同济大学桥梁工程系 上海 200092
摘要：采用ANSYS的生死单元技术和热-应力耦合方法，通过生热率加载，模拟构件的焊接温度场及焊接残余应力场。研究表明焊接残余应力（von Mises应力）最大值接近Q345q钢屈服应力，沿焊缝方向残余应力值最大，且底板上表面在应力最大值位置发生塑性变形。
关键词：热-应力耦合；残余应力；钢箱梁；温度场
1引言
针对焊接部位的温度场及残余应力场问题，目前大多研究[1-5]针对较为简单的对接焊缝进行，部分学者[6, 7]对角焊缝进行了研究。钢箱梁桥腹板与底板间角焊缝位置受较大拉应力使其更容易发生破坏，因此本文采用ANSYS软件研究此焊接构造。
2焊接温度场有限元模拟分析
2.1 有限元模型建立
模拟的焊接构件整体尺寸选取为120 mm×128 mm×125 mm（X向×Y向×Z向）。根据某实际桥梁结构选取各板件尺寸：腹板厚度为6.4 mm，翼缘板厚度为25 mm，腹板与翼缘板夹角70.7°，采用7 mm角焊缝。表1给出了其随温度变化的热物理参数[8]及力学参数[9]。
图1 距焊接起始点64 mm截面残余应力分布
从图1（a）中的残余应力分布可以看出，上表面表现为拉应力最大，在两侧焊缝位置呈现“双峰”凸起，在中点附近下凹表现为压应力。第二道焊缝处残余拉应力最大，达到208 MPa，约为第一道焊缝处的1.73倍。在远离焊缝位置各路径上应力都在5 MPa以下。在底板内部，腹板位置下方，表现出压应力，最大值超过-100 MPa。从图1（b）中的残余应力分布可以看出腹板位置表现出较大压应力，最大值达到了-189 MPa。从图1（c）可以看出，对比另两个方向的残余应力，平行焊缝方向的应力最大，最大值达到392 MPa，超过材料屈服应力。图1（d）中von Mises残余应力分布与平行焊缝方向残余应力分布较接近，表明平行焊缝方向残余应力为焊接残余应力的主要方向。
4 结论
（1）结合ANSYS的生死单元和热-应力耦合方法，可以模拟构件角焊缝焊接过程、节点温度场和应力场。温度场模拟结果表明，通过生热率加载，可获得稳定的焊接中心点温度。在焊缝位置焊接温度最高且温度梯度较大。
（2）构件焊接残余应力在底板上呈“双峰”分布，且两峰值位于两道焊缝位置。对比三向的残余应力，沿焊缝方向（Z向）的残余拉应力最大，结构底板上表面在应力最大值位置进入塑性变形。由于箱梁底板主要沿焊缝方向的拉应力，沿焊缝方向焊接残余应力对箱梁结构使用安全产生较大影响。结构最大焊接残余应力接近Q345q钢屈服应力。
参考文献：
[1]高明宝, 李世芸, 邹云鹤. 运用ANSYS对焊缝残余应力及温度场分析 [J]. 科学技术与工程, 2011, 11(1): 159-62.
[2]刘兴龙, 曲仕尧, 邹增大, et al. 基于ANSYS的焊接过程有限元模拟 [J]. 电焊机, 2007, 37(7): 41-4.
[3]安超. 基于ANSYS的焊接过程模拟分析方法研究 [J]. 数字技术与应用, 2013, 2): 64-5.
[4]朱援祥, 王勤, 赵学荣, et al. 基于ANSYS平台的焊接残余应力模拟 [J]. 武汉理工大学学报, 2004, 26(2): 69-72.
[5]高耀东, 何雪. 基于ANSYS单元生死技术的焊接模拟 [J]. 热处理技术与装备, 2010, 39(1): 120-2.
[6]张壮南，赵亚楠，胡磊. 基于ANSYS的单轴对称焊接工字形截面残余应力分析 [J]. 工程力学, 2013, 30(B06): 294-7.
[7]陈丽敏, 陈思作. 基于ANSYS软件的焊接工字型截面梁残余应力的有限元分析 [J]. 钢结构, 2003, 18(2): 45-7.
[8]胡磊. 单轴对称焊接工字梁残余应力研究 [D]; 沈阳建筑大学, 2011.
[9]卫星, 邹修兴, 姜苏, et al. 正交异性钢桥面肋—板焊接残余应力的数值模拟 [J]. 桥梁建设, 2014, 44(4): 27-33.
论文作者:孙文耀
论文发表刊物:《基层建设》2018年第8期
论文发表时间:2018/5/23
标签：应力论文; 残余论文; 腹板论文; 底板论文; 最大值论文; 方向论文; 位置论文; 《基层建设》2018年第8期论文;