螺旋焊与对接焊的有限元模拟

采用有限元软件ANSYS中生死单元技术对螺旋焊和对接焊焊接过程进行数值模拟,得出两种焊缝焊接残余应力、退火应力、退火温度场的分布规律及大小,为该类焊接工艺的改进及焊接结构的变形控制提供有益的帮助．     

螺旋焊与对接焊的有限元模拟

采用有限元软件ANSYS中生死单元技术对螺旋焊和对接焊焊接过程进行数值模拟,得出两种焊缝焊接残余应力、退火应力、退火温度场的分布规律及大小,为该类焊接工艺的改进及焊接结构的变形控制提供有益的帮助.     

Numerical Simulation Analysis of Welded Joints in Arch Ribs of Large Span Steel Pipe Arch Bridges

大跨径钢管拱桥拱肋钢管焊接接头数值模拟分析

何德二¹,邓年春^1,2,彭修宁^1,2

(1.广西大学 土木建筑工程学院,广西 南宁530004;2.广西防灾减灾与工程安全重点实验室,广西 南宁530004)

摘要：为研究大跨径钢管混凝土拱桥拱肋的焊接接头的残余应力分布规律,本文以某钢管混凝土桥为背景,采用ABAQUS分别对外径1400 mm,厚度26 mm的7层、8层、9层焊缝拱肋钢管焊接接头环焊缝进行温度场、应力场和变形数值模拟,并论证数值模拟的准确性。研究了钢管焊接温度变化、残余应力分布、不同工艺残余应力变化规律,预测焊后残余应力分布和变形。结果表明：温度场数值与试验结果比较吻合,论证焊接数值模拟准确性,焊接过程主要以热传导形式传热;高拉应力区分布于FZ和HAZ,由焊缝中心沿着轴向路径残余应力值呈现减小趋势,且最大应力出现在FZ与HAZ交界;焊接层数对残余应力分布有着影响,焊接层数增加残余应力出现减小趋势,同时FZ及HAZ高应力区域范围缩小;焊层数的增加会增加残余变形量。

关键词：钢管混凝土拱桥;拱肋;多道焊;残余应力;数值模拟

     

钢结构对接焊缝数值模拟及参数分析

基于ANSYS有限元软件采用了双椭球热源模型、CO₂气体保护焊的焊接工艺,通过生死单元法模拟热源移动,建立了桥梁钢结构的焊接有限元模型,进行了对接焊缝的数值模拟分析,并与实验结果进行对比验证了模拟的可靠性。在此基础上研究了对接焊缝在坡口形状、X型坡口多层焊的焊接顺序、焊接速度、焊件厚度、焊接坡口角度、焊枪的施焊方向等不同因素下残余应力的变化情况。结果表明：相比于其他坡口的焊接,X型坡口焊接残余应力较小,多层焊情况时,X型坡口采用对称焊更有利;板厚、焊速的增加,坡口角度的减少及采用分中对称焊方法都能减少焊接残余应力的产生。     

焊接工艺对波形钢腹板焊接细节残余应力的影响

为得到一种较优的波形钢腹板-翼缘板焊件焊接工艺,以头道河大桥为工程背景,采用ABAQUS建立了3种不同加载工况下的焊接数值计算模型,得到了焊接过程中焊件的温度场变化,并对比了单面焊件在不同焊接顺序下的纵向残余应力分布,分析了单面焊件和双面焊件在折角区域焊缝的纵向残余应力分布,考虑了变截面对关键细节纵向残余应力的影响。结果表明：焊缝附近的等效残余应力接近Q345钢材的屈服应力,不容忽视;合理的焊接顺序能够降低单面焊件在折角区域焊缝的纵向残余应力;对于双面焊件,先焊一侧的焊缝应力水平低于单面焊件的,而后焊一侧的焊缝应力水平则高于单面焊件的,为减小折角焊缝区域的纵向残余应力,建议采用先焊折角圆弧外侧,再焊圆弧内侧的双面焊焊接工艺;关键细节的纵向残余应力与翼缘板厚度呈负相关。     

不锈钢汽车排气管激光焊接残余应力

为了提高不锈钢管的冷加工成形性能,进一步优化相应焊接工艺,在对汽车排气管激光焊接温度场进行数值模拟研究的基础上,分析激光焊接汽车排气管残余应力.在考虑网格的疏密过渡以及材料力学性能参数随温度的变化条件下,分析激光焊接不锈钢管残余应力演变过程及分布特点,即滚轮挤压量越小,平均残余应力越小,但容易出现咬边和未焊透,在局部产生应力集中,更容易在焊接管冷加工时出现开裂;激光焊接线能量减小,轴向残余应力区域变窄,峰值应力增加.将激光焊接残余应力与钨极氩弧焊(TIG)+激光焊的残余应力进行对比实验,结果表明,不锈钢管TIG+激光焊残余应力与激光焊接具有相似的分布,分布区域相对变宽,焊轴向残余应力比激光焊接小,提高了焊接管冷加工成型性能.     

厚钢板对接焊接三维有限元数值模拟与分析

采用有限元数值模拟方法,建立考虑热-固耦合效应的钢板对接焊接的三维有限元模型,运用生死单元技术模拟焊接全过程,从焊接残余变形和残余应力的角度,验证了分析模型的有效性,并分析了板件边界约束、焊接层数与道数、板件厚度、焊接顺序以及施工工艺对计算结果的影响。探讨了简化计算的可能性与正确性,并考虑了保温和设置支撑等施工工艺对焊接施工的影响。研究成果可为设计与施工提供一定的参考。     

丁字接头的温度场和应力场的有限元模拟

利用有限元分析软件，通过合理的简化丁字接头焊件，建立有限元分析模型，并进行了相应的网格化。模拟了焊接过程中丁字接头的温度场和残余应力，并将残余应力的模拟值和经验值进行了比较，证明该方法是一种经济而有效的焊接残余应力预测方法，可为制定焊接工艺以及控制残余应力提供一定的指导。     

基于超声波调控的残余应力分析

利用盲孔法测量不同焊接材料在有、无焊后消应力处理的表面堆焊焊缝残余应力,并对不同材料的堆焊试板进行焊后应力测试.结果表明:不锈钢堆焊试板的焊接残余应力大于碳钢堆焊试板的残余应力;不锈钢焊接材料堆焊试板经超声波消应力后残余应力有所下降;碳钢堆焊试板消应力效果更为突出,消应力后的平均最大残余主应力较消应力前下降了80％.     

基于状态空间的多工位船体主板装焊过程建模

针对船体主板装焊过程中形成的偏差流影响装配质量问题,分析了零件几何形位偏差、零件定位偏差、对接焊偏差和重定位偏差这四类偏差,结合上述偏差在工位之间的变化、累积与传递规律,在三维坐标系中以零件参考点偏差作为状态向量,零件测量点偏差作为输出向量,利用状态空间模型构建数学表达式;利用Ansys和Matlab软件,通过多元线性回归分析,着重分析定位偏差与对接焊产生的焊接偏差之间的关系,掌握了偏差影响装配质量的规律.最后利用某造船厂实际主板的装焊过程为例进行验证,表明该模型对船体主板精度控制是有效的.     

热焊工艺对2. 2 5 C r 1Mo钢应力腐蚀性能的影响

针对石化设备常用材料2. 2 5 C r 1Mo钢, 分别在7 5 0℃和8 5 0℃的工艺温度下利用热焊工艺方法对其 进行焊接, 采用盲孔法测定了各焊接试件的焊接残余应力, 利用电化学工作站分别测量了焊接试板在碱性、 酸性和 中性腐蚀介质中的腐蚀速率, 通过金相分析了焊缝区显微组织变化。结果表明, 热焊工艺降低了2. 2 5 C r 1Mo钢焊件 的焊接残余应力, 提高了其在各种介质中的抗应力腐蚀性能; 随着工艺温度的升高, 焊接残余应力下降幅度增大, 抗 应力腐蚀性能提升显著; 在8 5 0℃的工艺温度下, 焊接残余拉应力降低6 0%以上, 抗应力腐蚀性能提升3 0%以上。 同时, 焊接后焊缝区显微组织得到改善, 力学性能得到保证。     

考虑焊接残余应力的钢桥面板U肋焊接处局部应力分析

为研究正交异性钢桥面板的顶板与U肋焊缝连接处残余应力及与外荷载组合作用下的局部受力特征,针对宽体钢箱梁工程实例,基于热弹塑性有限元法对该焊缝的施焊过程进行了数值模拟,分析了焊接过程中温度场和应力场的变化；以初应力的方法实现了焊接残余应力与外荷载作用的组合。研究结果表明：面板下缘垂直于焊缝方向的残余拉应力峰值接近材料的屈服强度,远离焊缝的区域应力急剧减小,焊趾处的横向残余应力要明显大于焊根处；由面板上缘至下缘,纵向残余应力由压应力变为拉应力,横向残余应力呈现出“拉应力-压应力-拉应力”的交替变化趋势；以初应力的方式考虑残余应力,稳定应力场的相对误差可控制在5.0%以内；自重与二期恒载对焊缝区局部应力场的分布特征和焊根及焊趾处的应力极值的影响不大(1.7%以内)；外荷载中考虑局部对称轮载作用且未考虑焊接残余应力在外荷载作用下的消散情况时,焊根及焊趾处垂直于焊缝的横向应力极大值最大分别可增大10.7%、17.6%；焊接残余应力及与外荷载组合作用下,焊趾及焊根位置处沿面板厚度应力的分布符合“直线+抛物线”的规律。     

油浆蒸汽发生器管板与换热管焊缝处焊接残余应力模拟

基于ANSYS平台,对油浆蒸汽发生器管头处焊接工艺进行温度场的数值模拟,得到焊缝附近温度场的分布情况;将温度场的结果逐步加载到焊缝上,得到管头处焊接残余应力的分布情况。模拟结果对焊接件内部残余应力的检测能起很好的辅助作用,不仅能大大节省焊接残余应力的检测时间,而且对焊接工艺的优化有较好的参考价值。     

油浆蒸汽发生器管板与换热管焊缝处焊接残余应力模拟

基于ANSYS平台,对油浆蒸汽发生器管头处焊接工艺进行温度场的数值模拟,得到焊缝附近温度场的分布情况;将温度场的结果逐步加载到焊缝上,得到管头处焊接残余应力的分布情况。模拟结果对焊接件内部残余应力的检测能起很好的辅助作用,不仅能大大节省焊接残余应力的检测时间,而且对焊接工艺的优化能有较好的参考价值。     

屈服刚度法测试焊接残余应力的试验方法

目的为了解决钢结构构件内部残余应力难以测试的问题,确定焊接梁板类构件内部残余应力的分布规律.方法基于屈服及刚度衰减条件,提出了通过试验测定焊接残余应力分布的屈服刚度法.采用该方法以对接焊钢板及焊接工字型梁为对象,进行了纵向焊接残余应力分布的试验测试.结果将试验结果与有限元数值模拟结果进行对比分析,二者吻合较好.屈服刚度法能够很好地确定板类及梁类焊接构件的纵向焊接残余应力分布规律,通过试验确定了带焊缝工字型梁翼缘和腹板的纵向焊接残余应力分布规律.由于单侧施焊,残余应力值较小,与实际情况比较吻合.结论该方法简单、精确,具有很强的工程实用和推广价值,为钢结构设计提供一定的依据.     

焊接顺序对工字梁焊接变形影响的数值计算

制定合理的焊接顺序方案可以减弱工字梁焊接过程中的焊接变形,减少焊后对变形矫正所需的时间和生产成本,优化焊接生产工艺。文章设计了4种不同焊接顺序的方案,采用SYSWELD软件计算了工字梁焊后1 h的应力场,并对比分析焊后工字梁中变形及残余应力的分布,研究了焊接顺序对焊接变形及残余应力的影响规律。结果表明:不同焊接顺序对焊接变形及焊后残余应力分布的影响差异不大,焊接变形主要发生在翼板600～700 mm位置处,焊后残余应力主要集中在焊缝区及近缝区;从最大焊接变形量和残余纵向应力峰值来看,采用腹板两侧焊缝同时焊接为最佳方案,最大变形量仅为0.62 mm,而其他焊接方案产生的焊接变形量约为最小变形量的2倍,此方案残余应力虽然相比其他方案的峰值较大,但每种方案焊后残余应力主要为拉应力,均需要进行焊后消应力处理。     

拘束焊接头应力应变的数值计算

采用有限元法对拘束焊进行模拟分析,发现拘束焊在有效控制焊接残余角变形的同时并不会使残余应力有很大增加,从而证明了拘束焊控制残余角变形的有效性、可行性。通过对不同厚度钢板的拘束焊问题的研究,计算出了不同厚度钢板拘束焊时所需的拘束力和拘束长度。利用最小二乘法,总结出了拘束力和拘束长度与板厚之间的简单关系,可用以指导实际生产。     

基于ANSYS的MONEL-400合金中厚板CMT数值模拟

为获得中厚板CMT残余应力分布规律,进一步了解CMT焊接的优越性,基于ANSYS有限元分析软件,以体生热率做热源,以"生死单元技术"模拟焊缝的生成,对MONEL-400平板CMT焊接进行数值模拟.通过分析模拟结果得到CMT焊接温度场和应力场;通过分析残余应力数据发现CMT对焊件的纵向应力影响较大,该方向在焊缝中心产生的最大残余应力达261 MPa;通过与普通对接焊模拟结果对比发现,CMT可减小焊接塑性变形区的宽度,焊件性能更优越.     

拘束焊接头应力应变的数值计算

采用有限元法对拘束焊进行模拟分析，发现拘束焊在有效控制焊接残余角变形的同时并不会使残余应力有很大增加，从而证明了拘束焊控制残余角变形的有效性、可行性。通过对不同厚度钢板的拘束焊问题的研究，计算出了不同厚度钢板拘束焊时所需的拘束力和拘束长度。利用最小二乘法，总结出了拘束力和拘束长度与板厚之间的简单关系，可用以指导实际生产。     

6061-T6铝合金光纤激光焊接的数值模拟和实验

为了解决铝合金对接接头光纤激光焊的质量问题,采用热弹塑性有限元技术模拟焊接过程中的试样温度和应力变化,研究试样瞬态温度场和应力场变化规律及其分布特征,探讨激光功率和焊接速度对焊接质量的影响规律。实验采用的激光焊接系统,可实现快速预热并在充满氮气的密封腔中完成焊接过程。实验选取数值模拟确定的激光功率和焊接速度值,焊接完成2 mm厚6061-T6铝合金板对接接头。光纤激光焊接头的上下表面焊缝形貌平整连续,拉伸疲劳断口位于焊缝一侧的热影响区(HAZ)。模拟结果为光纤激光焊的机理研究和优化光纤激光焊接工艺提供了支持。