算结果及分析
厚板焊接箱形截面柱在高层钢结构中应
0均为I=75A
1600
。
160
7
层
、
7
用最为广泛本文利用编制的非线性热传导及弹塑性
升级会员 