淺析鋼結(jié)構(gòu)大型焊接構(gòu)件的焊接變形預(yù)測(cè)與控制

1、淺析鋼結(jié)構(gòu)大型焊接構(gòu)件的焊接變形預(yù)測(cè)與控制 淺析鋼結(jié)構(gòu)大型焊接構(gòu)件的焊接變形預(yù)測(cè)與控制 摘 要隨著我國根底建設(shè)步伐的日益加快，鋼結(jié)構(gòu)也成為各工程領(lǐng)域中應(yīng)用的主要材料之一。其本身具有強(qiáng)度較高、重量輕等優(yōu)勢(shì)，極適用于大跨度與高層結(jié)構(gòu)施工。然而應(yīng)用中也發(fā)現(xiàn)因其焊接難度過大且構(gòu)件大截面尺寸，為焊接工作帶來較大的難題，使構(gòu)件焊接質(zhì)量受到影響。本文主要對(duì)焊接模擬變形中熱源子程序的引入、對(duì)焊接中應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)、溫度場(chǎng)的模擬、模擬結(jié)果討論以及焊接變形的具體控制策略進(jìn)行探析。 關(guān)鍵詞鋼結(jié)構(gòu)；焊接變形；模擬；控制 中圖分類號(hào)：TG404 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-914X47-0152-01 前言：現(xiàn)行大多

2、建筑施工領(lǐng)域中焊接構(gòu)件多以工字型界面為主，而且在焊接過程中通常采用電弧焊的形式，由于其本身需進(jìn)行加熱或冷卻，在結(jié)束焊接后可能出現(xiàn)剩余變形等問題，嚴(yán)重情況下將直接直接致使構(gòu)件變成廢品。這種情況下，無論進(jìn)行變形矯正工作或構(gòu)件成為廢品都可能使企業(yè)在生產(chǎn)進(jìn)度、生產(chǎn)本錢等方面受到影響。因此，如何做好焊接變形控制是現(xiàn)行企業(yè)鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件制作中需考慮的重要問題。 一、焊接模擬變形中熱源子程序的引入 現(xiàn)階段，對(duì)于大多焊接領(lǐng)域中用于有限元分析的軟件包括很多如ANIDN、ANSYS以及ABAQUS等。以其中ABAQUS為典型代表，能夠充分模擬焊接中弧焊的具體過程，在此根底上對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行計(jì)算分析。從ABAQUS引用正

3、，進(jìn)行有限元分析的具體過程看，主要通過ABAQUS/CAE前處理、ABAQUS/STANDARD計(jì)算過程以及后處理工作。其中前處理中要求進(jìn)行ABAQUS模型的構(gòu)件，并將生成的文件向分析計(jì)算軟件中進(jìn)行傳輸。而計(jì)算中主要對(duì)文件內(nèi)的相關(guān)模型進(jìn)行求解，并在后臺(tái)中進(jìn)行運(yùn)行。最后利用后處理將相應(yīng)的如XY曲線、動(dòng)畫、云紋圖等進(jìn)行讀入分析。為使軟件功能得以充分發(fā)揮，在應(yīng)用中還需對(duì)DFLUX子程序進(jìn)行編寫，需注意因焊接過程較為復(fù)雜，在模擬中也面臨較大的難題，因此在熱源模型構(gòu)件中應(yīng)以簡化形式為主，包括高斯熱源模型、分段移動(dòng)以及雙橢球體等類型熱源模型【1】。 二、對(duì)焊接中應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)、溫度場(chǎng)的模擬分析 由于焊接變形問

4、題的產(chǎn)生除因溫度場(chǎng)存在外也包括應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)等原因，在模擬分析過程中應(yīng)充分將此兩點(diǎn)考慮其中。實(shí)際模擬前可假定的以20為構(gòu)件初始溫度、不考慮攪拌與化學(xué)反響問題并假定木材與焊條一致。在此根底上首先模擬焊接中的溫度場(chǎng)。具體步驟包括：幾何模型的構(gòu)建與材料相關(guān)參數(shù)的明確。其中幾何模型構(gòu)建需通過焊縫、腹板與翼板形成相應(yīng)的平面模型，此時(shí)進(jìn)行拉伸以形成三維模型，這樣在不考慮融化問題的根底上使焊縫外表以弧面的形式存在。而在材料參數(shù)方面主要選定20初始溫度的焊件，Q235B鋼材；單元類型確實(shí)定。根據(jù)焊接溫度場(chǎng)具體分析主要選用三維實(shí)體單元，其在傳熱功能分析、焊縫處單元?jiǎng)澐值确矫娑季哂休^為明顯的優(yōu)勢(shì)；劃分網(wǎng)格。結(jié)合焊接中

5、溫度變化的表現(xiàn)形式，在網(wǎng)格劃分中主要集中在焊縫區(qū)、母材區(qū)、影響以及過渡區(qū)；對(duì)熱源加載的考慮。該過程中主要需利用ABAQUS中的相關(guān)模塊對(duì)焊接的準(zhǔn)備、加熱與冷卻步驟進(jìn)行設(shè)計(jì)，同時(shí)考慮施加熱源載荷中雙橢球熱源功能的實(shí)現(xiàn)；對(duì)求解過程的設(shè)計(jì)。主要考慮焊接的熱傳導(dǎo)、對(duì)流以及輻射等。 而在應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)模擬中，利用ABAQUS軟件模擬過程中與溫度場(chǎng)模擬較為相似，在模型構(gòu)建的根底上進(jìn)行材料參數(shù)的明確以及單元類型的劃分。然后結(jié)合溫度場(chǎng)計(jì)算結(jié)果做好求解過程設(shè)置。與之不同的為其需做好后處理工作，要求根據(jù)時(shí)間變化對(duì)焊接借點(diǎn)應(yīng)力變化進(jìn)行分析，最終完成相應(yīng)的計(jì)算過程。 三、模擬結(jié)果討論 通過模擬結(jié)果，對(duì)于溫度場(chǎng)可從分布云圖

6、、樣點(diǎn)熱循環(huán)以及具體分布路徑等方面得出相應(yīng)的結(jié)論。其中在分布云圖中，可分別對(duì)冷卻前與冷卻后焊接情況進(jìn)行判斷，當(dāng)初始溫度為2000時(shí)，在冷卻作用下溫度逐漸下降，且腹板焊縫等區(qū)域受余溫影響出現(xiàn)等溫色帶區(qū)域，而冷卻后在溫度保持20左右時(shí)，可發(fā)現(xiàn)構(gòu)建的模型與模擬結(jié)果接近。在樣點(diǎn)循環(huán)方面，通過模擬結(jié)果可發(fā)現(xiàn)與焊縫中心相近處熱循環(huán)表現(xiàn)出溫度高、加熱與冷卻速度快等特征，而距離較遠(yuǎn)處溫度變化那么不明顯。加上溫度場(chǎng)的具體分布情況，可得出移動(dòng)熱源模型下溫度差與實(shí)際分布不存在較大的差異。而在應(yīng)力場(chǎng)方面，無論從分布云圖、樣點(diǎn)焊接以及分布路徑等方面都可得出模型模擬數(shù)值保持相近。因此在控制過程中應(yīng)充分利用有限元分析方法【

7、2】。 四、焊接變形的具體控制策略 結(jié)合變形控制相關(guān)理論以及上述模擬分析，焊接中變形問題的產(chǎn)生主要?dú)w因于不均勻加熱，且在焊接中存有剩余應(yīng)力作用下，焊接構(gòu)件易發(fā)生變形問題。具體控制焊接變形的措施主要表達(dá)在：第一，從設(shè)計(jì)角度。鋼構(gòu)件焊接過程中要求做好焊接形式與尺寸的控制。通常尺寸控制往往與變形的大小保持正比關(guān)系，變形隨尺寸的增加而變大，且焊接工作量也交到，所以控制中應(yīng)以小焊接尺寸為主。同時(shí)應(yīng)注重對(duì)焊縫位置進(jìn)行合理安排，可使中性軸與焊縫保持對(duì)稱，這樣變形撓曲問題能夠逐漸消除。第二，從技術(shù)工藝應(yīng)用角度。在控制中采取的方式首先表達(dá)在加工質(zhì)量方面。加工中對(duì)于鋼結(jié)構(gòu)原材料應(yīng)注重切割質(zhì)量的提高，使零件具備較高

8、精度的尺寸，同時(shí)引入工裝胎具可使裝備質(zhì)量得以保證，這樣關(guān)于前文中提及對(duì)應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)問題得以解決。其次應(yīng)做好焊接方向順序的控制工作，確保材料在性能、厚度以及焊縫等級(jí)等各方面滿足焊接要求的根底上進(jìn)行焊接順序確實(shí)定，如對(duì)角焊接方式的應(yīng)用等。而在方向確定過程中應(yīng)結(jié)合不同焊接情況進(jìn)行方式選擇如焊縫在同一直線較多的情況下可由中間向兩側(cè)進(jìn)行退焊，或?qū)τ诟綦x焊縫引入跳焊方式。再次，對(duì)于因電弧焊引起的變形問題，可引用的方式主要以二氧化碳?xì)獗Ｗo(hù)的方式，其具備本錢低且效率高等優(yōu)勢(shì)。最后，利用剛性固定的方式，主要在焊接中進(jìn)行拉桿或支撐的設(shè)置，使工件以封閉的形式存在，對(duì)于焊接變形問題的解決也可起到一定的作用【3】。 結(jié)論：對(duì)于焊接變形問題，實(shí)際預(yù)測(cè)與控制中應(yīng)注重引入有限元分析方法，分別對(duì)焊接溫度場(chǎng)、應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)進(jìn)行相應(yīng)模型的構(gòu)建，在ABAQUS軟件應(yīng)用的根底上進(jìn)行得出具體的模擬結(jié)果。這樣在實(shí)際預(yù)測(cè)與控制中便可結(jié)合模擬計(jì)算結(jié)果采取相應(yīng)的策略，使焊接變形問題得以解決。 參考文獻(xiàn) 【1