焊接箱型柱纵向残余应力的几个影响因素

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1、第２３卷第２期甘肃科学学报Ｖｏｌ．２３Ｎｏ．２２０１１年６月ＪｏｕｒｎａｌｏｆＧａｎｓｕＳｃｉｅｎｃｅｓＪｕｎ．２０１１焊接箱型柱纵向残余应力的几个影响因素孙玉萍，王晓杰（兰州理工大学土木工程学院，甘肃兰州７３００５０）摘要：焊接产生的残余应力是影响受压构件极限承载力的重要因素．以ＡＮＳＹＳ为平台用三维热弹塑性有限元法模拟焊接过程，得到焊接箱型柱不同柱高下纵向残余应力的分布，比较了焊接顺序和不同焊层数对残余应力的影响，为焊接柱结构设计提供了参考．关键词：极限承载力；三维热弹塑性；箱型柱；残余应力中图分类号

2、：ＴＧ４０４文献标志码：Ａ文章编号：１００４－０３６６（２０１１）０２－００８３－０４ＳｅｖｅｒａｌＩｎｆｌｕｅｎｃｉｎｇＦａｃｔｏｒｓｆｏｒｔｈｅＬｏｎｇｉｔｕｄｉｎａｌＲｅｓｉｄｕａｌＳｔｒｅｓｓｏｆＷｅｌｄｅｄＢｏｘＣｏｌｕｍｎＳＵＮＹｕ－ｐｉｎｇ，ＷＡＮＧＸｉａｏ－ｊｉｅ（ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＣｉｖｉｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＬａｎｚｈｏｕＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｌａｎｚｈｏｕ７３００５０，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｒｅｓｉｄｕａｌｓｔｒｅｓｓｐｒ

3、ｏｄｕｃｅｄｂｙｗｅｌｄｉｎｇｉｓｔｈｅｍｏｓｔｉｍｐｏｒｔａｎｔｆａｃｔｏｒａｆｆｅｃｔｉｎｇｔｈｅｕｌｔｉｍａｔｅｂｅａｒｉｎｇｃａｐａｃｉｔｙｏｆｔｈｅｂｏｘｃｏｌｕｍｎ．ＢａｓｅｄｏｎＡＮＳＹＳｓｙｓｔｅｍ，ｔｈｅｗｈｏｌｅｗｅｌｄｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓｉｓｓｉｍｕｌａｔｅｄｂｙｔｈｒｅｅｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｔｈｅｒｍａｌｅｌａｓｔｉｃ－ｐｌａｓｔｉｃｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｍｅｔｈｏｄ．Ｆｒｏｍｃａｌｃｕｌａｔｅｄｒｅｓｕｌｔｓｗｅｋｎｏｗｔｈｅｄｉｓｔｒｉ－ｂｕｔｉｏｎｏｆｔｈｅｌｏｎｇｉｔ

4、ｕｄｉｎａｌｒｅｓｉｄｕａｌｓｔｒｅｓｓ．Ｔｈｅｓｅｑｕｅｎｃｅｏｆｗｅｌｄｉｎｇａｎｄｄｉｆｆｅｒｅｎｔｎｕｍｂｅｒｓｏｆｗｅｌｄｅｄｌａｙｅｒｓａｒｅｒｅｌａｔｅｄｔｏｔｈｅｒｅｓｉｄｕａｌｓｔｒｅｓｓ，ｓｏｉｔｃａｎｐｒｏｖｉｄｅｓｏｍｅｒｅｆｅｒｅｎｃｅｓｆｏｒｔｈｅｐｒａｃｔｉｃａｌｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｕｌｔｉｍａｔｅｂｅａｒｉｎｇｃａｐａｃｉｔｙ；ｔｈｒｅｅｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｔｈｅｒｍａｌｅｌａｓｔｉｃ－ｐｌａｓｔｉｃｉｔｙ；ｂｏｘｃｏｌｕｍｎ；ｒｅｓｉｄｕａｌｓｔｒ

5、ｅｓｓ早在２０世纪中后期，美国Ｌｅｈｉｇｈ大学Ｆｒｉｔｚ工步加上温度增量，建立起单元温度插值函数，求解区程结构实验室就研究发现残余应力和初始几何缺陷域上连续的温度函数θ（ｘ，ｙ，ｚ，ｔ），最终得到焊接过［１］一样，都是影响受压构件极限承载力的重要因素．程中动态应力应变和焊后残余应力变形．焊接残余应力是钢结构焊接时加热和冷却循环过程１结构模型的建立中不可避免的．目前钢结构工程中对残余应力的考虑大多是直接用热轧成型钢的残余应力模型，将其由于焊接是一个极为复杂的过程，为了在合理［２，３］简化成抛物线或折线形式，

6、而实际焊接过程产利用计算机资源的情况下得到较为真实的结果，将生的残余应力是一个极其复杂的三维应力场，其分对模型做以下简化：布和抛物线或折线模型还有不小的差距，如果用更（１）忽略焊接缺陷和裂纹的形成，以及蠕变和为真实的残余应力来进行构件的承载力分析将得到硬化；更精确的结果．（２）忽略高温发生的熔化、凝固等相变过程；［４－６］三维热弹塑性有限元法使焊接过程中动态（３）坡口和焊层结构平整．应力应变及焊后残余应力和变形的模拟更为真实．焊箱型柱截面尺寸如图１所示，柱高２．２５ｍ．以节点温度为基本未知量，把柱分成有限

7、个单元，逐焊材和母材取相同的弹性模量和屈服强度，常温时收稿日期：２０１０－１１－０１８４甘肃科学学报２０１１年第２期速率为５ｍｍ／ｓ．分２次焊，斜对边２条焊缝为一组，焊完一组后空冷到１００℃左右再焊下一组，最终空冷到常温２０℃．１．１焊接温度场模拟模型采用ＳＯＬＩＤ７０单元，该单元有８个节点且每个节点上有一个温度自由度．焊接时温度随着时间和空间都急剧变化，温度梯度大，当超过熔点时将切线模量和屈服极限都设置成很小的１ＭＰａ．热源图１截面尺寸／ｍｍ输入上采用热生成率（ＨＧＥＮ）加载，用单元生死法［７］分别为２

8、１６ＧＰａ，３１４ＭＰａ．焊接时对翼缘的两端进模拟焊材的逐步填充．焊接移动速率通过热生成率行约束．单位时间热生成率为３．２×１０９３，焊接Ｊ／ｍ加载的时间步长来控制．不同时刻的温度场见图２．图２不同时刻的温度云图／℃１．２焊接应力场模拟现在应力值的下降区域，其差值在１０ＭＰａ左右，后在结构场分析中将ＳＯＬＩＤ７０转换为相应的焊一侧应力值高．在柱子底部，靠近翼缘边（距翼缘边ＳＯＬＩＤ４５单元，把模拟好的温度场数据做为体荷载０～０