焊接應(yīng)力和變形分析

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1、焊接變形與殘余應(yīng)力的預(yù)測(cè)目錄焊接變形和殘余應(yīng)力的基本原理在焊接由焊接產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)應(yīng)力應(yīng)變過(guò)程及隨后出現(xiàn)的殘余應(yīng)力和殘余變形是導(dǎo)致焊接裂紋和接頭強(qiáng)度和性能下降的重要因素。焊接應(yīng)力和焊接變形由焊接過(guò)程中的不均勻加熱引起，由于其形成原因復(fù)雜多變，而且完全不可確定，因此我們只能通過(guò)總結(jié)焊接應(yīng)力與變形的產(chǎn)生和存在的一般規(guī)律以及大家總結(jié)出原來(lái)的施工經(jīng)驗(yàn)，對(duì)即將進(jìn)行的工程構(gòu)件焊接情況進(jìn)行分析和預(yù)測(cè)。焊接應(yīng)力與焊接變形存在一定的關(guān)系，當(dāng)焊接應(yīng)力完全釋放的時(shí)候焊接變形達(dá)到最大值；當(dāng)焊接結(jié)構(gòu)處于完全剛性的時(shí)候，幾乎可以完全控制焊接變形，而此時(shí)由于無(wú)

2、法進(jìn)行應(yīng)力釋放，焊接殘余應(yīng)力將達(dá)到最大值。如何選擇和理的焊接結(jié)構(gòu)、焊接方法、焊接材料和焊接工藝，以取得最佳的焊接殘余應(yīng)力和焊接變形狀態(tài)時(shí)鋼結(jié)構(gòu)焊接的重要課題。焊接變形和殘余應(yīng)力的常用計(jì)算方法焊接應(yīng)力與變形的形成原因極為復(fù)雜，因?yàn)橹苯佑绊憫?yīng)力與變形的金屬材料的力學(xué)性能和熱物理性能隨著溫度的變化而變化，而起決定作用的焊接溫度場(chǎng)又因焊接接頭的形狀和尺寸、焊接工藝參數(shù)等的變化而變化。因此在計(jì)算焊接應(yīng)力與焊接變形時(shí)，常常作出一些假定和簡(jiǎn)化，從而從最簡(jiǎn)單焊接的分析入手，并推斷出結(jié)論。目前常用的預(yù)測(cè)焊接變形的方法主要有殘余塑變解析法、三維實(shí)

3、體單元固有應(yīng)變有限元法、板殼單元固有應(yīng)變有限元法，以及熱彈性有限元法等。殘余塑變解析法僅適用于簡(jiǎn)單構(gòu)件、規(guī)則梁，計(jì)算過(guò)程需要經(jīng)驗(yàn)及試驗(yàn)數(shù)據(jù)的累積，分析焊接構(gòu)件幾何參數(shù)及焊接規(guī)范參數(shù)，在本工程中適用于梁柱對(duì)接的應(yīng)力分析。三維實(shí)體單元固有應(yīng)變有限元法主要適用于實(shí)體復(fù)雜結(jié)構(gòu)，在本工程中適用于主要節(jié)點(diǎn)的焊后構(gòu)件變形，需要?jiǎng)澐志W(wǎng)格、加載固有應(yīng)變后進(jìn)行三維彈性分析。板殼單元固有應(yīng)變有限元法適用于薄壁復(fù)雜結(jié)構(gòu)，在本工程中可應(yīng)用性不大。對(duì)于整體結(jié)構(gòu)的焊接變形預(yù)測(cè)，需要使用熱彈塑性有限元法進(jìn)行分析，計(jì)算步驟為：劃分網(wǎng)格、模擬焊接溫度場(chǎng)、熱彈塑性

4、分析，其計(jì)算過(guò)程需要跟蹤焊接熱力學(xué)的全部過(guò)程，計(jì)算量極大、計(jì)算時(shí)間很長(zhǎng)，在目前的短時(shí)間內(nèi)不可能得到準(zhǔn)確的結(jié)果。因此本章以后部分僅從理論角度對(duì)焊接應(yīng)力和焊接變形做出基本的計(jì)算和預(yù)測(cè)。分析焊接應(yīng)力與變形的主要假定常規(guī)分析假定1.由于焊接過(guò)程十分復(fù)雜，因此在焊接應(yīng)力的分析過(guò)程我們依據(jù)傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)作出以下簡(jiǎn)化假定2.金屬的熱物理性能與溫度無(wú)關(guān)3.金屬的力學(xué)性能與溫度無(wú)關(guān)4.除厚板焊接外，認(rèn)為沿焊接方向的溫度是均勻的；電弧為一個(gè)線(xiàn)狀熱源；溫度場(chǎng)穩(wěn)定并處于熱極限狀態(tài)；在垂直焊縫的橫截面上的熱過(guò)程都相同。5.認(rèn)為平板受到縱向力或者平面彎矩作用而

5、變形時(shí)，原來(lái)的橫截面是平面，變形后仍然是平面。本工程施工過(guò)程假定1.假定現(xiàn)場(chǎng)小拼過(guò)程不考慮工廠(chǎng)提供的構(gòu)件的殘余應(yīng)力的影響。2.假定后一道焊接工序不考慮前一道焊接的殘余應(yīng)力的影響。假定說(shuō)明必須指出，上述假定使得本工程焊接應(yīng)力和變形的分析和計(jì)算變得簡(jiǎn)單和容易，但是其分析和計(jì)算結(jié)果必然存在大量的誤差，因此僅僅可以作為一個(gè)參考的預(yù)測(cè)，如果需要精確的數(shù)值分析時(shí)，不能使用或者只能部分使用上述假設(shè)，并且需要根據(jù)全部實(shí)際施焊時(shí)的工藝參數(shù)、溫度條件、熱源情況等條件進(jìn)行建模，并進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的計(jì)算。典型構(gòu)件焊接殘余應(yīng)力的分布分析根據(jù)工程的分段方案，小

6、拼過(guò)程中主要的焊縫為弦桿、腹桿與節(jié)點(diǎn)的對(duì)接1.平板條焊接的應(yīng)力與變形平板條中心焊接的應(yīng)力與變形所有的拼裝過(guò)程中的對(duì)接焊縫在一定程度上可以應(yīng)用最簡(jiǎn)單的“平板條焊接的應(yīng)力與變形”進(jìn)行分析，中心堆焊的焊后殘余應(yīng)力與變形如圖所示：OPQO’部分為壓應(yīng)力，而PQ部分基本上產(chǎn)生拉應(yīng)力。在中心區(qū)域的拉應(yīng)力已經(jīng)達(dá)到σs，并發(fā)生了拉伸塑性變形。以上是焊縫縱向的分析，同樣焊縫橫向也存在殘余的內(nèi)應(yīng)力和變形。主要的變形包括：橫向收縮、縱向收縮、回轉(zhuǎn)變形、橫向彎曲變形（角變形）、縱向彎曲變形和壓縮產(chǎn)生的波浪變形等等。平板條邊緣焊接的應(yīng)力與變形平板條邊緣

7、焊接的應(yīng)力與變形如下圖所示：《焊接工程師手冊(cè)》第1250頁(yè)，平板條邊緣堆焊的應(yīng)力與變形c1.鋼板對(duì)接的縱向殘余應(yīng)力和變形低碳鋼、低合金鋼鋼板的對(duì)接，縱向殘余應(yīng)力分布的基本規(guī)律是焊縫及其附近處為拉應(yīng)力，一般都達(dá)到σs，兩側(cè)為壓應(yīng)力，整個(gè)截面上保持著內(nèi)力平衡。此時(shí)平截面假定已經(jīng)不適用，表現(xiàn)出兩側(cè)壓應(yīng)力距離焊縫越遠(yuǎn)越小，甚至為零，如下圖所示：1251——8-1-14而且焊縫縱向應(yīng)力分布也不均勻，長(zhǎng)焊縫中兩端部的縱向應(yīng)力分布與中部有區(qū)別，如下圖所示：較短的焊縫中間穩(wěn)定區(qū)將減小，或者不出現(xiàn)。1251——8-1-132.箱形截面構(gòu)件對(duì)接的

8、縱向殘余應(yīng)力分布本工程的構(gòu)件絕大多數(shù)為箱形截面柱，箱形截面柱內(nèi)典型殘余應(yīng)力縱向分布如下圖所示箱形截面柱對(duì)接環(huán)焊縫所引起的縱向（箱形截面柱的橫截面方向）殘余應(yīng)力的分布規(guī)律在面板中間的位置與平板直縫基本類(lèi)似，但是在角部與平板直縫略有不同，它與小直徑的圓筒應(yīng)力分布比較接近，其應(yīng)力峰