高強(qiáng)鋼厚板結(jié)構(gòu)件焊接接頭殘余應(yīng)力與變形的理論預(yù)測.pdf

1、低合金高強(qiáng)鋼因其具有較高的強(qiáng)度、良好的綜合力學(xué)性能和加工性能等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用在橋梁工程、建筑結(jié)構(gòu)、輸電塔、海洋平臺、船舶制造等領(lǐng)域中。焊接是鋼結(jié)構(gòu)制造中最常用的連接方法，然而，由于焊接溫度場的不均勻性以及焊接中材料力學(xué)行為的高度非線性，使得鋼結(jié)構(gòu)件中不可避免地產(chǎn)生焊接殘余應(yīng)力和變形。此外，鋼結(jié)構(gòu)件一般尺寸較大，試件較厚，在焊接時常采用多層多道焊。多層多道焊時單道焊縫之間存在熱循環(huán)交替作用，相鄰焊層之間也存在熱處理作用，致使最終的焊接殘

2、余應(yīng)力分布與變形比單道焊更為復(fù)雜。焊接殘余應(yīng)力不僅會導(dǎo)致焊接裂紋的產(chǎn)生，使疲勞強(qiáng)度降低，甚至?xí)T發(fā)結(jié)構(gòu)件的脆性斷裂。同時，焊接變形不僅會降低構(gòu)件的制造精度，引起構(gòu)件的裝配問題，還會因矯正構(gòu)件變形而增加成本，延長制造周期。因此，開展對高強(qiáng)鋼厚板焊接結(jié)構(gòu)件中的殘余應(yīng)力分布和變形的相關(guān)研究，對于鋼結(jié)構(gòu)的安全性評估具有非常重大的意義。
　　本研究以有限元軟件MSC.Marc為平臺，首先開發(fā)了適用于模擬平板單道堆焊接頭的焊接溫度場、殘余應(yīng)力

3、和變形的熱-彈-塑性有限元計(jì)算方法。利用所開發(fā)的計(jì)算方法，計(jì)算了Q345平板堆焊接頭的溫度場和應(yīng)力應(yīng)變場，研究了焊接熱輸入和熱源模型對單道堆焊接頭焊接殘余應(yīng)力和變形的影響。然后，開發(fā)了用于預(yù)測厚板多層多道焊接過程的熱-彈-塑性有限元計(jì)算方法，采用數(shù)值和試驗(yàn)的方法對平板對接K型接頭、考慮了焊前預(yù)變形的T型接頭的焊接殘余應(yīng)力分布和變形情況進(jìn)行了詳細(xì)研究，分析了殘余應(yīng)力和變形的形成機(jī)理和演變過程，并探究了熱源模型對平板對接 K型接頭殘余應(yīng)力和

4、變形的影響。此外，通過數(shù)值模擬和試驗(yàn)相結(jié)合的方法研究了焊接順序?qū)ζ春?H型鋼對接接頭殘余應(yīng)力分布和變形的影響。結(jié)果表明：移動熱源和瞬間熱源的殘余應(yīng)力計(jì)算結(jié)果非常相近，然而瞬間熱源計(jì)算得焊接變形結(jié)果明顯偏小，但瞬間熱源能明顯節(jié)約計(jì)算時間，提高計(jì)算效率；隨著焊接熱輸入的增加，殘余應(yīng)力的峰值和分布趨勢大致相同，只是拉伸應(yīng)力區(qū)域?qū)挾扔兴龃?。橫向收縮和角變形都隨著焊接熱輸入的增加而增大；厚板對接接頭多層多道焊時在焊縫及其附近呈現(xiàn)縱-橫雙向高拉應(yīng)

5、力狀態(tài)，而在厚度方向的應(yīng)力值相對較??；K型坡口先焊一側(cè)焊接時角變形隨著焊道數(shù)增加而不斷增加，在焊接后焊一側(cè)時，由于焊道布置的幾何特征，角變形被部分抵消；T型接頭在焊縫及其附近區(qū)域表現(xiàn)為三向應(yīng)力狀態(tài)，且在腹板和翼緣板中央應(yīng)力都呈拉-壓-拉交替分布狀態(tài)；在先焊一側(cè)焊接變形不斷增大且增大的幅度逐漸減小，后焊一側(cè)焊接時變形被抵消逐漸減小且減小的幅度遠(yuǎn)小于先焊一側(cè)；焊接順序?qū)?H型鋼腹板殘余應(yīng)力的影響較為明顯，焊接順序既可以改變應(yīng)力分布的形狀，又