焊接论文-焊接对多高层钢结构承载力影响的研究.pdf

浙江工业大学硕士学位论文 摘 要 焊接对高层钢结构承载力影响的 研究 摘 要 在钢结构工厂制作和施工现场拼装的过程中 温度随时间和空间 的急剧变化 使钢结构产生较大的残余应力和残余变形 前者会降低 多高层钢框架构件的刚度 影响其弹性极限承载力 后者则使框架二 阶效应增加 可见焊接残余应力和残余变形对结构承载力的影响不能 忽略 研究焊接残余应力和残余变形对多高层钢框架承载力的影响具 有较大的现实意义 本文首先利用有限元程序模拟焊接过程中热源移动的全过程 求 出 钢结构梁柱节点焊缝连接处残余应力和残余变形的分布方式 再建 立平面框架整体模型 将残余应力和残余变形作为初始条件 并考虑 二阶效应和材料非线性 进行结构承载力分析 得到考虑二阶效应的 框架内力和位移 通过与不考虑残余应力和变形的框架极限承载力对 比 说明残余应力和变形对两跨以上纯钢框架影响较大 应予以 考虑 最后建立框架一核心筒平面模型 利用生死单元法模拟从框架边跨到 筒体和从筒体到框架两种不同顺序的焊接 分析焊接顺序对残余应 力 残余变形及结构承载力的影响 得出从筒体到边跨的顺序焊接时 残余应力和残余变形较小 对结构承载力影响亦较小 故建议从筒体 向边跨的顺序施工 关键词 残余应力 残余变形 多高层钢结构 框架 承载力 影响 焊接人 w w w c n w e l d e r c o m 免费下载 浙江工业大学硕士学位论文 R ES E AR C HE SO NT H ED妊 飞U E NC EO FWE L DE 呵 GO N B E A RE 又 GC A P AC I T YO FHI G H 一 R I S ES T E E LS T R U C T U R E ABS TRACT T l1 e fa s t a n d u n e V enchangeofte m P e r a tu rebrin gsresi duals t r e ssand d e fo rmat i o n t o s te e l st ru c tU r e whe n everi n th e manufa c 1 o ryo r i n bui l di ng s i t e Thefo rme r re duc e s th est i ffne s s o f h i gh一 ri s est eel s t ru c tu re a n d e 1 as t i c b e arin g c apa c i tyw h i 1 e th e l at e r i n c re as e s s e c o n d 一 o rd ere ffec tso f st ee l fr a n l e The i n fl u enc e o f w e l d i n go nb e arillg c apac i tyo f h i gh一 ri se st ee l s t ru CtUre cou l dn o t b ei gno re d s ot h atth ere s e a r c hh as g r e at p ra c t i c als i gni fi c a n c e The t o t alP ro c es s o f m o v i n g h e atfl u xwel d i n go f bea r 0 t o 一 c o l u 口 j o i nts i s s i mul at edw ithfi n i t e e l e m e ntP ro g 二 and the resi dualst re ss d i s t 对 b u t i o nanddefo rma t i o nare o b t ai n ed w h i c hare con s i d e r e dint h e P l a n a r mod e l o f st e elfr a m e a s i n i t i alc o n d it i o n S e c o n d 一 o rd ere ffects a n d m a t e ri alnon l i n e arityw ere i n c l u d edduri nganal yzi ngth e b e aringc 叩acity o f st e els truc tu re i t s s t r e s s and d e fo rmat i o n are d i s cus s edwit h t h e r e s u it 一1 1 一 焊接人 w w w c n w e l d e r c o m 免费下载 浙江工业大学硕士学位论文 o f s t e elfr a m e w i thn ore s i duals 能s s anddefo rmat i o n As a re sul t t he i n fl u enc e o f re s i dua l s t re s s andd e fo rmat i o ns h o u l db e re g a r d e d There are two di ffere niw e l d i n g o r d e r s t h a t frOmc ent ertos i deand froms i d e to c e n t er d u ri n gbui l d i ng s t eelfr a m e 一 c o re w a l ls t ru c to res Thi sw o rk c m P 1 o ySt h e te c Imi q u e o f e l eme n t b i rt h and d e ath t o s i mu l at e th e d i fl 贻 r e nt w el d i n g o ule r s R es i dua l s t r e s s di s tri buti o n defo rmat i o nand th e i r e ffect o n b e arin g c apac i tyare a l s o ana l邓e d a n d th atth e o ul erfromc enterto si d e ismo rere aso n ablew a y th ant h e o t h er K E YWO R D S re s i dua l st re s s d e fo n n at i o n h i gh一 ri s es te e l s t ru c tu 邝 fram e b e arin g c 叩aci ty i n fl u e nce 焊接人 w w w c n w e l d e r c o m 免费下载 浙江工业大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明 所提交的学位论文是本人在导师的指导下 独立进行 研究工作所取得的研究成果 除文中已 经加以 标注引用的内 容外 本论文 不包含其他个人或集体己 经发表或撰写过的研究成果 也不含为获得浙江 工业大学或其它教育机构的学位证书而使用过的材料 对本文的研究作出 重要贡献的个人和集体 均已在文中以明确方式标明 本人承担本声明的 法律责任 作者签名 日 期 加 卜歹 月 对日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留 使用学位论文的规定 同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版 允许论文 被查阅和借阅 本人授权浙江工业大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索 可以采用影印 缩印或扫描等复制手段保存 和汇编本学位论文 本学位论文属于 1 保密口 在 2 不保密口 年解密后适用本授权书 请在以上相应方框内打 了 与 作者签名 导师签名 抓淇 生 日 期 坷年犷 月 分 日 日 期 口 心 了 年 犷月 夕日 焊接人 w w w c n w e l d e r c o m 免费下载 浙江工业大 学硕士学位论文第一章 绪论 第一章 绪论 飞 1 钢结构的应用和发展 多高层钢框架结构是建筑钢结构的主要应用形式之一 是目 前应用日 益普遍 的 一 种 钢结 构 形 式 川 121 多 用 于 大 跨 度公 共 建 筑 工 业 厂 房 和 一 些 对 建 筑空 间 建 筑体型 建筑功能有特殊要求的建筑物和构筑物中 如剧院 商场 体育馆 火 车站 展览厅 造船厂 飞机库 停车场 仓库 工业车间 电厂锅炉刚架 矿 山 采 矿 井 架 近 海 石油 钻 井 平台 等 13 多 层 钢 框 架 工 业 厂 房 及 厂 区 办 公 楼的 应 用开 始迅速递增 多层住宅钢框架结构体系 己有多家钢结构公司进行开发研究 并 完成了 一批代表性的多 层钢框架结构住宅示范性工程 钢框架结构多数由横梁与立柱刚接而成 与普通梁式结构相比 节省钢材 结 构 横向 刚 度 好 横 梁高 度 小 可 增 加 建 筑 物 净 空 是 一 种比 较 经 济 的 结 构 形 式 13 框架结构一般可分为单跨单层 单层多跨和多层多跨等结构形式 以满足不同建 筑造型 和功能的需求13 80年代中期以后 随着我国建筑钢材的发展 一些外资工程的兴建 高层钢 结构开始在我国出现 因为随着建筑物层数的增加 钢筋混凝土结构的造价迅速 增加 其基础造价也伴随着建筑物高度而急剧上升 所以这两种结构的造价差距 不断缩小 此外钢结构具有施工安装简洁方便 早投产早收益 梁柱等构件截面 较小且相对于钢筋混凝土结构增加了使用面积以及抗震性能好等优点 因而越来 越受重视 进入9 0 年代以后 我国掀起了超高层建筑的建设高潮 其中上海的超高层钢 结构发展尤为迅速 到1998年底 我国大陆建成的超过Z oom 以上的超高层钢结构 己 有9 栋 其中 88层高 421 m 的上海金茂大厦当时名列世界第四 使我国的高 层建 筑进入了 世界前列 与此相适应的在高层建筑结构的科学研究 设计软件的编制 设计能力及各项配套的工艺技术方面均取得了 进展 钢结构的制作及与安装方面 的国 产化己具有相当水准 值得一提的是大连远洋大厦钢结构的设计 钢材 钥 结 构 制作和安 装全部实 现了 国 产 化141 焊接人 w w w c n w e l d e r c o m 免费下载 浙江工业大学硕上学位论文第一章 绪论 2 钢框架结构的分析历史及现状 与 钢筋混凝 土框架 结构相比 钢结构框架体系有其自 身的特点 如 框架 梁 柱剪 切变形与几 何非线性的交互作用 梁柱的半刚 性连接 节点域剪切变形 杆 件的 残余 应力 杆件的初始缺陷 板件的局部稳定以 及结构的整体稳定等等 归 纳 起来 就是钢框架结构的两大非线性问 题 几何非线性和 材料非线性问题 钢框架结构 几何非 线性分析的一般理论和计算 方法一直是人们进行大量研究 的 热 点 5l 481 由 于 问 题的 复 杂 性 各 种 各 样 的 分 析 方 法 应 运 而 生 有 的 学 者 采 用 梁 一柱理论来分析平面框架的几何非线性性能 并且为了简化计算 进行了一定程 度上的近 似处理 例如忽略弯曲变形对 轴向 应变的 影响 忽 略剪切变形的影 响等 七十年代末 B ath尹1 把有限变形理论引进到杆系结构的 几何非线性分析中 但 B ath e 的计算结果是应变和应力 不适宜工程应用 且计算量庞大 九十年代初 舒兴平11 0 对有限 变形理论进行了 扩展 应用更新的 拉格朗日 列式 u L 列式 通过 预先对轴向位移增量假定一个线性函数位移场 对横向位移增量和转角位移增量 分 别假定 一个三次函数 位移场 并应用虚功增量方程 得到包含轴力 剪 切变形 和弯矩影响的平面杆单元几何刚度矩阵 整个九十年代 论述二阶效应的文献很 多 11 一11 8 基 本 做 法 都 是 在 单 元 刚 度 矩阵 中 包含 了 轴 力的 影 响 从 而 得 到 几 何 刚 度 矩阵来考虑二阶效应 归 纳起来 在目 前分析钢框架结构几何非线性比 较常用的方法都是基于两 种 位 移模式 即 普通梁单 元位移模式 19 和直接积分位移模式151 走 151 普通梁单元位 移 模式是假定一个梁单元的横向位移分布模式 直接积分位移模式则直接从梁单元 的平衡微分方程导出 通过解方程得到稳定函数 并通过积分得到杆端力与杆端 变形及轴力之间的关系 即杆件的刚度方程 二者各有优缺点 目前都有学者对 其加以研究和深层次的扩展 要真实地确定钢框架结构的极限承载力 不但要考虑几何非线性 还要考虑 材料非线 性 文献 20 21 早在六 七十年代就对平 面钢框架进行了 弹塑 性分析 但都是基于小 变形理论进行的 文献 2 21 在梁一 柱大挠 度理论的基础上 采用经典 的塑性铰理论 对平面钢框架结构进行了塑性大挠度分析 其不足之处是不能考 焊接人 w w w c n w e l d e r c o m 免费下载 浙江工业大学硕士学位论文第一章 绪论 虑塑性 铰处的弹性卸载 文 献 2 3 首先 建立了 一个新的屈服面方程 然后导得杆单 元得弹塑 性切线刚度矩阵 该 法对钢 框架极限承载力的计算很有效 既能考虑塑 性铰处内力 之间 的相互影响 也能考 虑弹性卸 载的 影响 文献 2 4 为多高 层平面钢 框架提出了 一个变刚度的二阶弹塑性 分析方法 该法 认为 处于弹塑性阶段的 杆件 当 弯矩为线性分布时 其有效弹性惯性矩沿杆长也为 线性分布 然后通 过运用贝 塞尔函 数和子结 构方法 导出了 弹塑 性杆单元的切线刚度矩阵 最后通过迭代求 解得到了一些很有益的结果 3焊接残余应力和残余变形 在钢结构制作和施工过程中焊缝连接已 成为主要的连接方式之一 目 前 应用 最多的 是手工电 弧焊和自 动 或半自 动 埋弧焊 它们均利用电 弧产生的热能使 连接处的 焊件材料和焊条 或焊丝 熔化 冷却后共同 形成焊缝使两焊件连成一 体四 焊 接时焊缝及周围产生局 部高 温的 不均匀温度场 焊缝中 心处温 度可达1500 以 上 高温部分钢材要求向外膨胀伸长但受到邻近钢材的约 束 故 在焊件内引 起较高的温度 应力 并在焊 接过程中随时间和温度而不断变化 称为 焊接应力 焊接应力较高的部位将达到钢材屈服强度而发生塑性变形 因而钢材冷却时不能 自由 收缩 从 而产生残存于焊 件内的 应力 早在上世纪 4 0 年代后期 焊接残余应力和变形就一直吸引着世界范围内焊接 专家 学者的 注意 经过多 年的研究 到 20世纪70年代初期大致奠定了 焊接残余 应力和变形理论的基 础 例如前苏联学者 库兹 米诺夫 C A 等完善了建 立在一维条件 下的 残余塑性变形理 论 认为焊接加热过 程中焊缝及附近区域因 其膨胀受制而产 生的塑性压缩应变是导致焊接残余应力产生的主要原因 日 本学者增渊兴一用有 关非协调性应 变引起应力的 基本理论研究焊接残余应力和变形 随 后的主 要研究 都集中在焊接残余应力测试 计算和消除等方面 国内对焊接应力和变形的数值分析起步于二十世纪 七十年代 首先是西安交 通大学的楼志文等人把数值分析应用到焊接温度场和热弹塑性应力场的分析中 编制了 热弹塑性有限 元分析程序 并对两个较简单的焊接问 题进行了 分析 对于 三维问 题 国内 外也 是近十年来才刚开始 研究 其原因 是焊接过程温度 梯度很大 焊接人 w w w c n w e l d e r c o m 免费下载 浙江工业大学硕士学位论文第一章 绪 论 在空间域内 大的 温度梯度导致严重材料非线性 产生求解过程的收敛困难的 和 解的不稳定性 在时间域内 大的温度梯度决定了 必须在瞬态分析时在时间域内 的离散度加大 导致求解时间步的增加 国内上海交通大学汪建华等人和日 本大 阪大学合作对三维焊接温度场问题进行了一系列的有限元研究 探讨了焊接温度 场的特点和提高精度的若干途径 并对几个实际焊接问题进行了三维焊接热传导 的有限元分析 随着焊接温度场 应力应变过程的深入研究 有限元技术的发展与应用 以 及近年来由于计算机技术的突飞猛进 目前在进行有限元分析时所用的软件方面 已 经有了 不少优秀的 计算分析软件 如 A N S Y S A B A Q U S A D INA N A S T R A N M A R C s y s WB LD等可供焊接工作者 选用 我国目 前尚不具备开发大型通用有限 元软件的条件 没有自主版权的商品化有限元软件 所以我国的有限元发展途径 主要是使用 扩充和改进从国外引进的某些有限元软件 这些现有的有限元软件 具有自 动划分有限元网格和自 动整理计算结果 并使之形成可视化图形的前后处 理功能 因而 焊接工作者已经无需自己 从头编制分析软件 可以 利用上述商品 化软件 必要时加上二次开发 即可以得到需要的结果 这就明显地加速了焊接 模拟技术发展的进程 实现虚拟分析 清华大学的鹿安理等利用MA R C 软件 开 发专用用户子程序 使网格自 适应技术更趋完善 并用于厚板焊接过程的三维数 值模拟 取得了很好的效果 并在模型上利用相似原理及简化热源模型等技术问 题进行探讨 提出未来焊接数值模拟应重点研究的几个问题 清华大学的蔡志鹏 等人 利用MA R C 软件 简化热源模型 用串热源模型代替高斯热源进行焊接应 力应变分析 但其实际分析例子只是进行切割变形分析 其方法的有效性还须进 一步验证 1 4问题的提出及意义 在钢结构工厂制作过程中焊接温度的不均匀变化和对焊接变形的 校正均使构 件产生残余应力 在施工现场拼装时 焊接温度的不均匀变化和框架对构件的约 束作用亦使其产生残余应力和残余变形 对于多跨钢框架 梁柱节点的焊接残余 应力和残余变形将在梁轴线方向上积累 前一根梁的焊接产生的变形使后一根梁 焊接人 w w w c n w e l d e r c o m 免费下载 浙江工业大学硕士学位论文 第一章 绪论 预留的 焊缝坡口 宽度增加 为填补坡口 需增加焊缝的宽度 而产生更大的 焊接残 余应力 和残余变形 如此逐跨积累 使框架最终产生很大的 残余应力和残余 变形 焊接残余应力的存在虽不会影响结构的塑性极限强度 但会降 低构件的刚度 影响其弹性极限承载力 且残余变形的存在使框架的二阶效应增加 可见焊接残 余应力和残余变形对结构承载力的影响不能忽略 故研究焊接残余应力和残余变 形对钢框架承载力的 影响能为 钢结构设计和施工提供参考 有较大的工程现实意 义 1 5本文的主要内容和研究方法 主要研究方法 通过大型有限元程序A N S Y S 进行数值模拟分析 主要内容 l 利用ANs y s 的 APD L 语言 编 写 子 程 序实 现工 字钢 梁与 柱焊 接时电 弧的 移 动过程 比较精确地模拟焊接全过程 得到钢结构梁柱节点焊缝连接处残余应力 残余变形的数值和分布方式 2 建立平面框架整体模型 考虑材料非线性和二阶效应的影响 进行结构承 载力分析 从而得到考虑了二阶效应的框架内力和位移 3 考虑焊接残余应力和残余变形的影响 对平面框架进行结构承载力非线性 分析 求得考虑了二阶效应 焊接残余应力和变形的框架内力 位移 4 根据以 上 所得 数据 对比 分 析考虑 焊 接残余 应力和 变形与不 考虑 焊接 残余 应力和变形两种情况下的弹性极限承载力 塑性极限承载力 得出焊接残余应力 和变形对钢框架承载力的影响 5 建立框架一核心筒平面模型 利用 A N s y s 的 D L 语言编写子程序实现从 框架边跨到筒体 从筒体到框架两种焊接顺序的模拟 再进行考虑材料非线性和 几何非线性的承载力分析 研究不同 焊接施工顺序对结构承载力的影响 提出 较 为合理的施工方法 焊接人 w w w c n w e l d e r c o m 免费下载 浙江工业大学硕士学位论文第二章 梁柱连接焊缝焊接过程的有限 元理论和数值模拟 第二章 梁柱连接焊缝焊接过程的有限元理论和数值模拟 2 1概述 焊接残余应力和变形的存在是影响结构断裂强度 疲劳强度和结构稳定性的 重要因素 为了调整和消除焊接残余应力和变形给结构带来的有害影响 需要运 用热一弹塑性理论分析焊接过程中瞬态应力应变的变化和焊后残余应力与变形的 有关规律 各种大型有限 元结构分析软件 例如ABA Q t j s M A R C A N S Y s s y s W E LD A D INA 等 为各种热弹塑性问题的有限元求解提供了计算工具 本章拟用A N S Y S 有限元分析程序 分析梁柱焊接节点的瞬态应力应变场和焊 接残余应力分布 在 A N s y s 软 件中 计算 焊接应 力场的 方 法分为 直 接 法和间 接 法两 种 2 614 川 直 接法使用具有温度和位移自由度的祸合单元 同时得到热分析和结构应力分析的 结果 间接法是先进行热分析 再将求得的节点温度作为体载荷施加在结构上进 行应力分析 直接法可供选用的单元类型较少 在分析过程中 需要同时进行温 度场和应力应变场的计算 计算周期较长 不够灵活 间接法先分析温度场并保 存其结果 再分析应力应变场 如果应力应变计算结果不理想 则不必再进行温 度场分析 修改结构的力学性能参数或优化载荷步后即 可重新进行应变应力分析 温度场计算是标量计算 计算时间相对于应力应变过程的矢量计算少得多 因而 本章采取间接法分析梁柱焊接节点的残余应力 焊接温度场的准确计算或测量 是焊接冶金分析和焊接应力 应变热弹塑性 动态分析的前提 2 2焊接分析的有限元理论 2 2 1 有限 元 基 本方程 29lt30 焊接是一个局部快速加热到高 温 并随后快速冷却的 过程 随着热源的 移动 整个焊件的 温度随时间和空间急剧变化 材料的热物理性能也随温度剧烈变化 焊接人 w w w c n w e l d e r c o m 免费下载 浙江工业大学硕士学位论文 第 章 梁柱 连接焊 缝焊接过 程的有限元理论 和教值模拟 同时 还存在熔化和相变时的潜热现象 因 此 焊接温度场分析属于典型的非线性 瞬态热传导问题 非线性瞬态热传导问题的控制方程为 以 cP 百 式中 c 为材料比热容 a a T a a T a a T 人 砚 凡 凡 1 十 几 滩 十U 击 击 即 即 汾 一由 一 2l p 为 材 料 密 度 义 为 导 热 系 数 T 为 温 度 场 分 布函 数 口 为内 热源 t 为 传热时间 这些 参数中又 p c 都随 温度变化 焊接温度场的计算通常用到以下两类边界条件 1 己 知边界上的 热流密度分布 臀 譬 臀 一 x 一 2 2 2 己 知 边界上的 物体 与周围 介质间的 热交换 臀 譬 y 臀 一 几 一 兀 2 3 式中 q 为 单 位 面 积 上 的 外 部 输 入 热 源 夕 为 表面 换 热系 数 兀为 周围 介质 温 度 兀 为己 知 边 界 上 的 温 度 n 二 n 凡 为 边 界 外 法 线 的 方向 余 弦 2 2 2非线性瞬态热传导的 有限元分析13 1 3 2 13 3 1 由于焊接温度场的分析是典型的非线性瞬态热传导问题 而这类问题的求解 特点是在空间域内用有限单元网格划分 而在时间域内则用有限差分网格划分 1 空间域的离散 在采用有限元法求解焊接热传导问 题时 通常把一个求解微分方程问题转化 为求解泛涵极值的变分问 题 然后对物体进行有限元分割 把变分问题近似地表 达成线性方程组 求解该方程组便可得到热传导问题的解 但对于非线性问题有 时很难找到相应的泛涵 此时可采用加权残数法 加权残数法的基本思想是构造 插值函数 使得所要求解的微分方程的残余量在加权积分意义下达到最小 首 先 对空 间 域离 散 记 形函 数为 N 单 元 节 点 温 度为 玛 则 单 元内 温 度可 表示为 T N 仁 2 4 采用逸辽金的加权残数法可求得如下方程 焊接人 w w w c n w e l d e r c o m 免费下载 浙江工业人学硕士学位论文第二章 梁柱连接焊缝焊接过程的有限元理论和数值模拟 1 卜 c 景 二 卜 2 5 式 中 一 艺 众 2 C l 艺 C l 码 艺 肋 低 e 姚 e 优 月 T 优 川 几 戈 击欲 鱼 丝 止 匹 哩 即即 十 鱼 丝 止 鱼 丝 上 N 刀 N ldS 一 L 洲 诚 Nld犷 一 Iv 可加 犷 凡 一L 月 T ds 凡 L N 风ds 式 2 5 中 系 数 矩阵 K 为 导 热 矩阵 也 称为 温 度刚 度 矩阵 毛 玛是 未 知 温 度 值向 量 C 称为 热容 量 矩阵 P 称为 热流向 量 这里的 K l 门 P 都 与 温 度T 有关 因 为 其中 包括了又 p c 刀 都 不是常 数 而是 温 度的 函 数 因 而公 式 2 5 是一 个非线性的微分方程组 2 时间域的离散 由 于式 2 5 中的 K c 厦 P 都 是未知量T 的函 数 它 们 也随时间 而 变 化 因 温度T 随时间变化 这里采用加权差分法来对时间 域进行离散 在每个时间步长山内 由泰勒级数展开式可得 对 t 十 0 点建立差分格式 夕 是加权系数 0 0 1 r 山 口 I r 1 仍 r 0 夕 2 T 的 生 仔 山 山 一 r 0 夕2 刁一次 将上述二式代入式 2 5 并对俨 作同 样展开 可得用 t 十 二 丁 津 j 全 田出 r 沽水出 出八t 艺 石 川仔 口 气 1 少 a 丽了 懈 叹 全a t 一 1打 戈a 1月 戈 少 一 戈尹 J 如果又 p c P 都都是温度T 的直接函 数 则 d l H H A d 毛 乃 d F D d T 焊接人 w w w c n w e l d e r c o m 免费下载 浙江工业大学硕士学位论文第二章 梁柱连接焊缝焊接过程的 有限元理论和数 值模拟 这样就可以得到 晶伽 T H A 一 D 2 1 3 迭 代 过 程 如 下 如 果已 知 第 r 次 近 似 值伏 由 式 2 1 2 2 8 分 别 算出伽 Tr A 小 几 和 凡 再由式 2 13 2 1 0 算出未知向量的第 l次值 Tr 仪卜协T 小 多次迭代直至收敛 2 3焊接应力和变形的分析理论 3l H 34 由 于高度集中的瞬时热输入 在焊接过程中和焊后将产生相当大的焊接应力 和变形 焊接应力和变形计算是以焊接温度场的分析为基础 同时考虑焊接区组 织转变对应力应变场带来的影响 目 前 研究焊接应力和变形的理论很多 如热 弹塑性分析 固有应变法 粘弹塑性分析 考虑相变与热应力祸合效应等 热弹 塑性分析是在焊接热循环过程中通过一步步跟踪热应变行为来计算热应力和应变 的 该方法需要采用有限元计算方法在计算机上实现 采用这种方法可以详尽地 掌握焊接应力和变形的产生及发展过程 随着大型有限元软件的开发并取得了良 好的效果 这种方法被越来越多的学者采用 本章也是基于此理论 借助于有限 元软件在计算机上实现对焊接应力和变形的模拟研究的 2 3 1热弹塑性分析的特点和假定 热弹塑性问题是一个热力学问题 作为热力学系统的焊接材料 其自由能密 度不仅与应变有关 而且还与温度有关 也就是说 力学平衡方程中有与温度有 关的项 从能量上看 输入的热能在使焊接材料温度上升的同时 还由于结构的 膨胀变形做功而消耗一部分 这时 在热传导平衡方程中 要增加与应力有关的 项 因此 严格的说 温度场与应力场是相互祸合的 不过这种祸合效果除个别 特殊情况外 一般都很小 而且焊缝附近的温度变化很大 材料的各种物理性能 也相应变化很大 这种影响与上述祸合效应相比要大得多 所以就焊接的热弹塑 性而言 取非祸合的应力场和温度场是合适的 在热弹塑性分析时有如下一些假定 l 材料的屈服服从 von Mis es 屈服准则 2 塑 性区内的 行为 服从塑 性 流动准 则和强 化 准则 焊接人 w w w c n w e l d e r c o m 免费下载 鱼 里逃左鲤全丝些左一一一一一一止叁至鱼丝鱼丝鱼 丝 3 弹 性 应变 塑 性 应 变与 温 度 应 变 是 不 可 分的 4 与 温 度 有 关 的 力 学 性 能 应 力 应 变 在 微 小 的 时 间 增 量 内 线 性 变 化 2 3 2 塑性理论 屈服准则 在简单拉 伸时 可以 通过比 较轴向 应力与 材料的屈 服应力来解决是否有塑性 变形发生 然而对于复杂的 应力状态 是否 达到屈服点并不是明 显的 屈服准则是一个可以 用来与单轴测试的屈服应力相比 较的应力状态的标量表 示 因 此 知 道了 应力 状态 和屈 服 准则 计 算时 就能 够 确定 是否 有塑 性 应变 产生 屈服准则的 值有时也叫等效应力 一个通用的屈服准则是von M is es 屈服准则 在三维主应力空间 其定义的等效应力为 一 零 一 2 2 a Z 一 二 一 2 1 4 其中叭 口 3 为 三个 正 交 方向 的 主 应 力 当 等 效 应 力子 超 过 材 料的 屈 服极 限气 时 将会发生塑性变形 与等效应力对应 定义等效应变为 万 f 2 1 产 住 一 2 2 一 凡 凡 一 2 1 5 其中e l 凡 为 三 个正 交 方向 的 主 应 变 产 为 泊 松比 1 流动准则 材料屈服以后 在加载条件下会引起塑性流动 流动准则描述了发生屈服时 塑性应变的方向 即流动准则定义了单个塑性应变分量随着屈服是怎样发展的 塑性应变增量与应力状态有如下流动准则 a 了 t d e 圣 右 二 犷 了 口 工 叮1 2 1 6 其 中 一 数 量 因 子 磊为 量 函 厅 量 位 的 偏 这 个 准 则 几 上 解释为塑性应变增量向 量的方向 与屈服曲 面的法向一致 因 此也称为法向 流动准 则 2 强化准则 强化准则描述了 初始屈服准则随着塑性应变的增加是怎 样发展的 一般来说 屈服面的变化是以前应变的函数 通常使用的强化准则有两种 等向强化准则和 l l 焊接人 w w w c n w e l d e r c o m 免费下载 浙江工业人学硕士学位论文 第三章 梁柱连接焊缝焊接过程的有限元理论和数值模拟 随动强化准则 等向强化是指屈服面以 材料中所作塑性功的大小为基础在尺寸上扩张 对V o n M is es 屈服准则来说 屈服面在所有方向均匀扩张 见图2 1 由 于等向强化 受 压的屈服应力等于受拉过程中所达到的最高应力 继屈服面 继屈服面 口 图2 1 等向强化时屈服面变化图 图2 2 随动强化时屈服面变化图 随动强化假设屈服面的大小保持不变而仅在屈服的方向上移动 当某个方向 的屈服应力升高时 其相反方向的屈服应力应该降 低 见图 2 2 在随动强化中 由于拉伸方向 屈服应力的增加导致压缩方向屈服应力的降低 所以 在对应的两个 屈 服 应 力 之 间 总 存 在 一 个 2 叮 y 的 差 值 初 始 各 向 同 性 材 料 在 屈 服 后 将 不 再 是 各 向 同 性的 2 3 3焊接热弹塑性有限元方法 1 在弹性区 全应变增量可表示为 de 北 心 T 2 1 7 拟 目为 满 足 相容 条 件 而产 生 的 弹 性 应 变增 量 毛 心 T 为 热 应 变增 量 在 达到 某一 应 力 状 态位 时 因 弹 性 矩 阵 D 弹 性 矩阵 与 弹性 模 量E 和 泊 松比 产 有 关 随 温度而变化 所以 J 取 一 卜 祭 J 2 1 8 de 是 a0乃的 增 量 微 分 a 为 初 始 温 度的 线 性 膨 胀系 数 即 dri a0 dT Td ao a0 知卜 一 dT 2 1 9 焊接人 w w w c n w e l d e r c o m 免费下载 浙江1业大学硕士学位论文 第二章 梁柱连接焊缝焊接过程的有限元理论和数 值模拟 线性膨胀系数a因随 温度而变化 所以 有效值为 一 鲁 丹 2 2 0 将式 2 1 8 219 代入公式 2 1 7 中得到 d a I D I 毛 de 一 D 卜 嘿 d 2 2 1 或者写成 d 口 D l 厦 d 卜 气 C d T 2 2 2 其中 D 一 D 一 卜 D I 卜 祭 c 为与温度有关的向 量 式 2 22 是在弹性区内 考虑材料性能依赖于温度的 增量应力应变关系式 2 在塑性区 设 材 料 屈 服 函 数 为 f 其 值 在 温 度T 应 变 硬 化 指 数K 等 条 件 下 达到f o T K 时 材 料 就开 始 屈 服 即 f fo 爪 T K e p 2 2 3 如果写成微分形式 则 df ufo 2 24 在塑性区域内 全应变增量可以分解为 厦 de l d p 毛 d 6 丈 介 2 2 5 似 s p 为 塑 性 应 变 增 量 根 据 流 动 法 则 有 J 了1 t u 拼与 二 t D 口 2 2 6 用 式 21 5 2 1 9 2 2 2 2 2 5 2 2 6 消 去 由 心 得 de 卜 器 卜 祭 口 dT 一 器 dT J D r L T 1 1 门C 一a 了 刀 IL r 1 es L 七 一 卦 偿 器 凳 偿 2 2 7 这样塑性域的应力应变关系有如下形式 焊接人 w w w c n w e l d e r c o m 免费下载 浙江工业大学硕士学位论文第二章 梁柱连接捍缝焊接过程的有限元理论和数值模拟 似 口 D de 汇 祭 卜 偿 K 器 dT 2 2 8 这 里 D 辐为 弹 塑 性 矩 阵 D D I 默器 2 2 9 为了 写 成式 2 2 2 的 形式 令式 2 2 8 中 D D 二 C 一 D D 优 D 一 一 翩 刹 5 2 3 0 则有 d a 卜 D 州e 卜毛 C d T 塑性区的加载卸载由 下式判定 对于式 2 2 7 中的聋 聋 0加载过程 参 0中 性过程 杏 因 此可以 推出 一 般单层框架的 侧 移放大系数m 入 对 于 一 般 单 层 框 架 设 在 框 架 各 柱 顶 作 用 有 竖 向 荷 载 为 艺p 在 柱 顶 作 用 有 水 平 荷 载H 则 框 架 在H 和尸 力 作 用 下 柱 顶 的 一 阶 位 移 为A 对 应 于 荷 载 一 侧 移 效 应 的 等 效 水 平 荷 载 为艺 甩 h 此 附 加 水 平 力 将 使 框 架 产 生 新 的 侧 移 焊接人 w w w c n w e l d e r c o m 免费下载 浙江工业大学硕士学位论文第三章 焊接应力和变形对钢结构 承载力影响的分析 y甩 三 竺 巴 二 二 一 二 hH 而H 表示竖向荷载时的框架刚度若令5 H 则 2 因此 新 的荷 载 一 侧 移 效 应 又 将 会 产 生 新 的 附 加 位 移 丫尸r 丫尸 丫 丫尸 丫 京 1 京 群小 撇续 卜 去 可 知 一 京 因此二阶分 析所得的总侧移为 公一sh 丫 尸 丫 尸 十 十 2 十 一 命十 京 因此放大系数为 l 1 一 艺尸 sh l 1 一 艺 甩 价 沙一sh 分一sh 乌 艺尸 sh 0 1 的 框 架 结 一 一 一 一 一 H h 构 推荐采用二阶弹性分析法确定框架杆件的内力 以提高计算的精度 在采用 二阶弹性分析时 为配合计算的精度 不论是精确计算或近似计算 也不论是有 无支撑结构 均应考虑结 构和杆件的 各种缺陷对内 力的 影响 如柱 子的 初倾斜 初 偏心 残余应力等 缺陷 对内 力的影响程 度可通过在柱顶作用有附 加假想水平荷 载H m 来 综 合 体 现 这 是 我 国 在 钢 结 构 设 计 中 第 一 次 引 入 这 种 设 计 方 法 3 31假想水平荷载法的计算简图及取值 0 2 上 n 3 2 8 飞线 0 Jl 卜J一 一 H 叫 式中 县 第 1楼 层 的 总 重力 荷 载 设 计 值 n 框架总 层数 当0 2 十 上 1 时 气 取此根号值为1 伍 a y 钢 材 强 度 影 响 系 数 其 值 为 Q235 钢 取1 0 Q 3 45 钢 取1 1 Q 3 90钢 取1 2 Q 42 0 钢取1 2 5 采用二阶分析 不论是 精确计算或 近似计算 计算内力时 框架的计算长 度 系数产 可取为 1 氏 焊接人 w w w c n w e l d e r c o m 免费下载 浙江工业大学硕士学位论文第三章 焊接应力 和变形对钢结构承载力影响的分析 H Ho 2 H二 t 图 3 10 假想水 平 荷载计 算简图 1伺 3 3 2各国规范中 假想水平荷载的取值 假想荷载法己被许多国家所采用 但由于影响假想水平荷载的因素很多 各 国规范所规定的假想荷载并不完全相同 1欧洲规范 E u r o co d e 3 19 9 3 规定 假想水 平荷载系数俨 一 rl y Z 2 00 3 2 9 式中为 寸 0 2 1 n 一r 衬 0 5 1 n c 框架层数 框架一层的柱数 ns nc 该规范同时对涉及二阶效应的构件初始挠度和楼层相对垂直作了规定在一般 情况下取引1 0 001 而对于中空截面的构件取引1 乃 02 h 0 0 02 2 加拿大设计标准 cs A 一 516 1 一 M 94 规定 当 假想水平荷载大于实际横向 水平荷载时 取假想水平荷载系数俨 0 0 05 否则取俨 0 00 占 j L h 0 0 0 1 该标准同时规定构件初始弯曲和楼层初倾斜的容许值不得超过 3 澳大利亚设计 标 准 A5 4 1 0 0 1 9 90 规定 与加拿大标准有些类似 规定假想水平力仅与永久荷载及楼面活荷载进行组 合 假想水平 荷载系 数笋 0 002 该 标 准 亦规定 构 件的 初弯曲 不得 超过3 nnn 或 占 L 0 0 01 楼层初倾斜不得超过 h 0 0 02 且同时 对整体初倾斜提出了 较为 焊接人 w w w c n w e l d e r c o m 免费下载 浙江工业大学硕士学位论文第三章焊接应力 和变形 对钢结构承载力 影 响的分析 严格的规定 由 此可知 各国设 计规范或标准中 假想水平 荷载系 数尹 存在 一定的 差异 主 要原因是采用的分析方法不同 如加拿大设计标准规定的假想水平荷载用于二阶 弹性分析 而澳大利业的设计标准规定的 假想荷载主要用于二阶塑性分析 我国国 家 标准 钢结构设计规范 G B5 001 7 一 2 003 正是在与国外规范的比 较 分 析的 情 况 下 并 考 虑 到 钢材 强 度的 影响 提出 了 假 想 水 平 力H 的 计 算 公 式 3 一 28 通 过 分 析比 较 我国 规 范 采 用 的H 值与 国 外 大 致 相当 3 3 3二阶近似分析时 杆端弯矩场的 计算 当 无支撑的纯框架在考虑侧移对内 力的影响采用二阶弹性分析时 规范 G B 5 001 7 佗 加3 提出了 框架 杆 件端弯 矩 从的 近似计 算方 法 当采用一阶分析时 图2 一 1 1 框架杆件端弯矩材1 为 M M Ml 3 3 0 当采用二阶分析时 图 2 一 1 1 框架杆件端弯矩域为 M Ml a Z M 3 3 0 式中 M lb 假定 框架无侧移时 图2 一 l l b 按一阶弹性分析求得的 各杆件端弯矩 MI 框架各节点侧移时 图 2 一 l lc 按一阶弹性分析求得的杆件端弯矩 巧 国一U L一 图3 11 无支撑纯 框架的 一阶 弹性分 析阴 焊接人 w w w c n w e l d e r c o m 免费下载 浙江下业大学硕士学位论文第三章 焊接应力和变形对钢结构承载力影响的分析 a Z 考 虑 二 阶 效 应第 1 层 杆 件的 侧 移弯 矩 增 大 系a Zi 艺 N 所 计 算 楼 层 各 柱 轴 压 力 设 计 值 之 和 细 按一阶弹性分析求得的所计算楼层的层间侧移 h 所计算楼层的高度 艺H 产 生 层 间 侧 移 细所 计 算 楼 层 及 以 上 各 层 的 水 平 力 之 和 其 中 的 艺H 系 指 产 生 层 间 位 移 的 所 计 算 楼 层 及 以 上 各 层 的 水 平 荷 载 之 和 不包括支座位移和温度的作用 3 4 A N S Y A 有限元分析简介 3 41有限元分析简介 有限元法是研究钢框架非线性分析的最有效的方法之一 本章以有限元软件 A N S Y S 作为分析工具 分别对考虑焊接残余应力 残余变形影响的钢框架和不考 虑两者的钢框架进行数值模拟 分析焊接残余应力和残余变形对钢框架的承载能 力的影响及不同焊接施工顺序对钥结构承载力的影响 3 4 Z A N S Y A 中的B E A M1 8 9 单元简介 B E A M1 89为A N s y s 中一种三维有限 应变梁单元 它可用于生成三维结构的一 维理想化模型 147 具有一下特性 1 B E A M 18 9 单元可 用于 任意 形 状的 截面 也可用于多 种 材料组 合的 截面 支 持弹性 蠕变和 塑性模型 此单 元以 铁摩 辛 柯 T 如 s h e nko 梁 理论为 基础 沿单元 截面的横向剪应变为常值 因 此截面保持为平面 在变形后不发生畸变 与刚周 边假定一致 故它可以考虑剪切变形 适用于线性 大转动及大应变非线性问 题 但不适用于高阶剪切变形理论 2 B E A M 1 89单元在打开大变形效应时 默认包含有应力硬化项 这相当于考 虑了变形的二阶效应 因此该单元可用于分析弯曲 侧屈 以及扭转稳定性问题 通过特征值屈曲分析或非线性屈曲分析 3 B E A M 189 单元支持初应力输入功能 在进行结构分析时 A N S Y S 允许使 4 7 焊接人 w w w c n w e l d e r c o m 免费下载 浙江工业大学硕上学位论文第三章 焊接应力 和变形对钢结构承载力影响的 分析 用输入文件把初应力指定为一种载荷 初应力可施加在截面的单元几何中心位置 或单元的 积分点 包括沿梁长的 积分点和截面积分点 但是必须在第一个载荷步施 力 口 B E A M 18 9 单元支持的初应力输入功能 可实 现对钢框架的梁 柱施加残余应 力 对于给定的残余应力模式 先用S llS T 命令查询出截面的各积分点坐标 将残 余应力等效为 各积分点上的集中 荷载 见图 3 1 2 a 残余应力分布 b 积分点等效力分布 图3 12 残余应力等效为积分点集中 荷载示意图 施加的残余应力是否能达到预期效果 取决于截面单元的细化程度 因此 考虑残余应力影响的构件对截面分网的要求高 B E A M189 单元所提供的自 定义截 面形状及分网功能满足了这一需要 综上所述 利用B E A M189 单元来研究焊接残余应力对钢框架的承载能力的影 响是合适的 3 5焊接残余应力和残余变形对纯框架承载力的影响 3 一5 1建立分析模型 在建立模型之前 必须首先定义采用何种单位制 用户只需要自己决定使用 何种单位制 然后保证输入的 所有数据的单位统一即 可 A N s y s 不需要转换单位 制 本章采用国际单位制N 牛顿 m 米 输入数据 l 定 义 单 元 类 型 如 前 所 述 选 用 B E A M 18 9 单 元 不 打 开 翘曲自 由 度 2 读 入 指 定 的 截 面 在建