1.1研究目的及意义

随着建筑物高度的不断刷新，对高层建筑高强度钢的焊接质量要求日益增加^[1]。本课题根据超高层钢结构对接接头焊接过程的特点，利用ANSYS软件建立相应的有限元模型，实现对超高层钢结构对接接头焊接过程的有限元数值模拟^[2]，有助于其焊接质量的提高。

建筑钢结构往往体量庞大，工程焊接量巨大，一旦产生较大较复杂的焊接变形，受施工现场的条件限制，将消耗大量人力物力，耗费大量工时，严重影响工程进度和建设成本^[3]。不合理的焊接工艺或焊接顺序可能导致结构在焊接后发生脆性断裂，造成废品。所以，为了减小焊接变形的产生，避免进行焊后变形矫正以及残余应力消除工作，有必要对焊接变形和残余应力进行研究，掌握其在构件制作加工和结构安装过程中的发生规律，在设计和施工方案制定阶段采用合理的手段加以控制。

伴随着建筑钢结构产业的蓬勃发展，我国钢结构建设者通过大量的工程实践，已经在控制钢结构残余应力和焊接变形方面积累了大量经验，为今后类似的工程焊接进行定性的分析判断，制定焊接施工方案。这类通过工程建设积累到的经验，无法全面掌握焊接残余应力和焊接变形产生的规律，无法对新型构件起到定量的指导作用，具有局限性。

半个多世纪以来，为了深入研究焊接残余应力和焊接变形，大量的研究人员投身于此。研究人员们在一系列假设条件下，对一部分典型焊接结构进行数学建模，得出了解析解，随后通过试验和实际生产获得的结果对解析解参数进行修正，优化得到残余应力和焊接变形的数学表达式。专家学者们将长期获得的理论成果和实际工程经验总结成焊接手册，服务于实际生产。但是，随着设计越来越复杂，焊接手册往往无法对手册内容以外的复杂焊接结构进行十分有效的指导。伴随着计算机技术的发展，研究人员开发出了适用于焊接的数值模拟技术，并应用于研究焊接变形和残余应力的研究中，为相对较复杂的焊接结构生产提供定量指导，节约了生产成本，缩短了工期。

数值模拟已经在各理工学科中得到广泛应用，带动了各个学科的快速发展。数值模拟技术也渗透到了焊接中，在焊接的各研究分支中应用十分深入。

数值模拟是通过建立相应的计算模型和根据热传导理论与应力应变场理论建立条件假设，运用有限元等分析方法对构件的焊接过程进行模拟与计算^[4]。使用数值模拟方法预测焊接残余应力与变形，适用于各种大小型复杂焊接结构的焊接过程预测，既可以降低试验成本，又能深入了解焊接残余应力与变形产生的机理，为降低、控制焊接残余应力与变形提供可靠的量化数据。用数值方法模拟真实的焊接过程，常常被称为“数值试验”^[5]。利用生产中积累的试验数据，与数值模拟相结合，再通过适当的试验验证，可以得到准确合理结果，并可优化所关心的参数，实现最优的控制和最大的经济效益。

数值模拟技术的使用，为焊接施工提供了定量的工程指导，降低了焊接的成本和潜在风险，节约了工期。同时，研究人员可以模拟焊接全过程，对焊接现象进行全过程的深入分析和理解。然而，焊接数值模拟技术并未在结构工程中大量应用，原因在于建筑、桥梁焊接结构体量巨大，焊接量大，构造复杂，约束条件复杂，目前的数值模拟技术在研究此类结构焊接变形和残余应力问题时，计算效率低，计算时间长，时间成本很高，普通计算机几乎无法胜任该计算任务。

总之，对于结构工程而言，焊接数值模拟技术具有较重要的理论指导意义，随着计算机技术的发展，还会为实际生产建设带来重大的经济效益，应当受到相关单位的重视。希望在今后，焊接模拟技术能够更高效更广泛的应用于结构工程科研和生产活动中。

1.2数值模拟国内外发展现状