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H 型钢焊接残余应力的三维有限元分析
王艳宁1 张 松2 尹 越2
( 1. 天津市市政工程设计研究总院,天津 300051; 2. 天津大学建筑工程学院,天津 300072)
摘 要: 采用通用有限元软件 ABAQUS 对普通 H 型钢的焊接残余应力场、变形场进行了数值模拟,并和现有公认结果进行了对 比。结果表明,数值模拟方法真实可靠,纵向残余应力影响较大,应引起足够的重视。
关键词: H 型钢,残余应力,残余变形,温度场,有限元
中图分类号: TU311. 41 文献标识码: A
1 概述
焊接是建筑钢结构中连接的主要方式。在焊接施工过程中, 由于材料相变、位移约束以及温度场的不均匀分布等原因,致使 焊接完成后的构件中存在残余应力与变形,是影响焊接结构裂纹 萌生和扩展、降低钢材的力学性能的重要因素[1]。由于 H 型钢具 有较高的刚度和承载能力,同时节省钢材,经济效益明显,在厂房 和桥梁等领域应用广泛[2]。分析其焊接生产过程中的温度场和 残余应力场,初步掌握温度的变化和应力的分布情况,对于焊接 工艺的改进以及残余应力的降低具有重要的理论与实践意义。 国内外对于焊接过程的有限元模拟已经有了一定的进展,例如, 使用简单的对接钢板构件模拟焊接过程[3],对钢桥整体节点的有 限元分析[4]等等。本文在大型通用有限元软件 ABAQUS 热—结 构耦合功能的基础上,应用了相应的焊接热源子程序 DFLUX,研 究了普通 H 型钢的焊接温度场、残余应力以及变形的分布。
2 有限元分析模型
2. 1 焊接工艺与热源
焊接采用手工电弧焊,工艺参数见表 1。
表 1 焊接参数
温度场分布的影响主要是变形热,可以忽略不计,为了节省计算 时间,采用间接耦合的方法进行分析,首先进行热分析,然后将得 到的温度场结果作为荷载施加于热力耦合分析的模型上[7]。
表 2 钢材性能随温度的变化
温度
℃
导热系数
W / ( m·K)
密度
kg / m3
膨胀系数
× 10 - 5 / ℃
弹性模量
N / m2
屈服应力
N / m2
比热容
J / ( kg·K)
泊松比
20
50
7 850
1. 10E - 5
2. 05 × 1011
2. 2 × 108
460
0. 28
100
49
7 850
1. 05E - 5
1. 97 × 1011
2. 1 × 108
465
0. 28
250
47
7 850
1. 22E - 5
1. 87 × 1011
1. 75 × 108
480
0. 29
500
40
7 850
1. 39E - 5
1. 5 × 1011
1. 4 × 108
575
0. 31
750
27
7 850
1. 48E - 5
7. 0 × 1010
4 × 107
625
0. 35
1 000
30
7 850
1. 35E - 5
2. 0 × 1010
2 × 107
675
0. 4
1 500
35
7 850
1. 33E - 5
1. 0 × 108
1 × 106
650
0. 45
2 000
145
7 850
1. 31E - 5
1. 0 × 106
1 × 106
820
0. 49
在焊接过程中,焊接构件与周围环境之间存在热量交换。温 度较低时以对流为主,温度较高时以辐射为主。此分析中对流换 热系数为 10 W / ( m2 ·K) ,环境温度为 20 ℃ ,黑度为 0. 85。
热分析采用 DC3D8 单元,热—力耦合分析采用 C3D8 单元。 采用过渡网格,如图 2a) 所示。
Line2 Line1 P1
电压 U / V
电流 I / A
焊接速度 v / mm·s - 1
25
100
2
有限元分析中应用较广的热源模式有高斯分布热源模型、双 椭球热源模型以及基于单元生死的热源模型。本文采用双椭球 热源计算模式,热源分布函数[5]为:
P2
a) b)
Line3
6 槡3 ( ff Q)
3x - 3y
3z
图 2 有限元模型
qf ( x,y,z) =
abcπ 槡π
exp? - a2
2
22b2 -
2
2
c2 ?。
3 结果分析
Q = ηUI。
其中,a,b,c 为椭球热源的形状参数; Q 为热输入功率; η 为焊 接效率,取 0. 8; U 为电压; I 为电流; v 为焊接速度; t 为焊接时间。
2. 2 有限元模型
H 型钢的几何尺寸见图 1,构件长度方向取 1 m。
10 500 10
2006
200
图 1 几何尺寸(单位:mm)
焊接材料采用 Q235C 钢材,其物理性能在不同温度下的数值 不同,具体参数见表 2[6]。
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