王艷寧 張 松 尹 越

(1.天津市市政工程設計研究總院，天津 300051;2.天津大學建筑工程學院，天津 300072)

1 概述

焊接是建筑鋼結構中連接的主要方式。在焊接施工過程中，由于材料相變、位移約束以及溫度場的不均勻分布等原因，致使焊接完成后的構件中存在殘余應力與變形，是影響焊接結構裂紋萌生和擴展、降低鋼材的力學性能的重要因素［1］。由于H型鋼具有較高的剛度和承載能力，同時節(jié)省鋼材，經濟效益明顯，在廠房和橋梁等領域應用廣泛［2］。分析其焊接生產過程中的溫度場和殘余應力場，初步掌握溫度的變化和應力的分布情況，對于焊接工藝的改進以及殘余應力的降低具有重要的理論與實踐意義。國內外對于焊接過程的有限元模擬已經有了一定的進展，例如，使用簡單的對接鋼板構件模擬焊接過程［3］，對鋼橋整體節(jié)點的有限元分析［4］等等。本文在大型通用有限元軟件ABAQUS熱—結構耦合功能的基礎上，應用了相應的焊接熱源子程序DFLUX，研究了普通H型鋼的焊接溫度場、殘余應力以及變形的分布。

2 有限元分析模型

2.1 焊接工藝與熱源

焊接采用手工電弧焊，工藝參數(shù)見表1。

表1 焊接參數(shù)

有限元分析中應用較廣的熱源模式有高斯分布熱源模型、雙橢球熱源模型以及基于單元生死的熱源模型。本文采用雙橢球熱源計算模式，熱源分布函數(shù)［5］為:

其中，a，b，c為橢球熱源的形狀參數(shù);Q為熱輸入功率;η為焊接效率，取0.8;U為電壓;I為電流;v為焊接速度;t為焊接時間。

2.2 有限元模型

H型鋼的幾何尺寸見圖1，構件長度方向取1 m。

圖1 幾何尺寸（單位:mm）

焊接材料采用Q235C鋼材，其物理性能在不同溫度下的數(shù)值不同，具體參數(shù)見表2［6］。

耦合場的分析方法分為直接法和間接法，應力以及變形場對溫度場分布的影響主要是變形熱，可以忽略不計，為了節(jié)省計算時間，采用間接耦合的方法進行分析，首先進行熱分析，然后將得到的溫度場結果作為荷載施加于熱力耦合分析的模型上［7］。

表2 鋼材性能隨溫度的變化

在焊接過程中，焊接構件與周圍環(huán)境之間存在熱量交換。溫度較低時以對流為主，溫度較高時以輻射為主。此分析中對流換熱系數(shù)為10 W/(m2·K)，環(huán)境溫度為20℃，黑度為0.85。

熱分析采用DC3D8單元，熱—力耦合分析采用C3D8單元。采用過渡網(wǎng)格，如圖2a)所示。

圖2 有限元模型

3 結果分析

本文主要應用節(jié)點的溫度—時間曲線和應力—路徑曲線來分析溫度場和殘余應力場，主要的溫度節(jié)點和應力路徑如圖2b)所示。

1)溫度場。圖3給出了H型鋼在焊接和冷卻過程中的溫度變化。在加熱過程中，熱源附近的溫度在2 500℃以上，大于材料的熔點1 500℃，如圖3a)，圖3b)所示。焊接溫度場的分布很不均勻，在熱源不斷的移動過程中，峰值溫度出現(xiàn)在熱源中心點處，在熱源附近區(qū)域的等溫線近似于一個橢圓形分布，熱源前方溫度急劇下降，梯度較大，后方溫度下降比較緩和，梯度較小。焊接結束冷卻4 000 s后構件的溫度都在30℃以下，如圖3c)所示，此時可以認為構件的殘余應力和變形不再發(fā)生變化。

圖4給出了H型鋼上翼緣和腹板間的焊縫1/4跨、1/2跨位置處溫度節(jié)點P1，P2溫度隨時間的變化曲線。當熱源接近節(jié)點時，溫度急劇升高，加熱過后逐漸冷卻至室溫。

圖3 H型鋼溫度場

圖4 H型鋼節(jié)點溫度—時間曲線

圖5 H型鋼殘余應力（單位：Pa）

圖6 H型鋼縱向應力—路徑曲線

2)殘余應力和變形。焊接殘余應力分為縱向應力、橫向應力、厚度方向上的應力。由于本文采用的模型鋼板厚度較小，而且采用單道焊，所以忽略應力沿鋼板厚度方向的變化。H型鋼的焊接殘余應力如圖5所示，Mises應力和縱向應力沿焊縫分布，主要集中在焊縫附近約60 mm范圍內。最大縱向應力分布在焊縫附近翼緣和腹板內，應力值約200 MPa～265 MPa。翼緣的橫向應力主要位于距離構件端部10 mm～20 mm近似圓形范圍內，最大值約為70 MPa～96 MPa。腹板橫向應力主要位于端部半橢圓范圍內，最大值約為105 MPa。從應力路徑圖中可以看出，縱向上，焊縫中間區(qū)段應力分布比較穩(wěn)定，應力值在200 MPa以上，超過材料的屈服極限，在構件兩端應力急劇下降為0，如圖6a)所示。橫向上，表現(xiàn)為焊縫附近受拉，鋼板邊緣受拉，但是根據(jù)內應力的性質，總體拉、壓應力在截面內是平衡的，如圖6b)，圖6c)所示。和橫向應力相比，縱向應力分布更廣，應力值更大，甚至超過了材料的屈服極限。由以上H型鋼焊接殘余應力分析結果與已有公認的工字鋼殘余應力進行對比，如圖7所示［8］，結果基本吻合，從而證明了本文所采用方法的正確性以及精確性。構件的最大變形位于翼緣邊緣位置處，最大值約為2.5 mm，腹板變形很小，可以忽略不計。最后殘余變形為兩翼緣呈現(xiàn)互相靠攏的趨勢，如圖8所示。

圖7 工字鋼縱向殘余應力分布

圖8 H型鋼變形圖（單位：m）

4 結語

本文在大型通用有限元軟件ABAQUS熱—結構耦合功能的基礎上，應用了相應的焊接熱源子程序DFLUX，研究了普通H型鋼的焊接溫度場、殘余應力以及變形的分布。初步得到以下結論:

1)本文的數(shù)值模擬結果與已有公認殘余應力分布吻合較好，從而證明了所用方法的正確性。

2)對于溫度場，峰值溫度出現(xiàn)在熱源中心點處，在熱源附近區(qū)域的等溫線近似于一個橢圓形分布，熱源前方溫度急劇下降，梯度較大，后方溫度下降比較緩和，梯度較小。

3)構件中縱向應力分布更廣，應力值更大，甚至超過了材料的屈服極限，應當引起足夠的重視。如果不進行有效的控制和消除，在結構開始使用受到其他荷載作用的時候將會很快的進入屈服狀態(tài)，影響結構性能的發(fā)揮。殘余應力同時存在拉應力和壓應力，而且在同一截面內拉壓、應力是自平衡的。

［1］方洪淵.焊接結構學［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2008.

［2］丁 陽.鋼結構設計原理［M］.天津:天津大學出版社，2004.

［3］Dean Deng.FEM prediction of welding residual stress and distortion in carbon steel considering phase transformation effects［J］.Materials and Design，2009(30):359-366.

［4］瞿偉廉，何 杰.鋼橋整體節(jié)點焊接殘余應力三維有限元分析［J］.橋梁建設，2009(4):28-31.

［5］陳家權，肖順湖，吳 剛，等.焊接過程數(shù)值模擬熱源模式的比較［J］.焊接技術，2006，35(1):9-11.

［6］倪紅芳，凌 祥，涂善東.多道焊三維殘余應力場有限元模擬［J］.機械強度，2004，26(2):218-222.

［7］VONG P K，RODGER D.Coupled electromagnetic thermal modeling of electrical machines［J］.IEEE Transactions on Magnetics，2003，39(3):1614-1617.

［8］中國焊接網(wǎng).焊接殘余應力及分布［OL］.http://www.chinaweld.com.cn/ONEWS.asp?id=510.