焊接殘余應(yīng)力致不銹鋼梁截面纖維低下的原因分析

焊接殘余應(yīng)力致不銹鋼梁截面纖維低下的原因分析

在焊接工藝的不銹鋼梁上，由于翼邊緣和腹部板之間的殘余拉壓力通常超過不銹鋼材料的名義屈服強(qiáng)度，因此不銹鋼梁在加載初期進(jìn)入非彈性工作階段。梁截面上分布的殘余應(yīng)力,不僅使不銹鋼梁過早地達(dá)到屈服,還降低了截面的有效剛度和梁側(cè)扭屈曲的極限承載力。因此,殘余應(yīng)力對(duì)不銹鋼梁側(cè)扭屈曲的影響便顯得十分重要。由于目前國外對(duì)不銹鋼梁的研究主要集中在冷彎截面,本文作者已經(jīng)對(duì)焊接工字形不銹鋼梁的整體穩(wěn)定性能進(jìn)行了較為系統(tǒng)的研究,并取得了一定成果。但是由于我國尚未對(duì)焊接不銹鋼截面的殘余應(yīng)力分布進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)研究,提出殘余應(yīng)力分布模型,所以本文就殘余應(yīng)力對(duì)焊接不銹鋼梁側(cè)扭屈曲的影響進(jìn)行了分析研究,以完善對(duì)焊接不銹鋼梁的整體穩(wěn)定性能的研究。1殘余應(yīng)力分布模型的建立歐洲對(duì)不銹鋼焊接截面殘余應(yīng)力分布的研究開展較早,Lagerqvist和Olsson測量了奧氏體型和雙相體型不銹鋼焊接截面的殘余應(yīng)力分布,但沒有提出建議的分布模型;Ashra1和Gardner在有限元分析中建議采用如圖1所示的殘余應(yīng)力分布模式(正值表示殘余拉應(yīng)力,負(fù)值表示殘余壓應(yīng)力),Gardner通過一系列的試驗(yàn)研究,提出了不銹鋼焊接工字形截面的殘余應(yīng)力分布模型(如圖2),其中殘余壓應(yīng)力根據(jù)全截面的內(nèi)力自相平衡的條件來確定。這兩種殘余應(yīng)力分布模型的分布模式基本相同,只是殘余應(yīng)力峰值的取值和分布面積不同。為了便于對(duì)殘余應(yīng)力分布的影響進(jìn)行參數(shù)化分析,本文采用圖1所建議的殘余應(yīng)力分布,將殘余應(yīng)力以初始應(yīng)力的方式施加到有限元模型中,同時(shí)為了有限元建模與計(jì)算的方便,對(duì)于有限元模型中同一個(gè)單元的不同積分點(diǎn),施加相同的殘余應(yīng)力數(shù)值。施加殘余應(yīng)力后有限元模型截面的應(yīng)力分布如圖3所示(f0.2=205MPa)。2應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系方程本文采用有限元軟件ANSYS進(jìn)行參數(shù)化分析,采用殼單元Shell181建立均布荷載作用下兩端簡支的不銹鋼工字梁的有限元分析模型(計(jì)算簡圖如圖4所示),該單元是4結(jié)點(diǎn)單元,每個(gè)結(jié)點(diǎn)有6個(gè)自由度,支持非線性屈曲分析和初始應(yīng)力的輸入。有限元分析所采用的工字形截面尺寸是216mm×100mm×6mm×8mm,有限元模型的初始幾何缺陷參考構(gòu)件的一階屈曲模態(tài),初始缺陷峰值取為梁長的1/1000(圖5b)。不銹鋼是一種典型的非線性材料,其應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系方程可以用RambergOsgood方程來描述:對(duì)于焊接工字形不銹鋼梁,由于焊接殘余應(yīng)力的存在,一開始加荷,梁就進(jìn)入了非彈性工作階段,梁截面部分纖維屈服,降低了截面的剛度。為了考慮殘余應(yīng)力對(duì)梁側(cè)扭屈曲性能的影響,方便進(jìn)行參數(shù)化分析,本文采用第一種殘余應(yīng)力分布模型進(jìn)行研究(圖1),殘余應(yīng)力具體的分布方式按照翼緣和腹板各自的內(nèi)力平衡來確定。3參數(shù)化分析對(duì)影響因素的影響3.1側(cè)扭臨界彎矩由于工字形截面的腹板對(duì)梁側(cè)向抗彎剛度和翹曲剛度的貢獻(xiàn)很小,所以主要分析了翼緣殘余拉應(yīng)力和壓應(yīng)力面積變化對(duì)梁側(cè)扭屈曲承載力的影響。圖6中橫坐標(biāo)是正則化長細(xì)比,Mp是全截面達(dá)到名義屈服強(qiáng)度時(shí)的截面塑性彎矩,ME是不計(jì)殘余應(yīng)力影響的彈性側(cè)扭臨界彎矩,Mcr是有限元計(jì)算得到的極限彎矩。由圖6可以看出,盡管翼緣的拉應(yīng)力和壓應(yīng)力區(qū)域發(fā)生了較大變化,但是對(duì)梁的側(cè)扭屈曲承載力影響不大。因此,只要截面的殘余應(yīng)力峰值相同,按照整個(gè)截面或者按照翼緣和腹板上各自的內(nèi)力平衡條件確定的殘余應(yīng)力分布模型對(duì)焊接工字形不銹鋼梁側(cè)扭屈曲性能的影響不大。3.2其余拉應(yīng)力的峰值是由翼邊緣和腹部螺釘之間的由圖7可看出,改變焊接工字形截面翼緣與腹板連接處的殘余拉應(yīng)力峰值(殘余壓應(yīng)力峰值保持不變),對(duì)梁側(cè)扭屈曲承載力的影響幾乎可以忽略。3.3腹部其余壓力的峰值由圖8可以看出,只改變腹板的殘余壓應(yīng)力峰值fwc對(duì)梁的側(cè)扭曲線影響十分小。3.4ffc對(duì)側(cè)扭曲線的影響由圖9可以看出,僅改變翼緣端部的殘余壓應(yīng)力峰值ffc,對(duì)梁的側(cè)扭曲線影響較為顯著。尤其是在受壓翼緣屈服后,ffc越大,梁的側(cè)扭屈曲承載力越低。但是當(dāng)ffc增大到一定程度時(shí)(ffc≥0.25f0.2),這種影響便逐漸減弱了。3.5截面高寬比對(duì)梁的側(cè)扭曲線的影響本文還研究了截面尺寸對(duì)不銹鋼梁側(cè)扭屈曲性能的影響,由圖10可以看出,梁的側(cè)扭曲線隨著截面高寬比的增大逐漸降低,但在常用的高寬比范圍內(nèi)(h/b=2~4),這種影響比較小。這與焊接鋼梁的研究成果比較一致。4側(cè)扭屈曲性能的影響因素1)本文較為系統(tǒng)地分析了殘余應(yīng)力分布對(duì)焊接工字形不銹鋼梁側(cè)扭屈曲性能的影響,使對(duì)焊接工字形不銹鋼梁整體穩(wěn)定性能的研究更加完善,證明了對(duì)于焊接不銹鋼梁,影響其側(cè)扭屈曲性能的主要因素是翼緣的殘余壓應(yīng)力峰值。2)梁的側(cè)扭屈曲承載力隨著壓應(yīng)力峰值的增大而減小,但當(dāng)殘余壓應(yīng)力峰值增大到一定程度后(ffc≥0.25f0.2),梁的側(cè)扭屈曲承載力變化不大。3)翼緣殘余拉應(yīng)力和壓應(yīng)力圖形面積的變化、殘余拉應(yīng)力峰值、腹板殘余壓應(yīng)