摘要：本文基于ANSYS有限元分析软件，建立了焊接温度场和应力场的三维移动热源有限元模型，在分析中考虑了材料热物理性能和力学性能随温度的变化，通过采用间接耦合法对温度场和应力场进行了数值模拟分析。通过分析，得出了不同时刻的温度场、特定路径上节点的温度-时间历程曲线和残余应力分布。并在此基础上，对此类构件的残余应力进行了参数分析

关键词：宽厚比超限；焊接残余应力；焊接温度场；焊接应力场

Finite Element Analysis on Welding Residual Stresses of the I-shaped Sections beyond Limits of Width-thickness Ratio

Zhao Zhiyun ^{1 1}Wu Junli ¹ Zhu Hongmei²

（1.Shaanxi Architectural Design and Research Institute Co.ltd，XI’an 710003）

（2.Northwest Research Institute of Engineering Investigations and Design, XI’an 710003）

Abstract: Based on finite element software ANSYS, the three-dimensional finite element model of moving heat source for welding temperature field and stress field are set up, which considering the thermophysical properties and mechanical property as a function of temperature, and an simulation analysis of welding temperature field and stress field is studied using sequential coupled methods. According to the result, the temperature field of different time, temperature-time process curve of node in specified path and the distribution of residual stresses were got. Based on the finite element model, parameter analysis are proceeded.

Keywords: beyond the limits of width-thickness ratio；welding residual stresses；welding temperature field; welding stress field

1 引言

在钢结构工程中，大型的实腹式构件多采用组合工字型截面或箱型截面，截面的连接多采用焊接形式。焊接连接是钢结构的主要连接方法之一，由于焊接工艺的特点，焊接结构中总是存在残余应力，而且在构件的加工制造过程中，也会产生残余应力^[1]。

关于宽厚比和残余应力对构件性能影响的研究已有很多，但关于残余应力在宽厚比超限构件中分布形式的相关研究较少，目前残余应力还采用的是未超过规范要求的分布形式，故需对宽厚比超限的工字型截面的焊接残余应力进行研究，为研究此类构件中的残余应力对构件性能的影响提供参考。

2 有限元模型的建立

2.1 焊接热源模型

本文采用基于单元生死的热源模型，施加的载荷即生热率可由下式计算：

2.2 材料的热物理性能

在温度场分析中必须给出材料热物理性能参数随温度变化的值。需要确定的参数主要有导热系数、比热容、热膨胀系数、密度。

因密度只对瞬态热过程中的变量热焓有微小的影响，故可假定材料的密度是不随温度变化的常数，取ρ=7850kg∕m³。

本文所采用的材料为低合金钢Q345，根据参考文献[2]，Q345钢的热物理参数如表1所示。

表1 Q345钢热物理参数

2.3 材料的力学性能

在ANSYS分析中，本文采用等向强化的本构模型来描述焊接过程中板件的变形，该本构模型采用Von Mises屈服准则和等向强化假定，能很好地对大多数金属材料的弹塑性大变形问题进行有效的描述。在应力场分析中需确定的力学参数有屈服强度、弹性模量、切向模量和泊松比，对于Q345钢材在高温下的力学性能，不同国家所采用的数值有较大的差异，主要是由于各国所生产的钢材性能以及标准不同产生的。本文采用的材料参数为同济大学李国强教授试验中的数据^[2]，在高温下Q345的力学性能模型为：

因泊松比随温度变化的幅度较小，故取为常数0.3。

2.4 试件尺寸

本文采用了3个试件来进行分析，为CH-1～CH-3，其截面尺寸如表2所示。

表2 试件尺寸及板件的宽厚比

2.5 有限元模型的建立

在ANSYS分析中，本文中的几何模型都采用映射网格划分。s在焊接过程中，焊缝及其邻近区域的温度梯度变化很大，采用较密的网格，而在远离焊缝的区域，温度梯度变化相对较小，采用较稀的网格。

以试件CH-1（截面尺寸为450×180×6×6mm，长500mm，焊缝截面尺寸为6mm×6mm）为例进行焊接模拟。为了能更准确的模拟实际焊缝，焊缝剖面采用圆弧面，其几何模型如图1所示，试件单元网格划分如图2所示。

2.6 单元类型和边界条件

本文采用SOLID90模拟焊缝及其邻近区域，采用SOLID70模拟试件的翼缘和腹板的其余部分。在ANSYS中，可将热辐射作为面荷载施加在对应的辐射面上来考虑物体之间的辐射。为计算方便，本文中将热对流和热辐射产生的作用进行合成，共同用对流换热系数这一参数来体现。100 W∕m·℃^[3]。

3 焊接温度场和应力场的计算

残余应力的分析可简化为温度场和应力场之间的分析计算，两者的耦合分析可采用ANSYS中的热-结构耦合功能来实现。主要有两种方法：直接耦合和间接耦合。本文采用间接法来进行分析。间接耦合是先进行温度场的分析，温度场模拟准确之后，将求得的节点温度作为荷载施加在结构上进行应力场的分析，所需的时间较少，且如果应力场的分析结果不理想，不用再进行温度场的分析，只需将相应的参数修改后再进行应力场的分析即可。

3.1 焊接温度场的计算

3.1.1 焊接和冷却过程中的温度场分布

图3中，图（a）和图（b）为焊缝1焊接初始阶段和结束阶段的温度场分布云图，图（c）和图（d）为焊缝4焊接初始阶段和冷却阶段焊的温度场分布云图。

从图中可以看出，焊接熔池随着热源的向前移动而移动，在焊接热源处温度最高，热源到达处，构件迅速升温，随着热源的离开，构件温度迅速降低。也就是说，焊接温度场是以焊接热源为中心，呈现出随焊接热源移动的状态。在焊接刚开始时，温度升温迅速，但由于热源施加在试件上的时间比较短，在热源作用区域的温度不是很高，且焊接熔池区域的面积也较小，随着焊接的不断进行，温度有大幅度的增加，焊接熔池区域的面积也逐渐增大。 进入冷却阶段以后，构件上的温度迅速下降，焊接熔池不断扩大。

3.1.2节点的温度时间历程曲线

分别取试件CH-1跨中位置上翼缘和腹板上的5个节点，画出每个节点的温度时间历程曲线

从图中可以看出，当焊接热源移动到构件的跨中位置时，各节点的温度急剧上升，并随着焊接热源的离开，温度急剧下降。且随着与焊缝之间距离的增加，温度峰值急剧减小，变化趋势也比较平缓。

3.2 焊接应力场的计算

从图中可以看出，翼缘和腹板的分布基本呈对称分布，在距离焊缝较近的区域温度较高，表现为残余拉应力，拉应力峰值小于材料的屈服强度，而在距离焊缝较远的区域温度较低，表现为残余压应力。由于焊缝区和焊缝近旁的构件被急剧加热，温度较高，焊接区域甚至熔化，致使此部分的单元退出工作，接近为零应力状态。

从图中可以看出，试件CH-1翼缘的残余拉应力峰值出现在x=0.081m和0.099m的位置，达到了284.31MPa。而残余压应力峰值出现在x=0.1675m处，达到了-220MPa。在x=0.082m处（焊缝2的根部），翼缘的残余应力接近0MPa，即零应力状态。

从图中可以看出，随着翼缘宽厚比的增加，翼缘的残余应力峰值呈减小的趋势。残余应力峰值从CH-1的220.9MPa减小到CH-3的177.4MPa，减少了19.7%，由此可得出翼缘残余应力峰值与宽厚比的关系为：宽厚比每增加1，残余应力峰值最大减小1.97%；随着腹板宽厚比的增加，腹板的残余应力峰值呈减小的趋势。残余应力峰值从CH-1的305.5MPa减小到CH-2的214.6MPa，由此可得出腹板残余应力峰值与宽厚比的关系为：宽厚比每增加1，残余应力峰值最大减小0.97%。

4 结论

焊接残余拉应力峰值均出现在距离焊缝较近的区域，并随着距离焊缝中心距离的增大而逐渐减小。且在焊缝处由于金属熔化，导致出现了零应力状态。通过进行参数分析，得出随着宽厚比的增加，翼缘和腹板的残余应力拉应力和压应力峰值都有一定的减小。翼缘残余应力峰值与宽厚比的关系为：宽厚比每增加1，残余应力峰值最大减小1.97%；腹板残余应力峰值与宽厚比的关系为：宽厚比每增加1，残余应力峰值最大减小0.97%。

参考文献

[1] 张著著. 累积损伤和残余应力对焊接组合厚板钢构件的力学性能的影响[D]. 北京：北京交通大学硕士学位论文，2010.

[2] 李国强，陈凯，蒋首超等. 高温下Q345钢的材料性能试验[J]. 建筑结构，2001，31(1)：53-55.

[3] 张玲. CLAM钢焊接温度场与应力场的三维数值模拟[D]. 江苏：江苏大学硕士学位论文，2008.