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        廈漳大橋(南汊)錨拉板焊接殘余應(yīng)力有限元分析

        2013-08-29 10:41:52伍賢智石峻峰陳東波
        交通科技 2013年4期
        關(guān)鍵詞:坡口焊縫耦合

        胡 娟 伍賢智 石峻峰 何 浩 陳東波

        (1.長安大學(xué)公路學(xué)院 長安 710064;2.中鐵大橋局集團武漢橋梁科學(xué)研究院有限公司 武漢 430034;3.湖北工業(yè)大學(xué) 武漢 430068;4.中交第二航務(wù)工程勘察設(shè)計院有限公司 武漢 430071)

        1 大橋錨拉板概況

        廈漳跨海大橋南汊主橋索梁錨固結(jié)構(gòu)采用錨拉板式錨固方式[1],錨拉板所有材料采用Q370qD。錨拉板直接焊接在工字型主梁的上翼緣,其厚度方向承受拉應(yīng)力,主梁上翼緣鋼材的Z向性能和焊接的熱影響區(qū)是最為薄弱的環(huán)節(jié);而且錨拉板的焊縫相互交叉、焊縫形式多樣,對于厚板焊接,拘束度大,殘余應(yīng)力場復(fù)雜、殘余應(yīng)力大,將會較大程度地降低焊接接頭的疲勞強度和韌性。因此,對錨拉板的焊接殘余應(yīng)力采用數(shù)值方法計算殘余應(yīng)力的大小及其分布形式,為焊接參數(shù)的選擇提供參考。

        由于焊接過程模擬分析的復(fù)雜性,需要反復(fù)進行非線性迭代運算,故對錨拉板三維整體焊接分析非常困難,本文主要針對錨拉板上的P3焊縫局部進行三維模擬分析。P3焊縫形式及其施焊順序見表1~2。

        表1 P3焊縫形式

        表2 坡口角焊縫施焊狀況

        2 溫度-應(yīng)力耦合有限元分析

        利用耦合場分析方法[2]研究2種或多種物理場的交叉作用和相互影響,耦合分析有2種方法:直接耦合方法及順序耦合方法。直接耦合方法利用包含所有必須自由度的耦合單元類型,僅僅經(jīng)過一次求解即可得出耦合場分析結(jié)果。

        直接耦合的耦合矩陣方程為

        在矩陣中,耦合效應(yīng)要考慮非對角子陣K12和K21的影響,(X1,X2)是2種不同場類型的自由度。在本文中,焊接殘余應(yīng)力計算分析采用直接耦合方法。

        3 溫度應(yīng)力的計算

        溫度應(yīng)力是指當(dāng)物體由于溫度升降受到約束或各個部分的溫度變化不均勻時,物體內(nèi)部就會產(chǎn)生應(yīng)力。物體的溫度改變時,溫度變形為線應(yīng)變,若把溫度改變產(chǎn)生的線應(yīng)變視為物體的初始應(yīng)變,則它的三維問題表達式為

        式中:φ0為初始溫度場;α為材料的熱膨脹系數(shù);φ為結(jié)構(gòu)的穩(wěn)態(tài)溫度場或瞬態(tài)溫度場。

        4 錨拉板焊縫殘余應(yīng)力分析

        4.1 P3焊縫有限元模型

        應(yīng)用ANSYS提供的Solid5耦合單元,運用單元生死技術(shù)模擬焊接過程,采用高斯熱源函數(shù),通過熱-結(jié)構(gòu)耦合分析功能進行焊接過程的仿真分析,計算焊接過程中的溫度分布和應(yīng)力分布以及冷卻后的焊縫殘余應(yīng)力[3]。

        對于P3焊縫具有多個焊道,從坡口底部沿焊道向上逐步完成焊接,在整個模擬過程按照實際焊道劃分焊縫單元,材料為雙線性隨動強化準則。P3焊縫焊接的2塊試板尺寸為:40mm×400mm×500mm,20mm×400mm×500mm,為了研究方便,沿坡口從上到下在焊接方向取3條路徑,分別為Path1,Path2,和Path3,有限元模型見圖1~圖3。

        圖1 焊接模型

        圖2 焊縫圖

        圖3 在截面上選取5點

        4.2 分析結(jié)果

        通過計算得到焊接過程中溫度和應(yīng)力分布的演變過程,規(guī)律性比較明顯,坡口焊接的溫度經(jīng)歷從高到低的過程,變形受到約束而產(chǎn)生殘余應(yīng)力。在焊接過程中,局部最大殘余應(yīng)力可以達到575 MPa,出現(xiàn)的位置在焊料內(nèi)部。焊接完成后的最大局部永久殘余應(yīng)力為365MPa,位于坡口焊縫邊緣焊料與母材相接觸的位置,見圖4,圖5。由于3條應(yīng)力路徑都是選擇在坡口焊縫的母材表面,最大的局部殘余應(yīng)力沒有超過200MPa。整個焊接模擬過程所得到的結(jié)果比較合理,能夠為真實的焊接操作提供一定的依據(jù)。

        圖4 最終殘余應(yīng)力云圖

        圖5 最終路徑Path1應(yīng)力曲線

        圖6~圖9為在坡口焊縫的端部截面和中間截面的相應(yīng)位置所取的5個點的應(yīng)力與溫度時程曲線,從圖中可以看到每條曲線有幾個明顯的峰值,這和焊道數(shù)是對應(yīng)的。每次施焊點達到這個位置時,溫度和應(yīng)力就會出現(xiàn)峰值,隨著溫度下降到常溫,應(yīng)力最后也逐漸趨于一個穩(wěn)定值。

        圖6 端部截面5點應(yīng)力時程曲線

        圖7 中間截面5點應(yīng)力時程曲線

        圖8 端部截面5點溫度時程曲線

        圖9 中間截面5點溫度時程曲線

        圖10~圖13為分別在3條路徑上取的10個點的應(yīng)力及溫度時程曲線,可以看到隨著焊道的推移,各點的應(yīng)力和溫度此起彼伏,最后都趨于一個穩(wěn)定值,端部的殘余應(yīng)力比較大。由于施焊是從下向上,所以Path3上的各點首先會出現(xiàn)應(yīng)力和溫度最大值。

        圖10 Path1上各點應(yīng)力時程曲線

        圖11 Path2上各點應(yīng)力時程曲線

        圖12 Path3上各點應(yīng)力時程曲線

        圖13 Path1上各點溫度時程曲線

        從曲線及云圖中可以看到,焊縫周圍的最終殘余應(yīng)力并未達到材料的屈服值,殘余應(yīng)力與材料的熱力學(xué)參數(shù)、焊道的劃分、施焊的順序都有關(guān)系。

        由于在計算模擬中,采用單元生死來模擬焊道的焊接過程,真實地反映了實際焊接過程。焊縫內(nèi)所有單元在開始計算前被殺死,即單元剛度非常小。在計算過程中,將不同道次被“殺死”的單元按道焊的先后順序“激活”,模擬各道次焊縫金屬的填充過程。

        上述圖中反映了施焊過程中溫度變化過程,在焊接當(dāng)前焊道時,溫度最高,隨后,在焊接下一個焊道時,此焊道溫度逐漸降低。圖中也可以看到等效殘余應(yīng)力的變化過程,在焊接過程中,由于在焊縫周圍的殘余變形較大,所以最大殘余應(yīng)力主要位于母材與焊料之間的位置。

        5 結(jié)語

        采用ANSYS有限元軟件對錨拉板P3焊縫焊接過程進行仿真分析,得到焊縫周圍局部最大焊接殘余應(yīng)力達到365MPa,已經(jīng)超過材料的屈服強度。從相關(guān)文獻資料可知,焊接過程中的材料殘余應(yīng)力接近或達到材料的屈服強度屬于正常現(xiàn)象,焊接殘余應(yīng)力對結(jié)構(gòu)的影響應(yīng)該與外荷載應(yīng)力結(jié)合起來考慮。

        [1]重慶交通科研設(shè)計院,福建省交通規(guī)劃設(shè)計院,中交第一公路勘察設(shè)計研究院有限公司聯(lián)合體.廈漳跨海大橋施工圖設(shè)計[Z].重慶:重慶交通科研設(shè)計院,2009.

        [2]王勖成.有限單元法[M].北京:清華大學(xué)出版社,2004.

        [3]中鐵大橋局集團武漢橋梁科學(xué)研究院有限公司.廈漳跨海大橋斜拉橋主橋錨拉板受力機理理論分析和模型試驗研究[R].武漢:中鐵大橋局集團武漢橋梁科學(xué)研究院有限公司,2012.

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