1、第 卷第期 年月太原理工大学学报 引文格式：熊晓莉，卢梦丹，卢娅囡 高强钢焊接形截面纵向残余应力分布数值模拟太原理工大学学报，（）：，（）：收稿日期：基金项目：国家自然科学基金资助项目（）；河南省科技攻关项目（）第一作者：熊晓莉（），博士，副教授，主要从事钢结构的研究，（）高强钢焊接形截面纵向残余应力分布数值模拟熊晓莉，卢梦丹，卢娅囡（河南工业大学 土木工程学院，郑州 ）摘要：焊接纵向残余应力是影响钢压杆整体稳定性的重要因素之一。基于 对 高强钢焊接 形截面纵向残余应力大小及分布情况进行数值模拟分析。通过与已有的研究成果对比，提出合理的有限元分析模型；借助该模型，分析纵向残余应力大小及分布随板
2、件宽厚比和板厚的变化规律；以及翼缘和腹板残余应力的自平衡性；并提出适合 高强钢焊接 形截面的纵向残余应力分布模型。研究结果表明：提出的有限元分析模型适合焊接 形截面纵向残余应力研究；翼缘外伸端以及腹板中部的纵向残余压应力大小随板件宽厚比、板件厚度的增大成下降趋势，翼缘与腹板相交焊缝处和腹板外伸端的纵向残余拉应力大小与板件宽厚比和板件厚度没有多大联系；各板件内的残余应力均满足自平衡。基于数值模拟分析，提出的 高强钢焊接 形截面纵向残余应力分布模型，为后续 形截面残余应力的试验研究及压杆的整体稳定性数值分析提供参考。关键词：高强钢；焊接 形截面；纵向残余应力；数值模拟；热结构耦合分析中图分类号：文
3、献标识码：文章编号：（），（，）：，；，：；高强钢凭借强度高、韧性好、延性好等显著优势，在国内外多个实际工程中已经得到了成功应用，具有广泛的使用空间。焊接作为钢材连接的一种主要方式之一，虽有操作简单、节省资源的优势，但在操作的过程中，由于构件温度的变化继而产生残余应力。作为初始缺陷之一的残余应力，降低构件刚度的同时，还会降低其抗疲劳破坏能力和稳定承载力。因此，分析高强度钢材焊接截面残余应力的分布，对高强钢结构设计和受力性能探究有积极影响。近些年，研究者们对 高强钢焊接不同截面残余应力的分布进行了少量的试验研究。王卫永等研究了在三种温度条件下，高强钢焊接形和箱形截面的残余应力分布。杨俊芬等基于盲
4、孔法发现 高强钢管焊接截面纵向残余应力的最大值与屈服强度的比值要小于普通钢材相应的比值。王婕等对焊接 形截面 高强钢试件进行了残余应力分布测定，并分析了板件宽厚比对残余应力分布的影响。此外，还有学者对其他牌号的高强钢 形截面、箱形截面 、工字形截面 残余应力分布开展试验研究。综上试验的研究成果表明，截面几何参数影响高强钢截面的残余应力分布和大小。相对于试验研究而言，数值模拟研究具有经济高效的特点，已被研究人员作为高强钢残余应力分布研究的重要方法之一。杨俊芬等 基于 模拟 焊接高强钢管纵向残余应力，提出相应的残余应 力分布 模式。提 出 了 借 助 获得 高强钢焊接 形截面残余应力分布的数值方法
5、，并指出该方法也可用于其他型号的钢材。借助 模拟 钢板焊接 形和 形节点的焊接残余应力，并分析了残余应力对节点应力集中的影响。和 借 助 对 高强钢焊接箱形截面构件组合 形节点的残余应力进行数值模拟研究，并指出预热可以减小残余应力，构件相交处的残余应力值最大。从上述研究现状可以看出，国内外学者针对 高强钢焊接截面的残余应力数值模拟研究多集中于钢管截面、形截面 以及形和形节点 ，未见有专门针对焊接形截面的 高强钢残余应力分布模型成果。因此，本文拟借助 模拟 高强钢焊接形截面焊接过程，提出合理的有限元分析模型，借助该模型测算不同截面尺寸的 高强钢焊接形截面纵向残余应力分布，并分析板件宽厚比以及板件
6、厚度对纵向残余应力大小的影响，提出合理描述数值模拟结果的残余应力分布模型，为今后焊接形截面钢压杆整体稳定承载力数值模拟研究提供依据。数值分析模型的建立及验证本文借助 大型通用有限元软件，对高强钢焊接 形截面的焊接过程进行热结构耦合数值模拟。分析过程包括热分析和力学分析，首先通过热分析获得整个焊接过程的温度变化，然后将热分析结果作为初始荷载输入模型后进行力学分析，最终获得焊接 形截面上的纵向残余应力大小和分布。图为数值模拟的尺寸图。焊接模拟的参数确定在焊接模拟分析中，材料的热性能参数受环境温度的影响而出现变化，比如，热导率、比热容、热膨胀系数、弹性模量、屈服强度等。因此，在进行焊接模拟时必须明确
7、这些参数随环境温度变动的取值。由于我国规范中未给出具体的 高强钢的热性能参数，为研究问题的需要，这些参数可参考 取值，其中泊松比、密度分别取恒定值和 各相关参数随环境温度变化曲线如图所示。太 原 理 工 大 学 学 报第 卷图焊接形截面几何尺寸 图钢材性能参数随温度变化曲线 单元类型的选择本文采用的是热结构耦合数值模拟，由于在选取单元上存在着一些局限性，需注意选择能够将热分析单元直接替换为相应结构分析的三维热单元。本文采用了具有个节点的 单元进行热分析，每个节点均有一个温度自由度，该单元可弥补热流损失。结构分析阶段，热单元可转换成 单元，此结构单元具有个节点，且每个节点处都具有个自由度。在耦合
8、模拟过程中，将对流效应和辐射效应同时考虑到焊接表面的热损失，用热对流系数表示，取值为 （）划分网格该模型网格的划分采用映射网格方式，为得到较准确的模拟结果，焊缝位置以及近焊缝处的网格划分尺寸较小，距焊缝较远处的网格划分尺寸可适当放大。根据图中的几何尺寸，建立相应的有限元模型，图展示了网格划分情况。图模型网格划分 施加热源有限元模拟分析中经常用到的热源模型有种，如：生死单元技术、高斯热源模型、双椭球模型。由于考虑整个模拟焊接过程的复杂性以及效率的问题，且生死单元技术能较好地模拟整个过程，故本文采用此热源模型。在施焊开始前，将焊缝处所有的单元“杀死”；开始焊接后，按照施焊次序，依次将每一个荷载步对
9、应的原有被“杀死”的单元激活，并对其施加体积生热率，进行迭代计算，直至整个焊接过程的所有荷载步完成。生热率 的计算公式为：（）式中：热效率，取；焊接电压，；电流，焊缝的横截面面积；焊接速度，取值为 ；荷载步的时间步长，取 温度场求解焊接过程具有较为复杂的温度变化，加热过程是非线性的，由于温度影响残余应力及变形的大小，因此有准确的温度场，才能得到可靠的焊接模拟。在进行焊接温度场求解时，中需要进行一些设置，比如：“全牛顿拉普森方法”选择打开、时间步长预测选择“开”等。通过 后处理器可选择具体的时间点来查看构件在焊接过程中热源的移动过程，图为 时模型的温度场分布。应力场求解在进行应力场模拟时，通过
10、命令，自动转换 单元为 单元。塑性分析时材料选用双线性等向强化模型 ，可定义六条 不 同 温 度 下 的 屈 服 强 度 和 切 线 模 量。通 过第期熊晓莉，等：高强钢焊接形截面纵向残余应力分布数值模拟 命令，将温度场求得的解作为荷载，然后施加到模型上进行结构分析，即由热结构耦合分析获得各时间节点对应的应力场。图为 时模型的应力场分布。图温度场分布图 图应力场分布图 有限元模型验证为验证上述模型的正确性，对比文献 的分析结果。本文对比试件的几何尺寸取如图所示的形。钢材选用 ，每一荷载步的热输入大小为 ，焊接顺序如图所示，左边为第一道焊缝，焊接结束之后，冷却时间间隔为 ，再进行第二道焊缝的施焊
11、。两道焊缝的焊接参数保持不变。钢结构压杆的纵向残余应力沿杆件长度方向是有变化的，其中焊缝的中间部位为稳定区，各截面上的纵向残余应力分布相同；另外，在焊缝的两个端部存在过渡区，由稳定区截面明显的纵向残余应力向端部截面的无纵向残余应力递减。考虑到端部过渡区一般较短，且对钢压杆的整体稳定承载力影响较大的是中段稳定区的纵向残余应力，因此，分析完成后，取图中稳定区中间位置的 截面翼缘上表面的模拟结果与文献 中分析数据进行对比，如图所示。从图中可以看出两者的焊缝附近都存在残余拉应力的最大值，且翼缘外伸端的残余压应力分布几乎完全吻合。但因选用的分析软件不同导致热影响区域内残余拉应力分布细节略有差异，鉴于残余
12、拉应力对压杆整体稳定而言有利，可忽略上述不均匀性的影响，取焊缝周边残余拉应力的均值进行比较，对比发现两者的均值都接近钢材的屈服强度。因此，可以认为本文提出的有限元分析模型较为可靠，可将其应用到后续的 高强钢焊接 形截面残余应力数值模拟。图模型截面翼缘上表面残余应力对比 影响残余应力大小的相关参数研究分析模型设计及结果本文主要通过数值模拟分析板件宽厚比、板件厚度对 高强钢焊接形截面残余应力分布的影响，因此，针对组不同尺寸的形截面构件展开研究，具体尺寸如表所示，截面几何尺寸示意图如图所示。图试件截面几何尺寸示意图 通过有限元模拟组不同截面尺寸构件，选取图中 截面的纵向残余应力分布数据，绘制残余应力
13、分布图，展示于图 从图中可以看出截面残余应力分布具有如下特点：）纵向残余应力在板厚方向有变化，尤其是在焊缝附近，残余拉应力呈现较大的分布差异，距离焊缝较近的翼缘上表面，残余拉应力大小贴近甚至超太 原 理 工 大 学 学 报第 卷表模型几何尺寸 编号 过材料的屈服强度，距离焊缝较远的翼缘下表面，残余拉应力较小，甚至局部出现零应力或应力反号现象，其原因可能是翼缘较厚，温度分布差异较大，下表面部分先冷却而限制上表面收缩引起的压应力。）翼缘外伸端为残余压应力，由于温度在板厚方向有变化，距离焊缝较远的下表面的残余压应力略大于距离焊缝较近的上表面残余压应力，且随板厚的增加，两个表面残余应力的差异越大。第期
14、熊晓莉，等：高强钢焊接形截面纵向残余应力分布数值模拟图各试件残余应力示意图 ）腹板上的残余压应力存在于腹板的中部，腹板上的残余拉应力存在于近焊缝位置和外伸端，腹板左侧面的残余拉应力略大于腹板右侧面的残余拉应力，且随板厚的增加，腹板两侧的残余拉应力与腹板中间残余拉应力差异也越大。根据图的数值模拟结果，可将 高强钢焊接 形截面纵向残余应力分布模型暂定为分段线性的形式，如图所示。图中 代表的是翼缘上表面近焊缝处的残余拉应力均值，和 分别为翼缘左右外伸端残余压应力峰值，腹板近焊缝处的残余拉应力均值用 表示，腹板外伸端的残余拉应力均值为 ，腹板中部的残余压应力峰值为 ，为翼缘和腹板的纵向残余应力分布宽度
15、，可取，可取根据模拟结果，将六组试件的残余应力汇总于表板件宽厚比的变化对残余应力的影响试件、和、的板厚相同而板件宽厚比不同，因此可用来分析板件宽厚比的变化对 高强钢焊接 形截面纵向残余应力大小及分布的影响。残余应力与板件宽厚比之间的关系图，太 原 理 工 大 学 学 报第 卷如图 所示。从图中可以了解到，翼缘和腹板的残余拉应力大小与板件宽厚比联系不大；翼缘外伸部分以及腹板中部存在的残余压应力大小随板件宽厚比的增大而减小。表六组试件的残余应力数值模拟结果汇总 试件编号 图 高强钢焊接形截面纵向残余应力分布模型示意图 图 板件宽厚比与残余应力关系图 分析产生上述现象的原因在于，翼缘焊缝处的残余拉应
16、力大小仅取决于焊接过程中的热量输入的多少，各试件输入生热率相同，因此，焊缝处残余拉应力大小相近，与板件宽厚比无关。而翼缘外伸端残余压应力大小受钢材热传导效率的影响，板件宽厚比越大，翼缘外伸端热传导范围越大，效率越低，从而导致残余压应力值越小。由于各板件残余应力的成因相同，因此腹板残余应力分布规律与翼缘也相同。板件厚度的变化对残余应力的影响试件、和 的板件宽厚比相同而板厚不同，因此可用来分析板厚对 高强钢焊接形截面纵向残余应力分布的影响。图 为纵向残余应力与板厚之间的关系曲线。从图中可以看出，翼缘外伸端和腹板中部的残余压应力大小与板厚成反比；翼缘和腹板近焊缝处以及腹板外伸端的残余拉应力与板厚无关。图 板厚与残余应力关系图 分析产生上述现象的原因在于，翼缘上表面焊缝处的残余拉应力大小仅与焊接热输入的大小有关，与板厚无关。板厚仅影响了热传导的效率，从而导致沿板厚方向残余拉应力分布的不均匀性。而翼缘外伸端残余压应力大小受钢材热传导效率的影响，随着板厚的增加，翼缘外伸端热传导范围越大，效率越低，从而导致残余压应力值越小。由于各板件残余应力的成因相同，因此腹板残余应力分布规律与翼缘也相同。板件相关
