帶有真實(shí)焊縫的焊接結(jié)構(gòu)工作應(yīng)力分析*

龔 莎，谷金良，龔俊杰，蔡志華

(湖南科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，湖南 湘潭 411201)

0 引 言

近年來，焊接結(jié)構(gòu)以其自重輕、承載能力強(qiáng)、構(gòu)造靈活等優(yōu)點(diǎn)在車輛、船舶、建筑、工程機(jī)械和重型起重機(jī)吊臂等復(fù)雜工業(yè)產(chǎn)品和工程設(shè)施中得以廣泛應(yīng)用[1]。在使用彈塑性力學(xué)理論研究焊縫處應(yīng)力問題時(shí)，通常把焊縫處應(yīng)力分為焊接過程產(chǎn)生的殘余應(yīng)力以及承載下的工作應(yīng)力，針對(duì)工作應(yīng)力，目前國內(nèi)外研究學(xué)者在進(jìn)行靜載下工作應(yīng)力分析時(shí)，由于傳統(tǒng)CAD軟件對(duì)焊縫處還不具備模擬真實(shí)焊縫幾何建模的能力，往往忽略了焊縫處實(shí)際存在的工作應(yīng)力情況，會(huì)造成一定的數(shù)值誤差。國內(nèi)舒曉建[2]通過對(duì)實(shí)際工程中復(fù)雜圓管相貫節(jié)點(diǎn)進(jìn)行有限元分析，得出桿件相貫區(qū)域應(yīng)力集中現(xiàn)象顯著，眾多文獻(xiàn)中都說明了節(jié)點(diǎn)相貫區(qū)域是影響節(jié)點(diǎn)承載力的重要位置，并都進(jìn)行了靜載下有限元分析，但為了研究簡便，均對(duì)選取的模型作了不同程度的假設(shè)限定，如在建模過程中將母材與焊縫處按一整體建模，并采用同質(zhì)材料進(jìn)行分析，仿真分析中不考慮焊縫對(duì)節(jié)點(diǎn)承載力性能的影響[3-4]等假設(shè)，僅僅把模型的節(jié)點(diǎn)相貫區(qū)域采用較密的網(wǎng)格劃分來代替焊縫區(qū)域，經(jīng)過這些假定條件的限制，使計(jì)算結(jié)果難以得到安全保證。因此，為了能較為真實(shí)的模擬焊縫處工作應(yīng)力分析，利用UG二次開發(fā)的焊縫模塊進(jìn)行焊縫建模，對(duì)焊接模型進(jìn)行精確工作應(yīng)力分析，通過有無焊縫的焊接模型靜力學(xué)仿真對(duì)比，發(fā)現(xiàn)模擬真實(shí)焊縫的焊接模型計(jì)算結(jié)果更接近實(shí)驗(yàn)值，優(yōu)于無焊縫模型，無焊縫模型可能會(huì)低估節(jié)點(diǎn)的承載力。

1 焊縫建模

通過UG二次開發(fā)平臺(tái)，利用開發(fā)的焊縫建模模塊建立的T型圓管有焊縫結(jié)構(gòu)的模型如圖1(b)所示，這里要注意的是，所建立的焊縫充分考慮了焊劑溶入母材的情況，模擬真實(shí)焊縫的幾何體能直接從焊接結(jié)構(gòu)中提取，便于CAE分析計(jì)算。

圖1 T型圓管模型

此焊縫模型在仿真分析軟件中能十分方便的與之連接，其焊縫實(shí)體不存在裁剪曲面的情況，可以較容易在參數(shù)域中實(shí)現(xiàn)網(wǎng)格劃分。

2 焊接結(jié)構(gòu)有限元分析

對(duì)于屈服強(qiáng)度fy>420 MPa的高強(qiáng)度鋼材，規(guī)范EN1993-1-12:2007[5]進(jìn)行了附加規(guī)定，要求焊縫區(qū)域的強(qiáng)度小于母材金屬的強(qiáng)度。美國規(guī)范ANSI/AISC 360-10[6]要求焊縫處金屬強(qiáng)度和母材金屬強(qiáng)度相等。

2.1 有限元模型

為此建立了2組模型，其中一組為現(xiàn)文獻(xiàn)中常用來進(jìn)行靜力學(xué)分析的無焊縫T型相貫節(jié)點(diǎn)模型，如圖1(a)所示，一組為T型圓管結(jié)構(gòu)焊縫模型，如圖1(b)所示，各模型的具體幾何尺寸如表1所列。

表1 模型幾何尺寸 /mm

本節(jié)通過ANSYS有限元軟件對(duì)T型圓管進(jìn)行理想彈性數(shù)值計(jì)算，區(qū)別于傳統(tǒng)的焊接分析方法[7-8]，對(duì)母材和焊縫處分別定義其材料屬性，使之更精確的模擬試件焊后形態(tài)，分析過程中不考慮材料非線性以及焊接導(dǎo)致的殘余應(yīng)力等缺陷。

基于以上基本理論，為比較有無焊縫T型圓管在焊縫區(qū)域的應(yīng)力特性，考慮到焊縫處金屬與母材可能存在兩種不同的強(qiáng)度關(guān)系可設(shè)定為三種T型圓管模型：①無焊縫T型相貫節(jié)點(diǎn)模型，母材均采用焊接高強(qiáng)鋼Q690；②有焊縫T型圓管模型，母材采用焊接高強(qiáng)鋼Q690，在焊縫處采用與母材金屬強(qiáng)度相同的Q690焊縫材料；③有焊縫T型圓管模型，區(qū)別于圖1(b)模型焊縫處采用金屬強(qiáng)度小于母材的鋁合金焊縫材料。分別計(jì)算模型的軸壓承載力，其材料屬性參數(shù)如表2所列。

表2 鋼材的材料屬性參數(shù)

對(duì)于以上模型，本文采用HyperMesh軟件畫六面體網(wǎng)格，對(duì)焊接模型進(jìn)行多尺度網(wǎng)格劃分，由于焊縫處為數(shù)據(jù)變化梯度較大的部位，為得到較為精確的應(yīng)力值，需要加密網(wǎng)格，所以焊縫處進(jìn)行了局部細(xì)小網(wǎng)格尺寸劃分，網(wǎng)格大小為1 mm左右，在遠(yuǎn)離焊縫區(qū)域的地方，采用比較稀疏的網(wǎng)格，網(wǎng)格大小為3～4 mm，網(wǎng)格密度和網(wǎng)格質(zhì)量都比較高，如圖2所示。

圖2 有焊縫的T型圓管有限元模型

文中根據(jù)前人[9]對(duì)圓管數(shù)值模擬的經(jīng)驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)室加載的普遍情況，假定圓管主管兩端為固定約束端，在支管上端橫截面處施加軸向壓力，方向豎直向下，使焊縫處產(chǎn)生軸向壓力，三種模型統(tǒng)一施加1 000 N的軸向壓力。

2.2 仿真結(jié)果分析

為了對(duì)比有無焊縫的T型圓管應(yīng)力應(yīng)變特性，計(jì)算了三種模型，因此將數(shù)值仿真結(jié)果分為三個(gè)系列來對(duì)比其應(yīng)力、應(yīng)變大小。均采用相同的邊界約束和加載方式，圖3為軸向力作用下三種模型等效von-Mises應(yīng)力云圖，圖4為軸向力作用下三種模型應(yīng)變?cè)茍D，模型母材均采用Q690材料。

圖3 三種模型應(yīng)力云圖

圖4 三種模型應(yīng)變?cè)茍D

從以上云圖可知各模型的應(yīng)力、應(yīng)變最大值大小均不同，但是最大值均在焊縫區(qū)域，以有焊縫模型應(yīng)力云圖為例，可看出焊縫區(qū)域應(yīng)力梯度變化比較大，支管節(jié)側(cè)焊趾處為應(yīng)力最大值出現(xiàn)位置，說明此處為焊縫區(qū)域的主要受力位置。因此在模型上選取了如圖5所示支管節(jié)側(cè)焊趾處路徑，得到應(yīng)力、應(yīng)變計(jì)算結(jié)果曲線對(duì)比分析如圖6所示。由于焊縫處偏位使焊趾處產(chǎn)生附加應(yīng)力，導(dǎo)致焊趾處應(yīng)力值顯著增大，產(chǎn)生了應(yīng)力集中現(xiàn)象，從焊趾處到遠(yuǎn)離焊縫區(qū)域應(yīng)力值逐漸減小并趨于均勻，模型整體應(yīng)力應(yīng)變值呈對(duì)稱均勻分布。

圖5 有焊縫模型路徑選取

圖6 三者應(yīng)力、應(yīng)變結(jié)果曲線對(duì)比

圖中無焊縫模型在采用Q690鋼材下的仿真結(jié)果用帶原點(diǎn)的曲線表示，有焊縫的模型在母材和焊縫處均采用Q690鋼材下的仿真結(jié)果用帶三角形的曲線表示，有焊縫的模型母材采用Q690鋼材，焊縫處采用鋁合金材料的仿真結(jié)果用帶正方形的曲線表示。

從曲線圖可以看出，在同樣的工作載荷下，采用焊接高強(qiáng)鋼Q690鋼材的有無焊縫模型中無焊縫有限元模型計(jì)算得到的應(yīng)力、應(yīng)變峰值均大于有焊縫的有限元模型，則說明無焊縫模型多數(shù)情況下可能會(huì)低估了節(jié)點(diǎn)的承載力，而有焊縫模型得到的仿真結(jié)果較為保守，即在更大的軸力載荷下才會(huì)使模型達(dá)到屈服極限，采用焊縫處真實(shí)建模使仿真結(jié)果更接近于實(shí)際大小；在有焊縫模型下，焊縫處采用鋁合金鋼材比采用Q690高強(qiáng)鋼得到的應(yīng)力應(yīng)變值較低，這一結(jié)果表明可在滿足同等條件的前提下，采用鋁合金鋼材可以等性能型材輕量化且節(jié)省成本。

3 焊接結(jié)構(gòu)試驗(yàn)對(duì)比分析

(1)

圖7 T型鋼板有無焊縫應(yīng)力云圖

由應(yīng)力云圖可以看出在進(jìn)行工作應(yīng)力下的靜力學(xué)分析時(shí)，發(fā)現(xiàn)兩種有限元模型計(jì)算結(jié)果均高于經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算出的結(jié)果，但有焊縫的模型仿真結(jié)果更保守且更接近理論值，無焊縫的模型計(jì)算結(jié)果與理論值偏差較大，可見有焊縫有限元模型仿真結(jié)果更準(zhǔn)確，與通過實(shí)驗(yàn)得出的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算值更為吻合。此經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)比即可驗(yàn)證文中有焊縫的T型圓管模型優(yōu)于無焊縫T型相貫節(jié)點(diǎn)模型，在仿真時(shí)采用開發(fā)的焊縫建模模塊建立的有焊縫結(jié)構(gòu)模型更逼近于真實(shí)結(jié)果。

4 結(jié) 語

通過UG二次開發(fā)平臺(tái)，利用開發(fā)的焊縫建模模塊對(duì)T型圓管焊縫處進(jìn)行真實(shí)焊縫實(shí)體建模，來模擬真實(shí)焊縫，并對(duì)有無焊縫T型圓管結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行了靜力學(xué)仿真對(duì)比分析，得出以下結(jié)論：

(1) 建立的實(shí)體焊縫模型計(jì)算結(jié)果合理，具有較好的通用性，當(dāng)準(zhǔn)確分析出靜載時(shí)焊縫處的工作應(yīng)力，可優(yōu)化復(fù)雜焊接構(gòu)件的空間布置、焊縫位置、焊縫數(shù)量及焊縫接口形式。

(2) 無焊縫模型進(jìn)行分析會(huì)明顯低估節(jié)點(diǎn)的承載力，使仿真結(jié)果有一定的誤差，因此在大型焊接結(jié)構(gòu)或者工程設(shè)施中對(duì)模型的承載力仿真分析時(shí)，應(yīng)對(duì)焊縫處真實(shí)建模。

(3) 在滿足同等條件的前提下，焊縫處采用鋁合金鋼材比焊接高強(qiáng)鋼Q690更好，可以等性能型材輕量化且節(jié)省成本。

(4) 利用真實(shí)焊縫模型，準(zhǔn)確分析出焊縫處的工作應(yīng)力，再結(jié)合殘余應(yīng)力分析，可為結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核，解決疲勞失效等問題。