孔德煌，等：Ｔ型熔透焊接头残余应变有限元分析 Ｔ型熔透焊接头残余应变有限元分析 孔德煌 李成江何文汇 （中冶建筑研究总院有限公司，北京 １０００８８） 摘要：厚板在焊接过程中会产生较大的残余应力和变形，通过对不同形式的Ｔ型熔透焊接头的残余应变进行有 限元计算，分析了焊缝高度、钢板厚度、预热温度对接头残余应变的影响。 关键词：Ｔ型熔透焊；残余应变；有限元分析；影响因素 ＦＥＭ ＡＮＡＬＹＳＩＳ ＯＮ ＲＥＳＩＤＵＡＬ ＳＴＲＡＩＮ ＯＦ Ｔ－ＷＥＬＤＩＮＧ ＪｏＩＮＴＳ Ｋｏｎｇ Ｄｅｈｕａｎｇ Ｌｉ Ｃｈｅｎｇｊｉａｎｇ Ｈｅ Ｗｅｎｈｕｉ （Ｃｅｎｔｒａｌ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｂｕｉｌｄｉｎｇ ａｎｄ Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ，ＭＣＣ Ｇｒｏｕｐ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００８８，Ｃｈｉｎａ） ＡＢＳＴＲＡＣＴ：Ｔｈｉｃｋ ｐｌａｔｅ ｉｎ ｔｈｅ ｗｅｌｄｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ ｗｉｌｌ ｐｒｏｄｕｃｅ ｌａｒｇｅ ｒｅｓｉｄｕａｌ ｓｔｒｅｓｓ ａｎｄ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ．Ｔｈｒｏｕｇｈ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｏｎ ｒｅｓｉｄｕａｌ ｓｔｒａｉｎ ｏｆ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｆｏｒｍｓ ｏｆ Ｔ—ｗｅｌｄｉｎｇ ｊｏｉｎｔｓ，ｔｈｅ ｈｅｉｇｈｔ ｏｆ ｗｅｌｄｉｎｇ ｌｉｎｅ，ｔｈｅ ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ ｏｆ ｔｈｅ ｓｔｅｅｌ ｐｌａｔｅ，ｔｈｅ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｎ ｔｈｅ ｒｅｓｉｄｕａｌ ｓｔｒａｉｎ ｏｆ ｊｏｉｎｔｓ ｏｆ ｐｒｅｈｅａｔ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ａｒｅ ａｎａｌｙｓｅｄ． ＫＥＹ ＷＯＲＤＳ：Ｔ—ｗｅｌｄｉｎｇ ｊｏｉｎｔｓ；ｒｅｓｉｄｕａｌ ｓｔｒａｉｎ；ＦＥＭ ａｎａｌｙｓｉｓ；ｉｎｆｌｕｅｎｃｉｎｇ ｆａｃｔｏｒ １概述 ２．２有限元模型的建立 厚板在焊接过程中会产生较大的残余应力和变 假设模型为无限长，将其简化为平面模型，采用 形，有可能引发焊接裂纹，降低节点延性和强度。本 平面单元划分网格。使用Ｐｌａｎｅ ５５单元进行热计 文通过对不同形式的Ｔ型熔透焊接头的残余应变 算，Ｐｌａｎｅ ４２单元进行应力计算。为了保证计算精 进行有限元计算，总结出焊缝高度、钢板厚度、预热 度，在焊缝处采用加密网格，网格大小控制在０．２～ 温度对接头残余应变的影响。 ０．６ ｍｍ，在钢板处采用较疏的网格，网格大小为焊 缝处的２倍，采用自由划分单元。 ２有限元模型的建立和材料参数的选取 Ｔ型熔透焊接头的尺寸如图１所示，其中ｈ 为 ２．１ 焊接温度场与应力场的计算方法 焊缝高度；ｔ 和ｚ 分别为焊接钢板的厚度和宽度；ｔ 本文使用ＡＮＳＹＳ大型通用有限元软件进行焊 和ｚ。分别为被焊钢板的厚度和宽度。力学边界条 接温度场、应力场的模拟计算。 件为被焊钢板的左边约束ｚ方向的位移，下边约束 在ＡＮＳＹＳ软件中，计算焊接温度场、应力场的 Ｙ方向的位移。 方法分为直接法和间接法。本文采用了间接法进行 ！！ 数值模拟。间接法是首先进行热分析，然后将求得 的节点温度作为载荷施加在结构应力分析中。间接 法的主要步骤为： １）热分析。包括建模、热源输入、施加对流边 界条件和初始温度、确定时间步长、求解并保存热分 析结果。 ２）将热单元转化为相应的结构单元，设置结构 分析的材料属性以及前处理细节。 图１ Ｔ型熔透焊接头模型 ３）读入热分析的节点温度，命令为ＬＤＲＥＡＤ。 输入或选择热分析的结果，其文件名为＊．ｒｔｈ。 Ｔ型接头计算模型几何尺寸取值为： ４）设置参考温度，即节点焊接起始温度、预热 第一作者：孔德煌，男，１９８６年出生，硕士研究生。 温度。 Ｅｍａｉｉ：ｓｔｉａｎｏｗｅｎ＠１２６．ｃｏＹａ ５）求解及后处理。 收稿日期：２０１１—１２—１３ Ｓｔｅｅｌ Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ．２０１２（３），Ｖｏ１．２７，Ｎｏ．１５７ ２３ 科研开发 连接板厚度ｔ１取３０，４Ｏ，５０，６０ ｍｍ； 被焊板厚度ｔ２取３５，４Ｏ，５０，６Ｏ，７Ｏ，８０ ｍｍ； 焊缝高度ｈｆ取１５，２Ｏ，２５，３Ｏ，３５，４Ｏ，４５，５０ ｍｍ； 阶段极限应变￡ 一０．００１ ６３、屈服阶段极限应变为 １２ｅ 一Ｏ．０１９ ５６、极限应变为０．１５、弹性模量Ｅ。： ２．０５×１０ ＭＰａ、屈服后模量ＥＴ一１ ０３５ ＭＰａ、质量 密度Ｐ＝＝＝７ ８５０ ｋｇ／ｍ。、泊松比 一０．３。 ５）常温下（２０℃）焊缝（熔敷金属）的力学性能 参数［７］：屈服应力Ｏ＇ｙ一４２０ ＭＰａ、强化阶段极限应力 Ｔ一４６０ ＭＰａ、极限应力ｄｒｂ一５００ ＭＰａ、弹性阶段极 限应变ｅ ＝０．００２ ０５、屈服阶段极限应变４ｅ 一 连接板宽度ｚ 为厚度的３倍； 被焊板宽度ｆ 为厚度的６倍。 由以上数据组合，共分析了３Ｏ组接头在常温 （２Ｏ℃）下焊接的残余应变，并对其中３组模型设置 不同的焊接起始温度（６０，８０，１００，１２０℃），以模拟 预热后的效果。 十字型熔透焊接头可看作由两个Ｔ型熔透焊 接头组成。它的尺寸如图２所示，先焊上部的钢板， ０．００８ ２、极限应变２０ｅ 一０．０４１、弹性模量Ｅ。一 ２．０５×１０ ＭＰａ、屈服后模量ＥＴ１—６ ５０４ ＭＰａ、强化 阶段模量ＥＴ２—１ ２２０ ＭＰａ、质量密度ｐ一７ ８５０ ｋｇ／ ｍ。、冷却后再焊下部的钢板，这个过程采用生死单元模 拟。力学边界条件与Ｔ型熔透焊接头相同。 泊松比 一０．３。 热分析时对模型的边界施加对流边界条件。假 ２．４热分析边界条件 定环境温度为２０℃，对钢板来说，为了考虑耦合热 辐射对温度场的影响，对流换热系数ｈ一¨６ ｗ／（ｍ。・℃），取值偏大（一般为７０ Ｗ／（ｍ ・℃）左 右）。在分析过程中，由于热辐射难以模拟，而散热 机制可用热对流模拟，因此可通过提高对流换热系 数 的值来考虑热辐射的影响，而不再对热辐射进 行模拟。 ２．５ 热源功率 根据实际情况选用单元内部生热的热源模式， 即焊接热源通过假定焊缝单元的内部热生成施加到 图Ｚ十字型熔透焊接头模型 焊缝上，将有效的热输入量换算成焊缝单元在单位 ２．３钢板、焊缝（熔敷金属）材料参数 体积、单位时间上的热生成强度，如式（１）［ ： Ｑ＝ Ｖ １）钢板选用Ｑ３４５级低合金高强度结构钢。 ２）焊接工艺选用ｃＯ２气体保护焊，参数见表ｌ。 （１） 式中 ——电弧热效率，０．８； Ｕ——焊接电压，Ｖ； Ｉ——焊接电流，Ａ； ３）钢板、焊缝（熔敷金属）材料的热物理性能参 数见表２。 ４）钢板常温下（２Ｏ℃）的力学性能参数［５ ６１：屈 服应力 一３３５ ＭＰａ、极限应力ｄｒｂ一４７０ ＭＰａ、弹性 Ｖ——焊缝单元的体积，ｍ。。 表１ ＧＭＡＷ ＣＯ２（气体保护焊）焊接工艺参数 温度Ｔ／℃导热系数Ａ／（ｗ・Ｉｎ一 ・℃一 ） 密度ｐ／（ｋｇ・ｍ ） 比热容Ｃ／（Ｊ・ｋｇ ‘℃ ） 泊松比 线性膨胀系数￣／（１０ ・℃～ ） ２４ 钢结构 ２０１２年第３期第２７卷总第１５７期 孔德煌，等：Ｔ型熔透焊接头残余应变有限元分析 ３焊接残余应变的有限元计算结果 ３．１ Ｔ型熔透焊接头 趟娲镁 Ｏ ０ ０ Ｏ Ｏ ０ ０ Ｔ型熔透接头模型的塑性应变如图３所示。从 图３可以看出，接头的最大塑性应变位于焊缝下方 的被焊钢板处，离钢板表面约５．７６ ｍｍ深的焊缝根 部下方。 最大塑性应变反映了接头的焊接残余应变，其 数值见表３，其随焊缝高度的变化如图４所示，随被 焊钢板厚度的变化如图５所示。 ０ ０．０ｏ２ ４８８ ０．Ｏ０６ ２１９ ０．００９ ９５ 图３ Ｔ型熔透焊接头的塑性应变云图 表３ Ｔ型熔透焊接头残余应变 邋 Ｏ Ｏ ０ Ｏ Ｏ Ｏ Ｏ ０ ０ ０ 毗９ ｍ８ 毗７ ｌＯ ｌ５ ２Ｏ ２５ ３０ ３５们４５ ５ｏ 一 被焊钢板厚度／ｍｍ １一ｈｆ一１５ ｍｍ ２一ｈｆ一２Ｏ ｍｍ；３一ｈｆ一２５ ｍｍ； ４－－ｈｆ一３０ ｍｍ；５－－ｈｆ一３５ ｍｍ；６－－ｈｆ一４０ ｍｍ； 焊缝高度／ｍｍ １一‘２—３５ ｒａｍ；２一ｔ２；４０ ｍｍ；３～ｔ２＝５０ ｍｍ ４一ｔｚ＝６０ ｍｍ；５一ｔ２；７０ ｍｍ；６一ｔ２—８０ ｍｍ 图４ Ｔ型熔透焊接头残余应变随焊缝高度的变化 ７一ｈｉ一４５ ｍｍ；８一＾ｔ一５Ｏ ｍｍ 从图４可以看出，当钢板厚度一定时，Ｔ型熔透 焊接头焊接残余应变随焊缝高度ｈ 的增加呈线性 增长，可以近似地取ｈ 一５０ ｍｍ为界限，即焊缝高 图５ Ｔ型熔透焊接头残余应变随被焊钢板厚度的变化 热温度的限值。 度超过５０ ｍｍ，接头的残余应变不再增加。 从图５可以看出，当焊缝高度一定，钢板厚度ｔｚ 为３５￣７０ ｍｍ时，Ｔ型接头焊接残余应变随ｔ。的增 加呈线性增长。ｔ。＞７０ ｍｍ时，残余应变变化很小， 可近似取７０ ｍｍ为界限，即钢板厚度超过７０ ｍｍ， 接头的残余应变不再增加。 ３．２预热Ｔ型熔透焊接头 温度，℃ １一ｔ２—４０ ｍｍ；２一ｔ２—６Ｏ ｍｍ；３一ｔ２—８０ ｍｍ 不同预热温度下Ｔ型熔透焊接头的残余应变 随预热温度的变化如图６所示。与室温下焊接相 图６预热Ｔ型熔透焊接头残余应变随温度的变化 比，预热６Ｏ，８０，１００，１２０℃后，最大残余应变分别降 低ｌ１ ，１９ ，２６ ，２７ 。在２０～１００℃范围内呈 ３．３十字型熔透焊接头 线性下降，大于１００℃后趋于稳定，可取１００℃为预 Ｓｔｅｅｌ Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ．２０１２（３），Ｖｏ１．２７，Ｎｏ．１５７ 十字型熔透焊接头的塑性应变如图７所示。从 ２５ 科研开发 图７可以看出，接头的最大塑性应变位于焊缝下方 的被焊钢板处。最大塑性应变反映了接头的焊接 残余应变，该十字型熔透焊接头的残余应变为 ０．０１４ １７２，与对应Ｔ型熔透焊接头的０．０１４ ０７７很接 当钢板厚度大于７０ ｍｍ时，残余应变增加０．４９ ， 可以７０ ｍｍ为界限。 ３）预热温度越大，Ｔ型熔透焊接头的残余应变 越小，预热温度每增加１Ｏ℃，残余应变减少 ３．０６ 。当预热温度大于１００℃时，残余应变减少 ０．９１ ，可以１００℃为界限。 近。从塑性区的分布可看出焊接上、下钢板时产生的 残余变形互不影响，所以十字型熔透焊接头的焊接残 余应变的计算可近似等同于Ｔ型熔透焊接头。 ４）十字型熔透焊接头的焊接残余应变的计算 可近似等同于Ｔ型熔透焊接头。 综上所述，接头的刚度越大，在焊接过程中，越 ｌ 不容易自由伸缩，残余应变就越大，但是有一定的限 值。高温会使钢材软化，从而降低残余应变，但是也 有一定的限值。本文计算结果对于防止厚板焊接层 状撕裂具有实用价值。 参考文献 『 ０ ０．００３ｌ４９ ０００６２９９ ０．ＯＯ９４４８ ０．Ｏ１４１７２ Ｅｌｉ ＧＢ／Ｔ ８１１０—２００８气体保护电弧焊用碳钢、低合金钢焊丝 图７ 十字型熔透焊接头塑性应变云图 ［ｓ］． ［２］Ｄ拉达伊．焊接热效应温度场、残余应力、变形ｌ－Ｍ］．熊第京， ４ 结论 译．北京：机械工业出版社，１９９７． 通过对不同形式的Ｔ型熔透焊接头残余应变 的有限元计算，可得出以下结论： Ｅ３３上田幸雄，村川英一，麻宁绪．焊接变形和残余应力的数值计 算方法与程序ＥＭ］．罗宇，王江超，译．成都：四川大学出版 社，２００８． １）焊缝高度越大，Ｔ型熔透焊接头的残余应变 越大。以５０ ｍｍ为界限，焊缝高度每增加５ ｍｍ，残 余应变增加６．８９％。 ２）钢板厚度越大，Ｔ型熔透焊接头的残余应变 越大，钢板厚度每增加ｌＯ ｍｍ，残余应变增加８．０８ 。 （上接第４页） 突然变小，节点位移迅速增大。如果继续加载，则由 Ｅ４］毕艳霞．Ｔ型接头焊接温度场与应力场的数值模拟ＥＤ］．杭 州：浙江大学，２００７． Ｅ５］ＧＢ ５００］７ ２００３钢结构设计规范［Ｓ］． －１６］ＧＢ／Ｔ １５９１—２００８低合金高强度结构钢［ｓ］． ［７］ＪＧＪ ８１ ２００２建筑钢结构焊接技术规范［Ｓ］． 构整体刚度和承载性能基本不变。但破断以后，随 着荷载增加，内圈脊索松弛，导致结构刚度突然变 小，结构整体破坏。 参考文献 ［１］唐建民，沈祖炎．索穹顶结构的静力性状分析ｌ－Ｊ］．空间结构， １９９８（４）：１７—２５． 其他未退出工作的单元继续承受荷载，不会再出现 索松弛退出工作现象。 ２）在半跨均布荷载作用下，随着荷载的增加，内 力最值出现的位置往往不是半跨荷载的中心。内两 圈的部分脊索松弛退出工作，导致结构刚度发生突 变，个别索松弛后会继续受力。 ３）鸟巢型索穹顶结构单根脊索、斜索、内圈环索 和压杆的破断不会导致结构整体破坏，具有很好的 防止意外破坏的能力。环索和压杆破断后会对结构 产生较大的影响甚至整体破坏，所以要尽量避免环 索和压杆的破断。 Ｅ２］卫东，陈听，沈世钊．Ｌｅｖｙ体系索穹顶结构的受力性能研究 ［Ｊ］．哈尔滨建筑大学学报，２００１，３４（８）：１１—１ ５． ［３］郑君华，袁行飞，董石麟．两种体系索穹顶结构的破坏形式及 其受力性能研究Ｉ－Ｊ］．工程力学，２００７，２４（１）：４４—５０． ［４］陈联盟，董石麟，袁行飞．Ｋｉｅｗｉｔｔ型索穹顶结构拉索退出工作 机理分析［Ｊ］．工程力学，２ｏ１０，１６（４）：２９—３３． Ｅ５３包红泽，董石麟．鸟巢型索穹顶结构的静力性能分析［Ｊ］．建 筑结构，２００８，３８（１１）：１１—３９． ４）外圈斜索破断会产生内力重分配，导致与之 Ｅ６］宋慧敏，惠颖．力密度法在索穹顶形态确定中的应用［Ｊ］．钢 结构，２００８，２３（９）：２６—２９． 相连的索杆内力和节点位移发生突变。断索前后结 ２６ 钢结构 ２０１２年第３期第２７卷总第１５７期