钢结构焊接的Ansys数值模拟

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1、钢结构焊接的Ansys数值模拟安氏摘要：钢结构主要的连接方法为焊接连接。准确的焊接模拟对节点承载力、焊接变形等分析具有重要的意义。利用Ansys软件可以实现焊接的数值模拟。把焊接模拟的温度场、焊接温度动态变化过程等数值模拟结果与前人试验结果进行对比，结果表明，采用Ansys软件进行三维实体建模、并结合生死单元技术模拟焊接过程，求解温度场与应力应变场，其结果与实际焊接情况具有高度的一致性，温度场与雷卡林试验温度场吻合较好；焊缝附近各点的温度变化与横截面上的残余应力结果，与实际焊接情况相符。此结论为Ansys软件进行工程结构的

2、焊接模拟的可靠性分析提供了实用的参考价值。关键词：钢结构；Ansys数值模拟；焊接温度场；残余应力引言众所周知，钢结构的主要连接方法为焊接连接、螺栓连接和铆钉连接，其中焊接连接是最为常见的、应用最多的连接方法之一[1]。在众多的焊接方法当中，电弧焊由于设备轻便、搬运灵活、适合于钢结构的施工作业等特点，成为主要的焊接方法。电弧焊就是在钢构件连接处，借助电弧放电所产生的高温，将置于焊缝部位的焊条或焊丝金属熔化，同时将工件的表面熔化，形成焊接熔池，将两块分离的金属熔合在一起，从而获得牢固接头的焊接方法。焊接过程中，熔池内形成高温

3、液态金属，熔池外部热影响区和母材区域固体传热，导致焊接前后温度的剧烈变化，从而在焊接结构内部产生残余应力和残余应变，外部产生残余变形[2]。在某种程度上，残余应力会影响到结构的承载能力，残余变形会导致钢结构施工安装困难，残余应变在使用过程中的释放会影响到结构后期的正常使用。所以研究钢结构焊接过程具有很大的实际意义。计算机技术的飞速发展推动了数值模拟在结构焊接中的应用[3]。焊接数值分析软件也日趋增多，其中Ansys由于功能强大、计算结果可靠、操作简便等特点，成为目前土木工程领域常用的有限元软件之一。应用该软件进行焊接过程模

4、拟，进行焊接残余应力、应变分析，也越来越引起人们的关注。1焊接模拟过程1.1焊接结构的耦合场分析基于热弹塑性理论，采用有限元方法进行数值模拟，首要是考虑耦合问题[4]。自然界存在四种场，即位移(应力应变)场、电磁场、温度场和流场。所有物理问题都是多场耦合的，有时为了简化分析，抓住主要矛盾，只进行单场现象分析。对于钢结构的焊接问题，由于涉及到温度场和应力应变场相互作用，故应进行热-结构的耦合分析。考虑温度场和应力应变场的交叉作用和相互影响的热-结构耦合分析，按照耦合方式的不同，可以分为直接耦合和顺序耦合。直接耦合是温度场和应

5、力应变场同时进行分析，此法适用于耦合场之间具有高度非线性的相互作用的情形。由于同时进行两个物理场的计算，计算消耗的时间非常多。顺序耦合也称为间接法，是两个或多个物理场按一定顺序排列对计算模型进行分析求解，即第一个物理场分析的结果作为载荷施加到第二个物理场分析[5]。对于焊接模拟，温度场与应力场的顺序耦合过程如下：先进行热应力分析求得结构的温度场，保存在rth.文件中；将模型中的单元转变为对应的结构分析单元，并将上一步求得的热分析结果当作体载荷施加到节点上，由此求解结构的应力应变分布。由于顺序耦合中各物理场分析是相互独立的，

6、应用方式更有效和灵活，文中采用了顺序耦合方法。1.2单元选择对工程构件的数值模拟，一般需要进行三维数值分析。有限元分析中，常用的三维单元为：热分析实体单元solid70和单元solid90，应力场分析结构单元solid185单元和solid186。solid70单元属于六面体、8个节点的三维实体单元，静态或瞬态的热分析都适用，如图1所示。该单元的特点是由各向同性材料属性定义。在进行焊接应力变形等结构分析时，此单元能够转化为等效的结构单元-solid185。solid185单元用于构造三维固体结构。单元通过8个节点来定义，每

7、个节点有3个分别沿着x、y、z方向平移的自由度。单元具有超弹性、大变形和大应变的特点。solid90单元是属于六面体、20节点三维实体单元，是solid70单元的高阶形式，适用于三维稳态或瞬态热分析。其主要特点是有适当的温度协调形状，对于模拟曲线边界比较适用，所以也可以产生棱柱形状的单元、四面体形的单元和金字塔型的单元，如图2所示。在进行焊接应力变形等结构分析时，此单元能够转化为等效的结构单元-solid186。solid186是一个高阶三维20节点固体结构单元，solid186具有二次位移模式，可以更好地模拟不规则的网格

8、。单元通过20个节点来定义，每个节点有3个分别沿着x、y、z方向平移的自由度。solid186可以具有任意的空间各向异性，单元支持塑性、超弹性、蠕变、应力钢化、大变形和大应变能力。由此可见，温度场单元solid90和其对应的结构单元solid186适用于分析边界曲线较多、较复杂的模型。1.3焊接模拟的参