高強鋼厚板結構件焊接接頭殘余應力與變形的理論預測.pdf

1、低合金高強鋼因其具有較高的強度、良好的綜合力學性能和加工性能等優(yōu)點，被廣泛應用在橋梁工程、建筑結構、輸電塔、海洋平臺、船舶制造等領域中。焊接是鋼結構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行為的高度非線性，使得鋼結構件中不可避免地產(chǎn)生焊接殘余應力和變形。此外，鋼結構件一般尺寸較大，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、余應力分布與變形比單道焊更為復雜。焊接殘余應力不僅會導致焊接裂紋的產(chǎn)生，使疲勞強度降低，甚至會誘發(fā)結構件的脆性斷裂。同時，焊接變形不僅會降低構件的制造精度，引起構件的裝配問題，還會因矯正構件變形而增加成本，延長制造周期。因此，開展對高強鋼厚板焊接結構件中的殘余應力分布和變形的相關研究，對于鋼結構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、殘余應力

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

4、變形的影響。此外，通過數(shù)值模擬和試驗相結合的方法研究了焊接順序?qū)ζ春?H型鋼對接接頭殘余應力分布和變形的影響。結果表明：移動熱源和瞬間熱源的殘余應力計算結果非常相近，然而瞬間熱源計算得焊接變形結果明顯偏小，但瞬間熱源能明顯節(jié)約計算時間，提高計算效率；隨著焊接熱輸入的增加，殘余應力的峰值和分布趨勢大致相同，只是拉伸應力區(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

5、力狀態(tài)，而在厚度方向的應力值相對較??；K型坡口先焊一側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)為三向應力狀態(tài)，且在腹板和翼緣板中央應力都呈拉-壓-拉交替分布狀態(tài)；在先焊一側焊接變形不斷增大且增大的幅度逐漸減小，后焊一側焊接時變形被抵消逐漸減小且減小的幅度遠小于先焊一側；焊接順序?qū)?H型鋼腹板殘余應力的影響較為明顯，焊接順序既可以改變應力分布的形狀，又