鋼結構焊接應力、應變的三維有限元仿真

1.技術應用思路

大型鋼結構焊接這一非線性過程是工程中經常碰到，但又難以對其進行準確的三維數值模擬的一個問題。對焊件進行局部加熱時，焊件上會產生不均勻的溫度場，從而產生變形殘余應力，而變形和殘余應力是影響焊接結構強度、剛度及裝配精度等的重要因素。因此，對大型鋼結構焊接進行準確的三維數值模擬，為鋼結構設計、施工現場選擇合理的焊接工藝和焊接參數、控制焊接變形提供依據，具有重要的理論和實際工程意義。上海正大商業廣場工程中厚板焊接較多，且多數焊接接頭是箱形截面。由于焊接過程受到多種因素的影響，焊接變形控制是個相當復雜的問題。為保證鋼結構安裝的順利進行，必須有效地控制焊接變形，保證焊接接頭的工程質量。

2、技術實施過程

(1)計算模型

針對上海正大商業廣場工程的特點，對典型的箱形截面焊接過程一商店天橋主梁焊接進行了三維有限元分析。

有限元分析所選擇的商店天橋主梁截面為TS500x1800X30X80，長度33.5m，單件重量達49t，是工程中截面最大的鋼梁。該梁必須分段制作，運至現場拼裝焊接，擬定的拼焊方案為:構件平躺于拼裝胎架上，節點處上表面設置1m*1.8m后蓋板，平焊焊接下表面板，再焊上表面板，最后焊接兩條立焊縫。該方案避免了焊接過程中構件翻身甲又避免了拼裝胎架搭設過高及仰焊操作，為保證施工安全和工程質量創造了條件。

1)構件的幾何參數

該箱形梁上、下邊均勻厚80mm的鋼板，兩側鋼板厚30mm，梁高1800mm，梁寬500mm。針對上海正大商業廣場工程的特點，對典型的箱形截面焊接過程進行了三維有限元分析。計算選取的箱形截面高1.8m，寬600mm，上下板厚度為80mm，兩側板厚30mm。

2)力學模型和材料性能

力學摸型為非線性的熱彈塑性模型，采用了米塞斯屈服條件和帶有應變硬化的雙線性本構關系模型，模型參數是根據16Mn鋼確定的。其熱物理性能指標隨溫度變化。計算中，采用八節點塊體單元，單元數共9009個。焊接區網格的劃分密于非焊接區。

(2)計算結論

通過對厚板箱形梁采用瞬時固定熱源和移動線熱源兩種方式的三維數值模擬及對比，得出結論如下:

1)采用固定熱源焊接時(即一次焊接時)，上下板中間部分的殘余應力值比邊緣部分殘余應力值大一倍;且箱型截面的四個角部的殘余應力值比上下板中間部分殘余應力值還大一倍以上，這是非常不利的。

2)采用移動熱源多道焊焊接時(即分層焊接時)，在焊接過程中可避免產生三軸拉伸殘余應力，上下板和兩側板都不會產生過大的應力和變形，僅角部有較大的殘余應力和變形。

3)采用固定熱源成移動熱源焊接時，產生的殘余變形的形態不同。采用固定熱源焊接時，整個箱形梁斷面向其形心點一致收縮;采用移動熱源焊接，箱形梁的收縮變形在其斷面的四個角點處有明顯的翹曲。

為了對比焊接效果，分別對鋼板的多層焊接和一次性焊接兩種焊接方式進行了有限元仿真。使用ANSYS程序實現了焊接過程的三維有限元仿真，分析了不同時刻時箱形焊接截面附近的溫度場，應力場和應變場。

實施效果

通過多層和一次性焊接方式的對比計算，表明多層焊接方式能有效降低厚板截面上的應變和應變梯度，避免造成鋼板過大的殘余變形和發生翹曲。根據多層焊接仿真計算結果，綜合分析和考慮到許多現場焊接條件的變化，建議80mm厚鋼板至少分成10層焊接為宜，30mm厚鋼板至少分成2~3層焊接為宜。

通過對典型箱形截面焊接應力和應變的仿真計算，獲得了截面一次焊接和多層焊接的溫度場、應力場和應變場的連續變化規律，為施工現場控制焊接變形提供了理論依據和參數，也為其他工程提供可借鑒的分析手段。

一次性焊接計算結果表明，在30mm厚鋼板的溫度、應力和變形沿橫截面分布還比較均勻，而在80mm厚鋼板截面上溫度、應力、應變的變化是劇烈的，外層應變高，內層應變低，兩者相差約3倍。而多層焊接計算結果表明，厚板截面上溫度、應力、應變的變化梯度顯著減小。通過多層和一次性焊接方式的對比計算，表明多層焊接方式能有效降低厚板截面上的應變和應變梯度，避免造成鋼板過大的殘余變形和發生翹曲。根據多層焊接仿真計算結果，綜合分析和考慮到許多現場焊接條件的變化，建議80mm厚鋼板至少分成10層焊接為宜，30mm厚鋼板至少分成2~3層焊接為宜。