工字梁焊接的有限元分析.doc

前言 焊接是被焊工件的材质（同种或异种），通过加热或加压或两者并用，并且用或不用填充材料使工件的材质达到原子间的和而形成永久性连接的工艺过程。它广泛应用于造船、压力容器制造石油化工等钢结构制造领域[1]。, 其受力特性研究具有十分重要意义。在焊接结构主要特点之一是构件在焊接过程中和焊后容易产生应力和变形。焊接残余应力和焊接残余变形不但可能降低结构的抗脆断能力、疲劳强度、抗应力腐蚀性，而且在一定条件下影响结构的承载能力和安全性。因此在设计和生产时必须充分考虑焊接应力和焊接变形问题。焊接温度场通常是一个动态温度场。弧焊热过程决定了焊缝的宏观质量与微观质量，在焊接质量控制的研究中，表征弧焊热过程温度场的实时检测具有重要的意义。如果能够对焊接的过程做一个动态的模拟分析，将对实际的焊接具有重要的参考意义。而近年来，焊接数值模拟技术的应用加快了研究的进程，利用有限元模拟的方法可以快速准确的预测焊接残余应力和构件的变形[]。 有限元方法也叫有限单元法或有限元素法，英文是：Finite?Element?Method”。这种方法最初起源于结构分析，由结构力学的位移法发展而来核心思想就是分片逼近[]。有限元方法诞生于20世纪中叶，随着计算机技术和计算方法的不断发展，已成为计算力学和计算工程学领域里最有效的计算方法，经过40年的发展不仅使有限元方法的理论日趋完善，而且已经开发了一批通用和专用的有限元软件，使用这些软件已经成功地解决了众多领域的大型科学和工程计算难题，并且取得了巨大的经济效益社会效益[]。随着力学理论、计算数学和计算机技术等相关学科的发展，有限元理论也得到不断完善，成为工程分析中应用十分广泛的数值分析工具，特别是在现代机械工程、车辆工程、航空航天工程、土建工程中发挥着越来越大的作用，是现代CAE技术的核心内容之一[]。MARC软件具有较为先进的接触分析功能。一方面，MARC仍保留了传统的间隙摩擦单元来模拟结构两点之间的接触其接触约束是通过拉氏乘子或罚函数方法施加的。另一方面MARC软件提供了基于直接约束法的接触迭代算法可自动分析变形体之间、变形体与刚体以及变形体自身的接触。当发生接触时使用边界条件直接约束运动体两者的运动约束转化成了节点自由度的约束和节点力的约束。在MARC程序中不用提前指定参考单元可以模拟复杂的接触特别是对大面积接触以及事先无法预知接触发生区域的接触问题程序能根据物体的运动约束和相互作用自动探测接触区域施加接触约束[]。 随着计算机及有限元软件技术的发展，焊接有限元模拟技术将不断完善，其模拟结构也向着三维化、整体化、精密化方向发展，焊接有限元模拟技术，相当于一个虚拟焊接过程，可以优化结构设计和工艺设计，便于采取必要和合理的工艺措施来控制、调整和减小焊接残余应力以及变形，从而提高焊接接头的质量，也可省去费时耗资的焊后热处理以及变形矫正等工序，因此可降低生产成本，提高生产效率。一旦能够实现对各种焊接现象的计算机模拟，我们就可以通过计算机系统来确定焊接各种结构和材料的最佳设计、最佳工艺方法和焊接参数[]。近几年来随着经济的不断发展对桥梁等交通设施的需求以及钢材、焊接、计算机、施工和制造等技术水平的不断改进大跨径钢桥在我国得到了高速的发展根据国内外文献资料在对接接头的应力集中系数的有限元分析方面研究最多[]?。T型接头和十字型接头应力集中系数的有限元分析方面也有研究[]。?在工字形钢板梁应用十分广泛焊接残余应力的存在，会直接影响到钢结构的承载能力，为了保证焊接的安全可靠，准确的推断焊接过程中的力学行为和残余应力是十分重要的课题目前对残余应力的研究理论分析方法尚不成熟对于焊接残余应力，以往多是采用切割、钻孔等试验测量方法，不但费时费力，还要受到许多条件的限制，结果数据误差也会很大随着有限元计算技术的日趋完善应用数值模拟方法计算焊接残余应力克服了试验测量方法等缺点在结构的设计阶段则可以通过有限元方法来模拟结构的细部受力状态研究结构几何参数对应力集中的影响本课题设计在总结前人的工作基础上结合数值计算的方法采用MSC.Marc软件对焊接进行了有限元模拟的研究。对焊接过程中的温度场变化问题、焊接应力以及残余应力问题、焊接变行问题进行模拟，并对这个模拟的结果进行分析。 1 工字梁焊接有限元模拟的知识 1.1 铝及铝合金的性2倍，焊接时易产生焊接应力与变形；另外，铝的导电性好，与氧具有很强的亲合力，在空气中极易氧化。根据化学成分与加工方法的不同，纯铝可分为高纯铝、工业高纯铝和工业纯铝；铝合金可分为变形铝合金和铸造铝合金，而形变铝合金又可分为热处理可强化与热处理不可强化两类，前者如锻铝、硬铝和超硬铝，后者如铝锰合金、铝镁合金（通称防锈铝）[18]。 1.2 铝及铝合金焊接时存在的主要问题 和钢相比，铝的导热率高，焊接时就需要高的热量