超薄箱型構(gòu)件中寬厚比對焊接殘余應(yīng)力的影響研究

韓亮 王佳銘 張展碩 王井坡 劉欽旭

摘 要 超薄箱型構(gòu)件廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)生活各個(gè)領(lǐng)域，通過ANSYS仿真軟件模擬出不同寬厚比下構(gòu)件殘余應(yīng)力的分布，對于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化、減輕構(gòu)件重量、節(jié)約成本及后期的維護(hù)保養(yǎng)都有十分重要的意義。

關(guān)鍵詞 超薄;寬厚比;殘余應(yīng)力

箱型結(jié)構(gòu)在生產(chǎn)實(shí)踐中有著廣泛的應(yīng)用，如鋼結(jié)構(gòu)建材、機(jī)車轉(zhuǎn)向架、斗桿等，但是由于焊接殘余應(yīng)力的存在，會(huì)使得箱形結(jié)構(gòu)產(chǎn)生變形和裂紋，影響使用，因此研究箱型結(jié)構(gòu)焊接殘余應(yīng)力的控制，對于提高使用性能具有重要意義。同時(shí)由于試驗(yàn)條件和成本等多方面原因，不可能對所有的大型箱型結(jié)構(gòu)都進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，所以通過有限元方法進(jìn)行模擬，既節(jié)省了大量的時(shí)間和成本，又能準(zhǔn)確地反映出殘余應(yīng)力的分布規(guī)律，減少工作量。

隨著薄壁壓桿和壓彎構(gòu)件在超大、超高結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用，現(xiàn)代工程愈來愈朝向減少鋼材用量，通過鋼材自身的屈服強(qiáng)度和寬厚比來增強(qiáng)工程質(zhì)量。根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》，箱形截面軸心受壓構(gòu)件的腹板高度和厚度比值

，但對于超薄壁箱型結(jié)構(gòu)，超出了《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》中對于寬厚比規(guī)范要求，目前進(jìn)行的科學(xué)研究還不是很多。箱型焊接結(jié)構(gòu)像其他焊接結(jié)構(gòu)一樣，在焊接過程中由于急劇地非平衡加熱及冷卻，箱型構(gòu)件將不可避免地產(chǎn)生殘余應(yīng)力，進(jìn)而出現(xiàn)裂紋，在裂紋出現(xiàn)后會(huì)使工作零件逐漸形成疲勞性裂紋和應(yīng)力腐蝕性裂紋。因此，科學(xué)地、定量地預(yù)測焊接應(yīng)力規(guī)律，并在此基礎(chǔ)上給予最優(yōu)控制，不僅對于箱型構(gòu)件自身，而且對其他焊接構(gòu)件也有重要意義[1]。

1 試驗(yàn)

本文采用的鋼材是Q235鋼，箱型構(gòu)件的尺寸為：L=500mm，b=400mm，h=420mm，b/t=40，hw=400mm，hw/tw=40。

利用有限元軟件ANSYS進(jìn)行仿真模擬分析。簡化模擬環(huán)境，同時(shí)利用APDL語言，這種語言編寫的命令流可以建立智能化的分析過程，自動(dòng)完成復(fù)雜的分析計(jì)算過程，可以實(shí)現(xiàn)參數(shù)化模型與分析過程的建立和擴(kuò)展[2]。

2 模擬過程

首先建立模型，然后劃分網(wǎng)格，進(jìn)行穩(wěn)態(tài)分析，之后加載8道焊縫并冷卻。

3 結(jié)果分析

由圖1，圖2可見，最大拉應(yīng)力產(chǎn)生在內(nèi)部焊縫的中心處，最大壓應(yīng)力產(chǎn)生在內(nèi)部焊縫焊根處。

可見，除焊縫附近有較大的壓應(yīng)力外，距焊縫較遠(yuǎn)處的應(yīng)力值趨向于穩(wěn)定，且不超過10MPA，說明焊縫對遠(yuǎn)處（尤其是其他焊縫）的殘余應(yīng)力值影響較小，可以忽略。

根據(jù)圖5 VON MISS等效應(yīng)力場可以看出，應(yīng)力的分布狀態(tài)僅在焊縫附近較大[3]。

4 結(jié)束語

本文針對超薄箱型構(gòu)件進(jìn)行了焊接過程模擬分析，建立了箱型構(gòu)件的有限元模型，數(shù)值模擬結(jié)果為合理利用復(fù)雜、大型構(gòu)件提供了參考方法，具有重大意義。

參考文獻(xiàn)

[1] 汪建華，魏良武.焊接變形和殘余應(yīng)力預(yù)測理論的發(fā)展及應(yīng)用前景[J].焊接，2001，（9）：4-6.

[2] 陳楚，汪建華，楊洪慶.非線性焊接熱傳導(dǎo)的有限元分析和計(jì)算[J].焊接學(xué)報(bào)，1983，（3）：139-148.

[3] 肖順湖.薄板焊接過程數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)研究[D].南寧：廣西大學(xué)，2005.

*[基金項(xiàng)目] 營口理工學(xué)院2019年校級(jí)科研項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：YYL201920）。