基于ANSYS的钢拱桥的钢箱焊接残余应力数值模拟

摘 要：以钢箱角焊为例，利用ANSYS软件对焊接过程应力场进行了有限元模拟。分析时采取了有效措施保证求解的准确性和收敛性，计算结果较合理。

关 键 词：焊接；有限元；ANSYS，应力场

Simulation of Welding Residual Stress of Steel-box Arch Bridges Based on ANSYS

SUN Fubin1 ,TANG Xiaoxi2

(1，School of Civil Engineering，Shenyang Jianzhu University，Shenyang，china ，110168 ；2，Zhongboxin Engineering Cost Ltd,Co Liaoning Shengyang China， 110168）

Abstract: Corner-steel welding and stress fields were simulated with ANSYS code.In analysis some effective measures were taken to ensure solution convergence and accurate result, the calculated result is results more reasonable.

Key words:welding;finite element;ANSYS;stress field

0 引言

钢箱梁采用全焊结构，充分体现了焊接结构的优点，它不需要在钢材上打孔钻眼，既省工又不减损钢材截面，使材料可以充分利用；密封性好，结构刚度大等。但同时它也带来了焊接造成的结构的初始缺陷。

焊接初始缺陷可分为2种：焊接残余应力和焊接残余变形。这种焊接初始缺陷是评价结构强度的基础，因而格外受到人们的重视研究[1-2]。从物理观点看， 焊接残余应力和焊接变形两者紧密相关，但长期以来，对它们的研究和分析却是相互独立地进行的，并已有了很大程度的发展。本文的重点是研究焊接初始缺陷对钢箱梁受力的影响，不必预测焊接变形，焊接结束后残余变形可直接由测量仪器得到，而残余应力的大小及分布则难以测量出。多年来，随着焊接技术的成熟和应用的日益广泛，人们一直试图从试验和理论两方面对焊接残余应力的大小及分布给出解释[3-5]。若在一块板上焊接几块板，即存在几条焊缝，这些焊缝间的相互影响难以通过解析分析方法得到。这时一般通过 2种方式解决：一是通过实验测定；二是运用有限元模型计算机仿真求解。本文重点研究运用通用有限元软件ANSYS对其进行计算机数值仿真分析的具体方法与过程。

1 焊接残余应力的计算机数值仿真分析方法

1.1 简化模型

在模拟复杂实际问题时，需要针对所研究的问题，简化有限元模型，并能给出有参考价值的结果。在实际的计算应用中，常采取以下几种简化方式[6]:

(l) 将焊接计算的三维模型简化成为二维的，可以通过采用轴对称假，把实际的问题简化为杆元或者收缩力模型;

(2) 简化结构构件的几何形状、约束和加载条件;

(3) 将材料的非线性热弹性-粘塑性可以简化为线性热弹性;

(4) 将焊接的瞬态过程可简化为准稳态的过程;

(5) 使热过程和力学过程分离;

(6) 忽略部分裂纹和缺陷的形成;

(7) 不考虑高温时发生的熔化、凝固相，和随后的低屈服应力时发生的相变过程;

(8) 仅用热膨胀系数和比热容表示低温相变;

(9) 对坡口形状及焊层结构进行简化;

(10) 不考虑蠕变和硬化，并且简化屈服规律;

(11) 用快速移动的热源或瞬时总热量代替热源的运动，并且不考虑运动方向上的热传导;

对于各种情况下的模型简化能否接受，主要取决于对模型简化后是否能够回答所要讨论的核心问题。我们一般采用最重要的简化措施是降低维数。针对我们所研究的具体问题，对全焊钢箱梁焊接的残余应力的分析，ANSYS的有限元模型作了如下简化：

1） 用板平面内薄膜板元模型代替三维有限元模型，主要分析板面内的膜力。

2）利用单元的生死控制模拟热源的运动。

3）利用各温度点下的部分材料特征值( 包括屈服应力与弹性模量) 线性简化了材料特征值随温度变化的关系，对随温度变化不大的材料的热物理及 力学特征值如密度、热膨胀系数、泊松比、热传导率取为常数。

4） 材料的本构关系采用理想弹塑性模型。

5）变形是弹塑性的，不考虑蠕变。

6）不考虑显微组织转变引起的应变。

1.2仿真分析

要计算焊接产生的残余应力，必须弄清楚 2个问题 ：① 焊接本身是一个热传导过程，焊接的过程伴随着钢板温度场的变化；② 焊接的过程又伴随着钢板应力应变场的变化，并且温度场和应力应变场是相互耦合的，且温度场对应力应变场是强耦合作用，而应力应变场对温度场是弱耦合作用。大型通用有限元分析软件ANSYS正是有着多场耦合分析的强大功能。这里只需用到它的热-结构耦合分析功能即可。

ANSYS提供了2种分析耦合场的方法：直接耦合与间接耦合。在计算焊接残余应力时，不同的模型可以采用不同的方法，这在文献[6][7]中都有运用。这里采用了直接耦合法。运用ANSYS特有的plane13单元对下面一细晶结构钢的对接焊进行了分析。这里首先介绍一下plane13单元的特点，再具体分解有限元分析过程。

1.2.1 plane13单元的特点

plane13作为一种二维耦合场单元，具有压电场，电场，温度场，二维磁场以及结构场多场耦合分析的功能。plane13单元具有4个节点，并且每个节点最多有4个自由度，即y方向和x方向的矢量磁势自由度、电势自由度、温度自由度以及平动自由度。可通过对关键字的定义来选择需要的自由度，plane13有应力刚化和大变形功能。当只进行纯结构分析时，plane13单元还具有大应变功能。单元具体几何形状见图。

图1PLANE13单元图示

1.2.2确定钢材的热物理和力学特征值

在整个焊接过程中，构件经过了高温到冷却的过程，而钢材的热物理和力学特征值是随温度变化的，必须正确的反映这个过程，通过参考文献[8]得到细晶结构钢热物理和力学特征值见表 1 。

表 1 细晶结构钢的热物理和力学特性

温度/

℃ 弹性模量/GPa 屈服应力/MPa 比热容C

/（J• • ）

材料密度/( • )

热膨胀系数/W• •

热传导系数/W• •

泊松比

20 210 345 420 7850 1.48E-05 34 0.3

500 175 180 720 7850 1.48E-05 34 0.3

800 50 30 830 7850 1.48E-05 34 0.3

1200 10 10 400 7850 1.48E-05 34 0.3

1500 1 5 400 7850 1.48E-05 34 0.3

1.2.3计算模型的建立

在确定了材料的力学和物理特征值后，建立钢箱焊接的ANSYS有限元模型。由于箱型截面是轴对称图形，所以在简历模型时，只需要建立四分之一模型即可[9]。模型的截面尺寸如图2所示，底板厚0.04m，宽1.0m，箱腹板厚0.04m，高1.0m，热源移动速度为10mm/s，钢板的初始温度为室温20℃，钢板表面对流换热系数为100W/（•℃），焊接构件的热输入量由单元的温度输入，每个单元的焊接初始温度为1500℃[9]。

在对单元进行网格划分时，将热源附近焊接部位网格划密些，距热源较远的部位的网格可以相对划分疏些。对材料和温度应力相应过程中，运用双线性随动强化准则，在材料进入屈服后，设它的切线模量是0。本文为了模拟构件焊接的整个过程，使用ANSYS的生死单元技术，每过一段时间，时间的多少由单元划分大小和构件焊接的速度决定，逐个地激活单元，直至最终完成焊接。 建立有限元模型如图2、图3所示。

在对焊接残余应力计算前，必须注意焊接模型的边界条件，由于本文是热―结构耦合场的分析，需要分别赋予焊接模型以位移边界条件和热边界条件。热边界条件只是大致的考虑了热对流对焊接的影响，而忽略了热辐射的影响；但对位移边界条件来说，不能够进行简单的忽略，既要求不可限制焊接钢板在所计算应力方向上的自由收缩； 又必须要满足计算的收敛性。本文充分的考虑上述条件对模型进行了合理的约束。

图2钢拱桥箱形截面 图3焊接区域模型

2. 计算结果

文献[1][2]对箱型截面的焊接残余应力的分布特点有具体的描述。其分布特点既是在焊缝及附近产生数值较大的拉应力，且在焊缝中心拉应力达到最大值接近钢板的屈服应力，远离焊缝的部位表现为压应力。

为便于与文献[1][2]中提供的残余应力分布作比较，在模型中选取如图所示路径观察。

图4映射路径图示

图5 路径1-1残余应力值图示 图6 路径2-2残余应力值图示

通过选取路径上各节点的应力值，可得到钢板沿横截面的纵向残余应力图，该图应力分布与文献[1][2]中的应力分布图示相稳合。

3.结论

（1）、计算结果表明，全焊钢箱梁薄钢板焊接采用板单元分析是可行的。可以利用ANSYS软件的生死单元技术模拟焊接的过程，并能得到较为准确的箱型截面焊接残余应力的大小和规律。

（2）、由图5和图6所示的路径1-1和路径2-2知，残余应力的分布规律基本相同，最大残余应力出现在焊缝区域为拉应力，远离焊缝区域为压应力，因焊接部位不同应力数值而有所不同。

（3）、路径1-1的最大残余应力为356.2MPa，接近材料的屈服强度，路径2-2的最大残余应力为711.2MPa。因为路径2-2经过焊缝区域所以应力较大。远离焊缝区域显示为压应力数值较小。

参考文献：

[ 1 ]陈绍蕃.钢结构稳定设计指南[ M] .北京:中国建筑工业出版社，1996．

[ 2 ]C.A．库兹米诺夫.王承权译.船体结构的焊接变形[M].北京：国防工业出版社，1978．

[ 3 ]Vinokurov. V. A, Welding stresses and distortion [ M].Wetherby:British Library,1977

[ 4 ]汪建华，陆皓．焊接残余应力形成机制与消除原理若干问题的

讨论[ J ].焊接学报，2002，(6)：75―79．

[ 5 ]Masubuchi．K，Analysisofweldedstructures[M].New York： Pe r g a mo n Press．1980．

[ 6 ]薛勇，张建勋．基于ANSYS软件的焊接变形工程预测[ c]．中国工程建设焊接协会第八届年会论文集，2001，(9)：25―26．

[ 7]梁晓燕，罗金华，杜汉斌，等．基于ANSYS平台焊接模拟中不同焊接热源的比较[J]．电焊机，2003，33(3)：29―32．

[ 8 ]D．拉达伊．熊第余，郑朝云，史耀武译，关桥校．焊接热应力――温度场、 残余应力、变形[M].北京：机械工业出版社，1997．

[9 ] 吴爱萍，任家烈，方慧珍，鹿安理，任维佳，箱型结构焊接残余应力的数值模拟研究. 第三届计算机在焊接中的应用技术交流会论文集.1995.

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。