厚板焊接柱残余应力的有限元分析.docx

1、厚板焊接柱残余应力的有限元分析 本文由terryy11贡献 pdf文档可能在WAP端浏览体验不佳。建议您优先选择TXT，或下载源文件到本机查看。 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

2、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 A F L 呵 飞 E L D 竹E N T n A N A L 丫S E

3、HI AVY P LAT E Gu u (为加 U r 、 e * 陈绍 蕃 1 7 0 5 ) . 本 文应用 热弹 塑 性 应 力 分 析理 论 , , 有 限元 法 : . O F R ES 刀 AL OU S T R 更 5 仆旧U C E D L呵 5 W E L D E D C O L U MN G 比n Sh a 切田 a o Qla n g a f n 招 y t f i o t A 代h 七 c i d n T 戈h l 】g l o oy 1 7 的 55 ) 月昭T R A CT 。b e o F s r r a 因娜 i g n s t n 改洛 , 此 。 血卿 10

4、 a d f o d以 此 . e b 习w P h t 叭忍 】 d d e st e . l e t s o c l切m 旧 i i , lm Po d a n t t o a n t i 此 一p 心 记 瑙目 x u n 曲 州b t 沁h i 阮 r G c n 艾洛 哭 以io n f o 此 l o u c 】 比盯 st . 弱 l s U吨 t e h 州 bu t io n y 山印 r n i f o t址 m r a l s a l 康 姚t c i s s 峨溺 叮司 声i 山治 p a e p c 习 a e h t 心 id u 曲 血 汾 坛 四 pl t a

5、e 认 旧记 曰 b o 飞 址 i h 一 义以 沁n y b i f n i忆 e l 。力。 l t u t 由吧 . n 活 司此 访山口妞 U坦 t s 地加 y t u x 一 沙自 e t , 让以 n 此 沙记 st n 泊g h t 拙记 “目 s t n 招 剐治 Q 比a P n i o b r e Cd d a u o n f w t i 北 团 曲示 b t i o 找x 七S 田记 勿 讹U 吨 p 此 n 污 记 “ 心 s 仃七 洛 l b e m 叫笋 e n l 刀 1 工幻n n 刀n e t m 滋 n 治 i血囚 此 t d o t f o 此 p 心

6、因 优 此 o c mP 山记 s t n 泛洛 n i x 此 切 一 ”面 。n s i l a 初 u 巴蓝笼 门 f o n t h “光 一 d 祀泊 s 沁n 吩 i* n, 记 . 回 s t代 留 e r a y b l e r a e t o t 此 f o a 坛汾 t 阴 以沁 n . e h t d i t r b u 沁n s i t t 1 5 1 f o P h te ”面 叨 g 幻 皿卿 A f 双e i d e h t g ” me r t y f o , h 俪t g 侧由n 0 P 毯匀 留 i d 理 代 泊t f D m 廿以t s e r i n

7、坦 山记 , o h n t a pl t a e R e id u l s a str e 朗 11长 旧s u 到 , 刀c n 巨忱d a d n 翻抚d 岛 川七 g 切岛 加d e b t y h e o 印 证滋旧 由n t t e h g 翩1 恤 n d in g 此 F 雌尹”习翔 t h 加心泊 e e h t 习 . r a 园如 司 能山闭 . K 王 Y 场叼叹 L 6 H e 四 pt . a a 山刃 忱 】 印 1切m 叮 侧 心汕列 s t n 泛芍 j n i 把 e h 理斌 n r 山记 1 引 言 极 限 承 载力 国 内 的 高 层 钢 结 构 大

8、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 , 4 0 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

9、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

10、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 6 0 , 。 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

11、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 . 2 2 . 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

12、 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

13、 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 ” “ 。 “ d d = + d 。 - a 由虎 克 定 律 = 团 e , 。 。 。 : (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

14、 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 , 。 , d 。 一 O D I 二 O T D 二 。 + 但。 ( 3 ) , , 口 多 层 焊接 过 温 度 应 变 增 量 d : 是 % T 的 微 分 % 为膨 s 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 . d 、 。 : = 叨 T 。 + d T % = , 种T : 。 : (4 ) (5) 将公 式 (

15、 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 。 = l 但。一 C d T D = D 式 中, C 扎 l ( + , 。 . 2 1 二 - 嘿 器 “ Pmn d 一Re d s u ” ss 增量理论和 Mi e “ ” 屈服准 卜 % + , T 则; ( 3 弹性 应 变 塑 性 应 变 与 温 度 应 变 不 藕 ) 、 ) 公 式 (5 为 弹性 区 域 内 考 虑 材 性 依 赖 于 温 ; 度 的 增 量 应力

16、应 变 关 系 、 2 、 . 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 ( x a , 外 S te 】o n t r s u c t io n . 1卯 6 (l) , o V川 , N o . 31 结 构 分析 。 : ) 其值 在 温 度 变 化 下 达 到 f 位 0 , , T ) 时 以分 解 成 : d d 二 a 由 Pr “ 材料开始 屈服 即屈 服条 件 为 f 公 式 ( 6 的 微 分形 式 为 ) : = 0 f ) 6 ( n 。 。 ,

17、 + 但 + 但 , 。 , 。 : (8) d U一 R u s e s ” 理 论 塑 性 应 变增 量 为 : 。 斋 , 卜 d 普 。 dT (7 , 由 (3 ) 、 。 、 、 d (4 ) 、 : 几 飞 万二 0 U 盯 (9) 上 标 T 表 示 矩 阵 的 转 置 全 应 变增 量 可 _ (8 ) , 、 ( 9 式得 出 : ) 、 1 、 _ r n , , 门 _ 、 , 月f 。 - u 仃 一 脚, Lt u 名 一 少 几 定 亩 j 一 定少 “ u 不 一丽 O I 奋 D 、 tj j Q ” ( 10 ) 由 ( 7 ) 及 ( 10 式 得 出 :

18、 ) 一 “ 【 器 , 、 卜 , 器 G 一 , , l ( , + , 。 ) 号牛 d: 一 器 d: o / ( 11) 、 蓄 , D l 器 , T 公 式 ( 10 可 以 写 成 : ) d 。 二 田 d 卜 C D , 二一 , D 。 d T ( 12 ) 器 斋 。 、 _ _ , G , 少 ,“ 。, e c 沪L 为 弹 塑 性 矩 阵 , * , 、 十 D 。 公 式 ( 12 为 塑 性 区 的 增 量 应 力 一 应 变 关 系 ) , . 嘿 , 。 D 。 一 l 省 兰 分叮 L 汀 、 一 孤 OT , 。 - 一 式 中 为 单 元几何 矩 阵

19、 1 B 2. 4 卜 a 兰 G 羚/ 当 又 。 时 为 弹 性 卸 。 平 衡方 程 d k r 但占 = F + 但R D , v 】 d 二一 “ 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 ) d . 2 3 “ “ = 一 d 久 。x , , d d 。, , d。 d 。: , : , d T “中 d d 。夕 , d: 、 T 、 仃 儿 何方 程 弹 塑 性 热应 力 计 算 采 用 三 角 形 常 应 变 单 ,

20、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 , 。 B , d 一 。 d 占 一 , 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 】 D D , 移 向 量 【 为 形 函数 矩 阵 川 应 变 为: 、 了 e s | l e s D l 甲, k , c 已 , C , 乓 气少 场 今 rl!| 、 丢 d 总平衡 方 程 为 占 = F k d ( 15 ) , 一 l 式中 ( 13 )

21、= = 艺 k 但占一 节 点 位移 增 量 对焊 0 , B 必 “ 接情 况 艺 l d F = . 2 5 d 毛F 二 艺 d R “ 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 , 50 x 火 50 ) ( 12 0 x 60 x , 7 50 x x 750 x 50 , 6( ) X x x 600 ( 1

22、5 ) 解 出各 节 点 位 移 增 量 由几 何 方 程 物 。 、 , 70 , 一0 2( ) x 0 4 x , 1以刃 x 16 0 ) ( 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 。 0 7 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 。

23、( 1/ 一 1/ 3 板厚 开 ) 2 , 。 。 口 角度 为 45 一6 0 0 , “ 。 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

24、变化 在 随 后 的 冷 却 0 。 , 效功 率 V= O 75 , . q = 0 2 4 叮I . , U 叮 二 住7 , U 二 34 v , 焊速 n l c /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

25、 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 , . 。 , 75 0 x 75 0 , x 0 8 : 截 面 焊道 数 为 , 7 层 7 道 1 一 3 道 单 丝埋 弧 焊 电 流 I 二 7 5 4 一7 A 0 。 道 . , 双 丝埋 弧 焊 前 后 丝 电流 均 为 50 、 , 、 I = 75 A 0 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 0 6 。 、 1 20 x 12 O 0 , x 40 : 截面 焊 , 道为4 层 4 道 I 二 75 0 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 : 0 8 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 = 75 A 16 0 0 。 16 0 , 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