钢结构立柱焊接过程的有限元仿真毕业论文

2020-02-19 15:45:42

摘要

焊接是一个非常复杂的过程，各种因素都会对焊接结构造成重要的影响。采用数值模拟的方法对焊接过程进行分析，能够直观地展示温度场与焊接应力变形的分析结果，省去了实验方法所要耗费的大量时间和经费，为焊接质量提供了保障。因此，对大型焊接结构采用有限元分析，是很有必要的。

本文针对高层钢结构立柱的特点，建立了钢结构立柱的三维模型，查阅文献得到Q460高强钢的热物理参数，包括导热系数、比热容、表面传热系数等等，选用SOLID87单元对三维模型进行自由网格划分。焊接热源采用均匀体热源，通过生死单元技术模拟焊接热源的移动过程，从而计算得到焊接时的温度场分布情况，并进行分析。通过间接耦合的方法，将温度场作为载荷，计算得到焊接结构的焊接应力变形分布情况，并进行分析。

本文通过有限元仿真，得到了在给定焊接参数下的温度场与焊接应力变形，结果对于钢结构立柱的焊接生产有一定的参考意义，也给制定焊接钢结构立柱的焊接规范提供了思路。

关键词：钢结构立柱；ANSYS；数值模拟；温度场；焊接应力变形

Abstract

Welding is a very complex process, with various factors impacting greatly on the welded structure. By using the numerical simulation method to analyze the welding process, the results of temperature and strain field can be displayed directly, which can save a large number of time and money for experimental methods, as well as providing a guarantee for the welding quality. Therefore, it is of great significance to use finite element analysis for large welded structures.

According to the features of steel structure columns in high-rise buildings, a three-dimensional model of steel structure columns is established. The thermophysical parameters of Q460 high-strength steel, namely thermal conductivity, specific heat capacity and surface heat transfer coefficient, etc., are obtained by consulting literature. SOLID87 element is selected to mesh the three-dimensional model freely. Uniform body heat source is chosen as the welding heat source. The movement of welding heat source is simulated by using birth-and-death method. The distribution of temperature field during welding is calculated and analyzed. By indirect coupling method, the temperature field is taken as load, and the strain field distribution of the welded structure is calculated and analyzed.

In this paper, the temperature field and strain field under given welding parameters are obtained by finite element simulation. The results offer significant reference for the welding of steel structure columns, and provide ideas for the formulation of welding specifications for steel structure columns.

Key Words：steel structure columns；ANSYS；numerical simulation；temperature field；strain field

第1章绪论 1

1.1 研究背景和意义 1

1.2 国内外相关研究现状 2

1.3 研究目标与研究内容 3

1.4 本文的组织结构 3

第2章钢结构立柱有限元模型的建立 4

2.1 基本假设 4

2.2 几何模型的建立 4

2.3 材料特性参数 5

2.4 单元类型的确定 7

2.5 网格划分 8

2.6 生死单元技术 9

2.7 焊接热源模的选择 10

第3章钢结构立柱焊接温度场仿真与分析 12

3.1 焊接温度场仿真分析的理论基础 12

3.1.1 焊接过程中的热传播 12

3.1.2 边界条件 13

3.2 焊接温度场仿真过程 13

3.3 焊接温度场仿真结果与分析 16

第4章钢结构立柱焊接应力变形仿真与分析 24

4.1 焊接应力变形仿真分析的理论基础 24

4.1.1 屈服准则 24

4.1.2 强化模型 24

4.2 焊接应力变形仿真过程 25

4.2.1 热-结构分析方法 25

4.2.2 约束条件 26

4.3 焊接应力变形仿真结果与分析 27

4.3.1 焊接变形结果与分析 28

4.3.2 焊接应力结果与分析 31

第5章总结与展望 36

5.1 总结 36

5.2 展望 36

参考文献 38

致谢 41

附录1 42

附录2 43

绪论

研究背景和意义

如今，焊接已成为现代制造业中必不可缺的工艺方法之一，很多焊接科研工作者不断将新技术引入焊接过程中，包括焊接过程的定量分析、模拟和预测等等。焊接是一个局部快速加热到高温，并随后快速冷却的过程。焊接过程中的物理现象包括焊接时的电磁、传热、金属的熔化和凝固、冷却时的相变、焊接应力和变形等，要得到一个高质量的焊接结构必须要控制所有这些因素。由于这些物理本质的复杂性，焊接过程的数值模拟技术发展一致比较缓慢，落后于实际需要和其他领域的仿真技术^[1]。

近年来，高层建筑如雨后春笋，其中以钢结构和钢-混凝土为主要形式。在高层钢结构建筑中，箱型柱以其较好的受力特性而被广泛应用^[2]，例如1972年和1973年相继建成的美国世贸大楼^[3]，就是以截面尺寸和等不同的钢箱柱为主要受力构件，而钢箱柱主要由焊接工艺制作而成。同时，高层建筑的发展也对钢骨架材料提出了更高的要求，要保证其易焊性、抗震、抗冲击性。在需求的推动下，更多新的高强材料结构钢也应运而生。例如Q460钢，就是一种具有良好的性能参数指标的高强度结构钢^[4]，它也是“鸟巢”所使用的主要钢材。本文所研究的对象就是以Q460高强钢为材料的高层钢结构立柱。

在实际操作中^[5]，人们一般凭借经验或者是通过一系列的实验来获得可靠而经济的焊接结构。然而，大型的焊接结构如果只依靠实验方法积累数据不仅要花费大量的时间和经费，而且任何尝试的失败，都将造成重大的经济损失。采用数值模拟的方法，不必在车间中进行实验工作，大大节省人力财力的同时还能保证结构的可靠性。

因此，随着计算机技术的不断发展，有限元方法开始应用于焊接领域，ANSYS等各种商业软件也层出不穷。以ANSYS为例，ANSYS是目前世界上最流行的通用型有限元软件之一，基于自动划分网格功能，其强大的求解器能够进行非线性分析，而后处理功能可以方便直观地展示计算结果^[6]。因此，ANSYS也广泛应用于焊接数值模拟领域。

从安全和成本的角度考虑，在大型工程中，很多焊接试验开销太大或者根本无法进行，利用有限元方法模拟焊接过程，可以避免进行实验，从而大大降低成本。同时，模拟焊接过程可以保证最终焊接结构质量的可靠性，为建筑安全提供了保障。

国内外相关研究现状

国内关于焊接数值模拟的相关研究最早开始于上海交通大学。由上海交通大学的陈楚主编的《数值分析在焊接中的应用》^[7]，最早介绍了数值分析方法，主要是有限元法和差分法在焊接领域中的应用。此后，上海交通大学开发出了二维平面变形和轴对称的焊接热弹塑性有限元分析程序^[8]，同时考虑了温度对材料的影响和进入塑变后卸载和应变硬化问题。近年来，国内关于焊接数值模拟的研究如雨后春笋一般。在厚板多层多道焊的数值模拟方面，罗金华等人利用ANSYS软件^[9]，将solid70和solid90单元结合。对中厚板焊接的温度场和应力应变场等进行了三维数值模拟。贾坤宁等人通过数值模拟的方法^[10]确定中厚板桥梁钢的合理焊接工艺，并通过实验方法验证和对接头组织性能进行了分析。房元斌等人对大型结构件中厚板焊接的焊道进行优化^[11]，将三层六道焊缝分别处理为2层3道焊和单层单道焊，利用MARC软件对焊接过程进行了模拟。张文平等人针对超微弧（ForceArc）焊接过程的新特点^[12]，建立了合适的体积热源模型，利用SYSWELD软件对Q690高强钢中厚板焊接过程进行了数值模拟分析。杜宝帅等人利用ANSYS软件对超细晶Q460钢多层多道焊残余应力场进行了数值模拟分析^[13]，结果表明，焊接过程中每层焊缝表面的纵向应力峰值逐渐减小；焊接结束后，焊缝及其近缝区域表现出较高的纵向残余拉应力。

同样，国外很多国家也进行了关于焊接数值模拟的研究。M. Zubairuddin等人利用SYSWELD软件^[14]，分别采用二维单元和三维单元对91级钢板对接钨极氩弧焊的温度场和应力应变场进行分析，并得出结论，采用三维精细网格划分得到的结果最接近实验结果。D. Venkatkumar等人通过数值模拟研究了钨极氩弧焊中的焊接热输入^[15]，采用双椭球热源建模，并得出结论，热输入对焊缝残余应力有很大影响。P.Jedrasiak等人利用间隙计算热生成率的连续热源模型^[16]预测了超声波焊接(USW)的热发生效率，这种方法主要用于铝合金的焊接。Paulo Cezar Adamczuk等人利用数值模拟方法对S355J2 N钢焊件中的焊接应力形成进行了分析^[17]，解释了焊接热过程对焊接热影响区局部热-机械性能的影响。Karlo Sele等人提出了一种用于预测大型构件中由焊接引起的残余应力和变形的有效有限元程序^[18]，该程序使用ABAQUS的接口，有效提高了计算效率，并省去了麻烦的焊接分析步骤。

研究目标与研究内容

本文主要完成的内容是根据高层建筑钢结构立柱的焊接过程特点，利用ANSYS软件实现对钢结构立柱焊接过程的有限元仿真，研究焊接中残余应力和变形，并分析焊接工艺对残余应力和分布的影响。主要研究内容如下：

1）建立有限元模型有限元分析的基础是建立正确的有限元模型，具体来说应包括确定构件的几何模型、材料的特性参数、单元类型、进行网格划分以及选择热源模型等。

2）温度场计算与分析通过有限元方法对焊接过程进行热分析，可以得到不同时刻构件的温度分布情况，包括焊接期间和冷却期间。对温度场结果进行分析，可以得到温度场的分布情况。

3）焊接残余变形计算与分析在温度场的基础上，可以通过结构分析得到构件在焊接过程中的应力应变分布情况。在冷却到室温后，构件的残余应力与变形情况对于焊接变形分析有着重要的意义。

本文的组织结构

第1章：绪论。介绍了本文的研究背景和研究意义，并讨论了国内外关于焊接数值模拟的研究现状，最后指出本文将利用ANSYS软件对Q460高强钢结构立柱的焊接过程进行有限元分析。

第2章：建模。为温度场的分析做好准备，包括建立三维模型、确定材料的热物理参数、确定单元类型、对模型进行网格划分、选择热源模型、采用生死单元技术等。

第3章：三维温度场仿真与分析。根据所选用的热源模型，通过循环代码实现热源的移动，计算求得焊接温度场的分布情况，以及热循环曲线，并对计算结果进行分析。

第4章：三维焊接应力变形仿真与分析。采用热-结构耦合的方法，将温度场结果作为体载荷加载，并对模型进行结构分析，得到焊接应力变形的分布情况，并对计算结果进行分析。

第5章：总结与展望。总结了钢结构立柱有限元分析的研究内容，讨论了研究中存在的不足之处，并对未来的研究工作进行了展望。

钢结构立柱有限元模型的建立

基本假设

焊接是一个非常复杂的过程，其中伴随着各种物理、化学现象，各种焊接条件都会对焊接过程造成影响^[19]。由于焊接数值模拟无法全面考虑到各种情况，而侧重于焊接过程中的瞬态温度场和焊接应力变形，因此需要对模拟过程做出合理的假设：

1）焊接过程中，熔池、焊件、熔滴之间发生着剧烈的物理、化学反应，例如熔池中的流体动力学、电弧作用于熔池表面的热能与压力、液态金属的挥发，各种现象相互关联，考虑到数值模拟的侧重点，在仿真时不考虑这些对于温度场、焊接应力变形影响微弱的因素。

2）实际焊接过程中，焊接电流、电压和速度并非保持不变，而是时刻波动的，这会对焊缝的热输入造成影响。在数值模拟中，这种情况显然无法模拟，因此假设焊接电流、电压和速度保持不变。

3）通常，焊丝的材料与母材材料不同，因此焊缝的热物理参数也会与母材有所区别。由于焊缝是焊丝材料与母材材料相互熔合产生的，实际性能难以测得，因此假设焊缝的热物理参数与母材一致。

4）实际焊接时，焊件会与夹具、支持物相接触，两者的热传导系数与夹具或支持物的材料与温度有关，而且接触位置也难以表达。为了简化模型，假设焊件的所有外边界仅与空气发生对流换热。同时，由于辐射换热的影响相比之下很小，因此不予考虑。

5）通常，材料的物理性能会随着温度的变化而发生改变，而且变化往往是非线性的。这种严重非线性的热物理参数会导致计算收敛困难，因此，在给出材料的热物理性能参数时，仅给出一些关键点的数值，并假设各关键点之间物理参数是线性分布的。

6）假设环境温度为20℃，工件的初始温度也为20℃。

几何模型的建立

实际几何模型的尺寸会对有限元模型的复杂性产生影响，进而影响计算的效率。由于实际钢结构立柱的尺寸很大，划分网络后单元数量庞大，导致计算时间过长，为此，将几何模型按比例进行缩小。用ANSYS的前处理器建模过程复杂，因此先在NX11中绘制三维模型后，再导入ANSYS中进行后续操作。本文所模拟的焊接结构为钢结构立柱，截面为口字形，具有对称性，故只取一半分析，其几何模型的示意图如图1所示。焊接接头的坡口形式为V形坡口，坡口角度为60°，共五层焊缝，其中下三层为单道焊，上两层为两道焊。为了便于计算和划分网格，将焊道近似处理为规则形状，即不考虑焊缝余高。图1中，A向为焊缝中心沿焊接方向的视图，即焊缝横截面。