9 钢结构焊接残余应力的ANSYS分析.pdfVIP

综合论述 广东建材200年第2期 钢结构焊接残余应力的ANSYS分析 商广泰 (江苏泰州市海陵建筑设计院 225300) 蒋凤昌 (江苏泰州职业技术学院 225300) 摘 要：基于ANSYS平台给出了焊接残余应力数值模拟的计算流程，模拟各种条件下焊接接头残余 应力大小和分布，掌握影响残余应力的主要因素，有利于优化焊接工艺设计的改进，指导钢结构工程 的连接节点设计与施工。 关键词：ANSYS软件 焊接残余应力 钢结构 设计 1前言 式中：R、R、R：一 每单位面积热流动的速度； T(X，Y，Z，t)一当前温度； 钢结构的基本构件 (柱、梁、门架等)由型钢、钢板 Q(X，Y，Z，t)一 内部热产生的速度； 等连接而成，在设计中，焊接连接是现代钢结构最主要 P一密度； 的连接方式。它的优点是任何形状的结构都可用焊缝连 C一比热； 接，构造简单，并且，一般不需要拼接材料，省钢省工。然 t一时间。 而，在焊剂与基体金属之间产生了较大的残余应力，通 常接近屈服应力，大大降低了该焊接结构的抗弯强度， 2．2力学模型 并且容易导致脆性断裂。所以掌握焊接接头残余应力大 力学模型不仅要满足平衡方程，而且要满足本格方 小和分布以便调控和减少残余应力变得十分必要。 程。ANSYS的有限元分析基于YOnMise屈服准则，对于 测量残余应力的方法主要有盲孔法、x射线衍射 热弹塑性材料模型，应力应变关系表达如下： 法、磁性测量法等，这些方法需要专门的实验设备，若要 do=[D印][d￡]一[C曲]dT 了解焊接接头区域的残余应力变化情况，则费时费力。 式中：[D印]一热量刚度矩阵 (包括弹性和塑性刚 随着计算机技术和有限元方法的快速发展，许多CAE软 度)； 件都能实现对焊接接头的模拟。它们不仅可以节省实验 do—应力增量； 时间，节约研究经费，而且可以了解试件上残余应力的 d￡—应变增量； 连续分布规律，优化焊接工艺。其中，大型通用软件 dT—温度增量。 ANSYS，具有强大的热、结构耦合及瞬态、非线性分析能 3ANSYS分析流程 力，使其在焊接模拟技术中具有广阔的前景。利用AN— 在钢结构的焊接过程中一般无外力作用，残余应力 SYS软件编制焊接残余应力数值模拟的命令流可以实 主要由焊接过程中不均匀热循环作用引起，所以焊接瞬 现对焊接残余应力的深层次研究。 态温度场的计算是进行焊接残余应力分析的前提。将瞬 2焊接的基本理论 态温度场得到的节点温度作为体载荷施加到结构的应 焊接过程属于瞬态传热过程，在这个过程中系统的 力分析中去，便可以了解焊接过程中的瞬态应力场及最 温度、热流率、热边界条件以及系统内能随时间都有明 终的残余应力。ANSYS对焊接残余应力主要分析流程包 显变化。在理论上，焊接后的钢构件残余应力可以通过 括：前处理、焊接热输入、温度场的计算、应力场计算、后 热学模型和力学模型来估算。 处理。 2．1热学模型