熱軋H型鋼焊接殘余應(yīng)力數(shù)值模擬

于 辰，梁清香，崔小朝，張 柱

(太原科技大學(xué)，應(yīng)用科學(xué)學(xué)院，太原 030024)

熱軋H型鋼是一種斷面力學(xué)性能優(yōu)良的經(jīng)濟(jì)型斷面鋼材，截面模數(shù)大、重量輕、節(jié)省金屬，可使建筑結(jié)構(gòu)減輕30-40%[1]，其消費(fèi)行業(yè)從最初的工業(yè)廠房已經(jīng)普及應(yīng)用到鋼結(jié)構(gòu)住宅。但熱軋H型鋼長(zhǎng)度一般都是定尺12 m，因此根據(jù)實(shí)際結(jié)構(gòu)要求的長(zhǎng)度需要切割和對(duì)接，焊接是常用的對(duì)接形式之一。

焊接過程中，焊縫區(qū)域快速高溫加熱隨后又快速冷卻。在焊接加熱的過程中，焊縫及周邊區(qū)域溫度變化急劇，在焊縫固液相變時(shí)還存在潛熱現(xiàn)象，屬于非線性熱傳導(dǎo)問題[2]。焊接產(chǎn)生的殘余應(yīng)力會(huì)使鋼結(jié)構(gòu)的某些部位提前進(jìn)入塑性狀態(tài)[3]，將會(huì)影響整個(gè)結(jié)構(gòu)的極限承載力，因此研究不同焊縫形式下的殘余應(yīng)力分布，對(duì)提高鋼結(jié)構(gòu)的承載力有實(shí)際意義。

根據(jù)工程實(shí)際，結(jié)合H型鋼結(jié)構(gòu)特點(diǎn),本文分析的平接焊縫形式列于表1.為敘述方便,文中對(duì)焊縫形式進(jìn)行了命名。

表1 焊縫形式
Tab.1 Forms of the weld

焊縫名稱焊接形式第一類型焊縫(平接直焊)第二類型焊縫a第三類型焊縫a第四類型焊縫a第五類型焊縫a

1 H型鋼平接直焊殘余應(yīng)力數(shù)值模擬

1.1 結(jié)構(gòu)尺寸和材料屬性

以第一類型焊縫(平接直焊)為例，建模所用H型鋼截面尺寸高度H=250 mm，寬度B=250 mm，長(zhǎng)度4 000 mm，腹板厚度t1=14 mm，翼緣厚度t2=14 mm，焊縫寬度均為8 mm.焊縫區(qū)位于H型鋼總長(zhǎng)的一半處，結(jié)構(gòu)尺寸如圖1所示。

圖1 第一類型焊縫形式焊接試件結(jié)構(gòu)尺寸
Fig.1 Size of the first kind of welding specimen

模型中采用Q235鋼，其材料的物理性能參數(shù)見表1.焊縫采用E43焊條，其物理性能同Q235鋼。密度為7 800(kg/m3)，泊松比為0.3，傳熱系數(shù)為16.3[W/(m· ℃)]，線膨脹系數(shù)為1.06(1/ ℃) ，比熱容為[J/(kg· ℃)]，其它材料屬性見表2.

表2 Q235鋼材料屬性
Tab.2 Q235鋼 Material properties

溫度/ ℃彈性模量/Pa屈服極限/Pa應(yīng)變硬化模量/Pa302.09×10112.35×1082.06×1092001.90×10112.00×1081.87×1095001.72×10111.6.0×1081.71×1098001.00×10117.50×1070.75×10910005.00×1091.20×1071.00×10615001.00×1091.00×1071.00×106

1.2 有限元模型

焊接時(shí)溫度和應(yīng)力變化大，應(yīng)加密網(wǎng)格。為減少計(jì)算量，焊縫兩側(cè)鋼板長(zhǎng)度方向按2 mm單元長(zhǎng)度劃分。整個(gè)模型單元總數(shù)279 336，節(jié)點(diǎn)數(shù)328 923，有限元網(wǎng)格劃分如圖3.

本文采取熱-結(jié)構(gòu)順序的耦合分析方法，先進(jìn)行熱分析，再以熱分析為基礎(chǔ)進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析[4]。熱分析中采用8節(jié)點(diǎn)六面體熱單元SOLID70.由于熱單元SOLID70與結(jié)構(gòu)單元SOLID185單元形狀相同，結(jié)構(gòu)分析中可直接將SOLID70單元替換為SOLID185單元進(jìn)行殘余應(yīng)力分析[5]。

圖2 有限元模型網(wǎng)格劃分
Fig.2 Mesh of FEM model

圖3 第一類型焊縫形式焊接試件路徑圖
Fig.3 Path of the first kind of welding specimen

1.3 溫度場(chǎng)分析

設(shè)室溫為30 ℃，碳鋼的焊接溫度為1 450 ℃～1 500 ℃，故設(shè)焊縫兩側(cè)鋼板初始溫度30 ℃，焊縫初始溫度1 500 ℃.取換熱系數(shù)為50 W/(m2·K).

由于本文主要分析比較各種焊縫形式產(chǎn)生的焊接殘余應(yīng)力，故對(duì)焊接過程只做簡(jiǎn)單模擬。具體步驟為：首先進(jìn)行穩(wěn)態(tài)分析，得到溫度的初始條件：對(duì)焊縫施加1 500 ℃的溫度荷載，對(duì)焊縫兩側(cè)鋼板施加30 ℃的溫度荷載，分析時(shí)間為0～1S，時(shí)間步長(zhǎng)1S.接著進(jìn)行焊縫區(qū)域液固相變瞬態(tài)求解：刪除上一步施加的溫度荷載，施加對(duì)流換熱荷載，分析時(shí)間為1～100 S，時(shí)間步長(zhǎng)10 S.最后進(jìn)行焊縫區(qū)域凝固冷卻過程瞬態(tài)求解:分析時(shí)間為100～5 000 S，時(shí)間步長(zhǎng)100 S.5 000 S后構(gòu)件溫度冷卻為室溫30 ℃.

1.4 應(yīng)力場(chǎng)分析

將溫度場(chǎng)分析所用的熱單元轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的結(jié)構(gòu)單元進(jìn)行應(yīng)力場(chǎng)分析，所以焊接溫度場(chǎng)的分析是焊接應(yīng)力場(chǎng)分析的基礎(chǔ)[6]。焊接殘余應(yīng)力是焊接應(yīng)力場(chǎng)分析最后一個(gè)冷卻步的結(jié)果。為方便表達(dá)焊接殘余應(yīng)力的分布，以第一類焊縫形式為例，并建立如圖3所示的坐標(biāo)系。在冷卻5000 S(材料冷卻為室溫)后得到橫向、縱向應(yīng)力云圖如圖4所示，分別取六條路徑的橫向、縱向應(yīng)力值，所取路徑如表3所示。路徑1-6的橫向、縱向殘余應(yīng)力分布如圖5所示，其中1號(hào)線表示縱向殘余應(yīng)力，2號(hào)線表示橫向殘余應(yīng)力。

(a)橫向應(yīng)力云圖

圖4 殘余應(yīng)力場(chǎng)
Fig.4 Field of residual stress表3 路徑1-6
Tab.3 The 1-6 path

路徑應(yīng)力值1點(diǎn)O(0,0,0)至點(diǎn)A(0.125,0,0)2點(diǎn)A(0.125,0,0)至點(diǎn)C(0.125,-0.125,0)3點(diǎn)A(0.125,0,0)至點(diǎn)E(0.125,0,0.125)4點(diǎn)C(0.125,-0.125,0)至點(diǎn)G(0.125,-0.125,0.125)5點(diǎn)D(0,-0.014,0)至點(diǎn)B(0.125,-0.014,0)6點(diǎn)B(0.125,-0.014,0)至點(diǎn)F(0.125,-0.014,0.125)

從圖中可以看出：

(1)由翼板上表面沿焊縫方向的路徑1和下表面沿焊縫方向的路徑5可以看出，翼板邊側(cè)焊接殘余應(yīng)力較大，向中部靠近時(shí)殘余應(yīng)力逐漸減小，接近中部又逐漸上升?？v向焊接殘余應(yīng)力的最大值出現(xiàn)在路徑1，為75.7 MPa，位于翼板上表面焊縫邊側(cè)處，橫向焊接殘余應(yīng)力的最大值出現(xiàn)在路徑5，為73.4 MPa，位于翼板下表面焊縫距邊側(cè)112 mm處。

(2)路徑3、6、4分別位于翼板上、下表面和腹板中部并均垂直于焊縫方向。翼板上表面的縱向殘余應(yīng)力峰值最高，翼板下表面的橫向殘余應(yīng)力峰值最高。三條路徑的橫、縱殘余應(yīng)力最終都趨于零，即隨著與焊縫距離的增加，焊接殘余應(yīng)力逐漸消失。

(3)路徑2貫穿翼板和腹板并沿腹板焊縫方向?？梢娫谝戆鍏^(qū)域，殘余應(yīng)力變化比較大，峰值也出現(xiàn)在此處，進(jìn)入腹板區(qū)域時(shí)，殘余應(yīng)力趨于穩(wěn)定。

2 五種焊縫形式等效應(yīng)力場(chǎng)

焊縫形式如表1所示，取a=200 mm，焊縫寬度均為8 mm.冷卻后的等效殘余應(yīng)力場(chǎng)分布如圖6所示：

由于在ANSYS中的參數(shù)均按照國(guó)際單位制輸入，所以下圖中得到的殘余應(yīng)力單位為Pa，圈中的位置為最大殘余應(yīng)力所在位置。

(a)路徑1

(c)路徑3

(e)路徑5

圖5 路徑1-6橫向、縱向殘余應(yīng)力分布
Fig.5 Transverse and longitudinal residual stress of the 1-6 path

(a)第一類型(b)第二類型

(c)第三類型(d)第四類型

(e)第五類型

圖6 等效應(yīng)力場(chǎng)
Fig.6 Equivalent stress field
表4 最大等效焊接殘余應(yīng)力
Tab.4 Maximum equivalent of welding residual stress

焊縫類型最大殘余應(yīng)力值/MPa第一類型焊縫76.4第二類型焊縫54.2第三類型焊縫51.4第四類型焊縫63.6第五類型焊縫54.5

3 結(jié)論

(1)冷卻后，焊縫及其附近具有較大的拉應(yīng)力，隨著與焊縫距離的增加，拉應(yīng)力逐漸轉(zhuǎn)變成壓應(yīng)力，這與理論分析[7]相一致。說明本文數(shù)值模擬的結(jié)果是可靠的。

(2)不同焊縫形式焊接后的殘余應(yīng)力相差較大。平接直焊時(shí)殘余應(yīng)力最大；第三類型焊縫形式殘余應(yīng)力最小，為平接直焊殘余應(yīng)力的67.3%；第二類型焊縫形式(45°平接斜焊)簡(jiǎn)單，其殘余應(yīng)力也較小，為平接直焊殘余應(yīng)力的70.9%，應(yīng)是實(shí)際中優(yōu)先選擇的焊縫形式。

(3)分析結(jié)果可繼續(xù)用于不同焊縫形式下熱軋H型鋼的承載力分析。