摘 要

如今常见的超高层建筑以钢结构为主，其内部结构通过焊接工艺来实现永久连接，所以超高层建筑能否保证其安全性，在很大程度上即为焊接接头是否能满足设计需求。本文借助ANSYS有限元模拟软件，针对超高层钢结构对接接头的焊接过程进行数值模拟，希望能借助数值模拟技术，完成此类焊接的工艺参数优化，在经济上能取得减少工程耗材、节省人力物力、缩短工期的成果，在安全上能保证焊接接头、建筑寿命符合设计要求，在社会上能得到人们认可。

本文主要通过焊接数值模拟技术来完成对超高层钢结构对接接头的焊接过程模拟，通过UG软件进行仿真模型建立，利用映射的方式在ANSYS软件中对模型进行网格划分，借助生死单元技术对焊缝添加均匀体热源，得到数值模拟结果。分析其温度场和应力场的模拟结果，优化焊接工艺参数。

关键词：超高层钢结构；对接接头；数值模拟；ANSYS

Abstract

Nowadays, the common super high-rise buildings are dominated by steel structures, and their internal structures are permanently connected through welding process. Therefore, whether the safety of super high-rise buildings can be guaranteed is largely determined by whether the welded joints can meet the design requirements. In this paper, with the help of ANSYS finite element simulation software, in view of the high-rise steel structure butt joint welding process is used to numerically simulate, hope to be able to with the help of numerical simulation technology, complete this kind of welding process parameters optimization, on the economy can be achieved to reduce engineering materials, save manpower material resources, shorten the construction period, welding joint, construction on safety can guarantee life conform to the requirements of the design, can be recognised by people in society.

In this paper, the welding process of butt joints of super-high rise steel structure is simulated by means of welding numerical simulation technology. The simulation model is established by UG software. The model is grid divided by means of mapping in ANSYS software. The simulation results of temperature field and stress field were analyzed, and the welding parameters were optimized

Key Words：High-rise steel structure；Butt joint；Numerical simulation；ANSYS

目 录

摘 要 II

目 录 4

第1章 绪论 2

1.1目的及意义 2

1.2国内外发展现状 4

1.3本文的研究内容 5

第2章 超高层钢结构对接接头数值模拟 6

2.1引言 6

2.2数值模拟理论基础 6

2.3仿真模型建立 6

2.3.1选材及其材料性能 6

2.3.2板材模型建立 7

2.3.3焊道规划 9

2.3.4网格划分 10

2.4温度场模拟 11

2.4.1温度场模拟的意义 11

2.4.2热源模型选择 12

2.4.3边界条件 13

2.4.4焊接参数选择 14

2.4.5"生死"单元技术 14

2.5应力场模拟 16

2.5.1 屈服准则 16

2.5.2边界条件 16

2.5.3热-结构耦合分析 17

第3章 仿真结果分析 18

3.1温度场分析 18

3.2应力场分析 19

第4章 结论与展望 21

4.1结论 21

4.2展望 21

参考文献 23

致 谢 25

第1章 绪论

1.1目的及意义

目前建筑物的高度在不断的刷新，对高层建筑使用的高强度钢的焊接质量要求日益增加^[1]。建筑钢结构通常体型宏达，实际生产中工作量繁重，在焊后一旦发生由参与应力引起的变形或开裂，受施工环境和返修难度的影响，将耗费大量的人力财力物力，浪费大量工时，严重影响工程本身进度和建设成本^[2]。在焊接工艺的制定中，焊后开裂的原因种类繁多，像不合理的焊接顺序、坡口大小及形状，都容易产生废品。所以，为了减少焊后变形的产生和焊接残余应力导致的焊后开裂等问题，研究焊接变形及残余应力就显得尤为必要，了解其在构件的加工制作和结构安装调试过程中的发生规律，在结构设计和现场施工方案的制定阶段，应采用有效的手段加以控制。

近年来建筑钢结构产业的发展迅速，依托于大量的实践基础，我国钢结构建设者在控制钢结构焊接变形和残余应力方面已经积累了大量经验，为今后类似焊接工程制定焊接方案、进行定性的分析判断提供了强有力的保障。然而这些来自于工程实践的经验具有很大的局限性，单凭这些经验无法完全掌握焊接变形和焊接残余应力产生的规律，无法对设计新型构件起到定量的作用。

近半个多世纪以来，各国都有很多研究人员前仆后继的投身于更深入的研究焊接变形和焊接残余应力的事业当中。这些先驱者在一系列假定条件下，通过数学建模仿真了一部分典型焊接结构，将通过试验或实际生产获得的结果与仿真得到的解析解进行对比，完成数学建模中参数的修正工作，从而得到了更为真实可靠地焊接变形和残余应力的数学表达式。虽然本领域的专家学者们为了更好地服务于生产，将长期的实验结果和数学建模获得的解析解总结编纂了焊接手册。但是，随着的工程的要求越来越高，结构设计变得越来越复杂，单凭经验总结出来的焊接手册在指导实际焊接生产生活中已经显得相形见绌。现如今，伴随着计算机应用技术的蓬勃发展，研究人员通过不懈的努力，在理工学科内，数值模拟技术已经越来越伟为人知晓，应用也愈发广泛，并且在各学科的不断使用中带动着理工学科的不断进步。与此同时，数值模拟技术在焊接中也有渗透，大量应用于焊接的各研究分支中，开发出了能应用于焊接过程的数值模拟技术，并投入到了焊接残余应力和变形的研究中，给予相对较为复杂的焊接结构生产提供定量指导，从而大幅度的节约了生产成本，提高了工程质量，缩短了工期。

数值模拟根据热传导理论、应力应变场理论结合相应的计算模型，同时完成条件假设的建立，通过有限元等分析方法模拟焊接过程^[3]。使用数值模拟方法提前能预测各种大小型复杂焊接结构的焊接过程，了解其焊后变形与残余应力的分布情况，通过数值模拟既可以大幅度地降低试验成本，又能深入了解焊接变形与残余应力产生的机理，为降低焊接变形与残余应力提供可靠的量化数据，同时能为控制焊接变形和残余应力提供研究方向。用数值方法来模拟实际的焊接过程，一般被称为“数值试验”^[4]。利用在实际生产中获得的大量试验数据，与数值模拟结果相结合，再辅以适当的试验验证，可以得到较为精准合理的结果，并可优化模拟中的相关的参数，从而实现最优的控制以及最大的经济效益。