建筑钢结构中典型焊接接头残余应力的数值模拟

发布时间：2017-03-31 11:09

  本文关键词：建筑钢结构中典型焊接接头残余应力的数值模拟，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：人口与土地资源的相互制约,城市化进程的推进,驱使着城市建筑向空间发展;与此同时,不可再生的自然资源的不断消耗,“绿色建筑”及可再生建筑材料已成为一种必然的发展趋势。这些因素都对建筑结构及材料提出更高的要求。钢结构由于具有比重轻、强度高、力学性能优越、抗震性能好、生产效率高、施工快、可再次利用及符合可持续发展政策等一系列的优点,所以钢结构被广泛运用于建筑中,且在整个建筑当中所占的比例也越来越高。近年来随着大跨度和高层、超高层钢结构的快速发展,其对钢材在承载能力、经济性及使用性能等综合性能上的要求也越来越高。与此同时,高强度钢材凭借其在构件受力、建筑表现、结构安全性和耐久性以及环境可持续发展等方面的显著优势,得到工业界的广泛重视和应用。焊接作为一种常用的制造及加工方法,因为其连接性能好、焊接结构刚度大、整体性好、焊接工艺适应性广等一系列优点而被广泛的应用于钢结构生产中。然而构件在焊接过程中,由于经受局部的加热和冷却,因此在焊件中会形成了极不均匀的温度场,导致构件产生焊接残余应力和变形。焊接残余应力不仅是引起焊接裂纹的主要原因,也是降低接头疲劳强度,诱发应力腐蚀裂纹和增大结构脆性断裂危险性的重要因素。同时,焊接变形不仅会影响产品的外观,降低产品的质量,而且还会带来装配上的问题,矫正焊接变形会延长生产周期和增加制造成本。因此,在实际焊接生产中如何有效地预测和控制焊接残余应力与变形是一个非常重要的研究课题。而使用试验方法测量残余应力费用高,效率低,大部分方法也只能测量表层的应力。随着数值模拟技术的进步,数值方法被越来越多的应用在残余应力和焊接变形的预测。本文基于通用有限元软件ABAQUS,开发了用以模拟多层多道焊接过程的热-弹-塑性有限元计算方法。利用所开发的计算方法,计算了Q345平板对接接头的温度场、应力场和焊接变形,并比较了移动热源与瞬间热源在计算时的优缺点,同时通过试验方法验证了数值模拟结果的准确性。采用数值计算和试验手段结合的方法研究了焊接顺序对工字钢对接接头残余应力分布的影响。采用数值模拟的方法模拟了T型接头、箱型柱和直焊缝圆管三种建筑结构中常用的接头,初步了解了其残余应力分布特点。使用有限元计算方法,计算了Q345、Q460、Q690、Q960四种不同屈服强度钢材平板对接接头的焊接应力场,初步探究了材料屈服强度对焊接残余应力分布的影响。研究结果表明:瞬间热源和移动热源的应力计算结果十分接近,都与试验结果符合良好,移动热源计算的焊接变形更接近试验测量数据,但瞬间热源能够节省较多的计算时间;焊接顺序对工字钢对接接头腹板上的应力分布影响显著,甚至能改变其应力符号,对翼板则只改变应力大小而不影响应力分布趋势;T型接头焊缝区域存在较大的纵向残余拉应力;箱型柱四个角点为残余应力拉应力,截面板件中部喂残余压应力;直焊缝圆管整体应力水平低,焊缝处存在较大的轴向残余拉应力;不同屈服强度钢材对接接头的应力分布特征相似,随着屈服强度提高,残余应力值也变大。本研究开发的数值方法为钢结构焊接温度场、残余应力和焊接变形的理论预测提供一定的理论基础,对实际生产制造过程具有一定的指导价值。
【关键词】：数值模拟 钢结构 接头形式 屈服强度 残余应力
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TG404
【目录】：

• 中文摘要3-5
• 英文摘要5-10
• 1 绪论10-20
• 1.1 选题背景及意义10-11
• 1.2 焊接数值模拟研究现状11-13
• 1.2.1 焊接温度场的研究11-12
• 1.2.2 焊后残余应力和焊接变形的研究12-13
• 1.3 建筑结构钢结构数值模拟的难点及关键技术13-15
• 1.4 焊接残余应力与变形的预测方法15-16
• 1.5 焊接残余应力与变形的影响因素及其控制措施16-18
• 1.6 本文研究的内容18-19
• 1.7 本章小结19-20
• 2 有限元计算方法及焊接热源模型20-36
• 2.1 研究内容20
• 2.2 试验方法20-22
• 2.3 温度场计算模型22-26
• 2.3.1 有限元分析流程22
• 2.3.2 几何模型和网格划分22-23
• 2.3.3 材料的热物理性能参数23-24
• 2.3.4 热源模型24-26
• 2.3.5 焊接热过程计算26
• 2.4 温度场结果分析与讨论26-29
• 2.4.1 温度场云图26-28
• 2.4.2 焊接热循环曲线28-29
• 2.5 应力应变计算模型29-31
• 2.5.1 有限元模型29
• 2.5.2 材料的力学性能参数29-30
• 2.5.3 力学边界条件30
• 2.5.4 应力计算30-31
• 2.6 模拟结果与试验结果对比31-33
• 2.6.1 计算时间31
• 2.6.2 纵向残余应力31-32
• 2.6.3 角变形32-33
• 2.7 本章小结33-36
• 3 焊接顺序对工字钢对接接头残余应力的影响36-50
• 3.1 引言36
• 3.2 试验方案36-37
• 3.3 有限元计算方法37-40
• 3.4 结果比较与讨论40-48
• 3.4.1 温度场40-41
• 3.4.2 焊接残余应力41-48
• 3.5 本章小结48-50
• 4 不同接头类型焊接残余应力数值模拟50-66
• 4.1 引言50
• 4.2 计算案例50-51
• 4.3 T型接头51-56
• 4.3.1 几何模型51-52
• 4.3.2 计算结果及分析52-56
• 4.4 箱型柱56-60
• 4.4.1 几何模型56-57
• 4.4.2 计算结果及讨论57-60
• 4.5 直焊缝圆管60-64
• 4.5.1 几何模型60-61
• 4.5.2 数值计算结果与讨论61-64
• 4.6 本章小结64-66
• 5 不同屈服强度的平板对接接头数值模拟66-74
• 5.1 引言66-67
• 5.2 计算案例67
• 5.3 有限元计算方法67-68
• 5.4 模拟结果与讨论68-73
• 5.4.1 Mises应力云图68-69
• 5.4.2 纵向残余应力和横向残余应力云图69-73
• 5.5 本章小结73-74
• 6 结论74-76
• 致谢76-78
• 参考文献78-82
• 附录A. 攻读硕士学位期间发表的论文82

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