论文总字数：21734字

摘 要

焊接是一个十分复杂的物理化学过程，焊接电流、焊接方法、焊接速度等许多因素都会对焊件的焊接过程造成影响。想要得到一个具有较好焊接质量、满足工程使用要求的焊接接头, 就必须要扬长避短，合理选择这些因素。得益于计算机性能的不断改善和科学技术的快速发展, 国内外焊接相关研究人员开始摒弃花费巨大的传统实验方法，通过利用仿真模拟软件对焊接过程进行有限元模拟分析, 使得焊接技术得到了长足的发展。

本文根据正交异性钢桥面板焊接过程的特点，以Q345钢作为焊接母材，建立了带U肋正交异性钢桥面板的三维立体模型，并进行了网格划分。焊接热源采用体生成率热源，通过生死单元技术模拟焊接热源的移动过程，而计算得到焊接时的正交异性钢桥面板焊接过程的温度场和应力应变场的分布情况。

本文利用ANASYS软件实现对正交异性钢桥面板焊接过程的有限元仿真，获得在使用不同焊接工艺参数的情况下，正交异性钢桥面板整个焊接及其冷却过程的温度场和应力场分布。分析并找出能够减少焊接残余压力，提高焊接质量的有效办法，为正交异性钢桥面板的实际应用提供参考。

关键词：正交异性钢桥面板；ANSYS；数值模拟；焊接应力变形

Abstract

Welding is a very complex physical and chemical process, welding current, welding method, welding speed and many other factors will affect the welding process of weldment. If we want to get a welded joint with good welding quality and meet the requirements of engineering, we must take advantage of the advantages and avoid the disadvantages, and choose these factors reasonably. Thanks to the continuous improvement of computer performance and the rapid development of science and technology, welding researchers at home and abroad began to abandon the traditional experimental methods that cost a lot of money, and through the use of simulation software to conduct finite element simulation analysis of welding process, welding technology has been greatly developed.

In this thesis, according to the characteristics of the welding process of orthotropic steel bridge decks, the three-dimensional model of orthotropic steel bridge decks with U ribs was established with Q345 steel as the welding base material, and the mesh was divided. The welding heat source was generated by volume, the moving process of the welding heat source was simulated by life-death unit technology, and the distribution of temperature field and stress-strain field in the welding process of orthotropic steel bridge decks was calculated.

In this thesis, ANASYS software is used to realize finite element simulation of the welding process of orthotropic steel bridge decks, and the temperature field and stress field distribution of the whole welding and cooling process of orthotropic steel bridge decks are obtained under different welding process parameters. This thesis analyzes and finds out the effective method to reduce the welding residual pressure and improve the welding quality, so as to provide reference for the practical application of orthotropic steel bridge decks.

Key Words：orthotropic steel bridge decks；ANSYS；numerical simulation；strain field

目 录

第1章 绪论 1

1.1 研究背景和意义 1

1.2 国内外相关研究现状 2

1.3 研究目标与研究内容 3

1.4 本文的组织结构 3

第2章 焊接过程有限元分析理论与技术基础 5

2.1 有限元法介绍 5

2.2 ANSYS软件 5

2.2.1 ANSYS软件特点 5

2.2.2 ANSYS软件结构 5

2.3 焊接温度场有限元分析理论 6

2.3.1 传热基本形式 6

2.3.2 温度场控制方程以及边界条件 7

2.4 焊接应力场有限元分析理论 7

2.4.1 屈服准则 8

2.4.2 流动准则 8

2.4.3 强化准则 8

2.4.4 焊接过程数值模拟分析特点 9

第3章 温度场与应力场的数值模拟 10

3.1 基本假设 10

3.2 建立焊接模型 10

3.2.1 几何尺寸的确定 10

3.2.2 建立模型 11

3.2.3 材料参数 11

3.2.4 单元类型 12

3.2.5 划分网格 12

3.3 焊接热源处理 13

3.3.1 生死单元技术 13

3.3.2 热源种类选取 14

3.3.3 焊接参数设定 14

3.4 温度场与应力场的加载求解 14

3.4.1 载荷步长设定 14

3.4.2 边界条件 15

3.4.3 热源的移动加载处理 15

3.4.4 温度场与应力场求解计算 16

第4章 焊接温度场与应力场模拟结果分析 17

4.1 焊接温度场后处理 17

4.2 焊接温度场结果分析 17

4.2.1 焊接温度场分布云图 17

4.2.2 焊接热循环曲线 18

4.3 焊接变形结果与分析 19

4.4 残余应力场分布 19

4.5 焊接工艺参数的优化 21

第5章 总结与展望 23

5.1 课题总结 23

5.2 课题展望 23

参考文献 25

致 谢 27

附录A 28

附录B 29

绪论

研究背景和意义

自从改革开放政策实施以来，我国钢铁产量逐年稳步推进，到目前为止，我国国内钢产量已遥遥领先其他国家，稳居世界第一位。与此同时，我国出于经济建设的需要，大力推进基础设施建设，又是世界上钢材消费量最高的国家。由于焊接构件相较于其他连接方式成本更低，质量更好，效率也更高，焊接已然成为钢材加工制造生产过程中的关键技术。焊接技术的重要性是毋庸置疑的，先进的焊接技术能够为国家经济发展和社会建设提供强有力的支撑^[[1]]。焊接作为一种经过长期发展不断完善的先进制造方法，其在工业生产制造中起着非常重要的作用，尤其是在材料加工领域占据的地位十分重要。焊接是一个十分复杂的物理化学过程，焊接电流、焊接方法、焊接速度等许多因素都会对焊件的焊接过程造成影响。焊缝熔池区域的熔化与凝固进程随着焊接热源的移动而沿着焊缝方向不断移动。因此，在焊接进行过程中，被焊构件上形成的温度场必然随着熔池位置的移动而不断变化并且是分布不均匀的。在焊接过程中采取不同的焊接方法或某一焊接工艺参数的差异都将造成热输入量的差异，热输入的变化进一步影响温度场的分布状况。想要得到一个具有较好焊接质量、满足工程使用要求的焊接接头, 就必须要扬长避短，合理选择这些因素^[[2]]。

正交异性钢桥面板是一种构造比较复杂的桥面板，其在钢桥面板上具有通过焊接方式连接的相互交错的纵肋和横肋，故桥面板在垂直方向和水平方向上都具有很不错的结构刚度^[[3]]。由于具有自重轻、使用可靠和承载能力强以及造型美观等特点, 世界各国大多采用正交异性钢桥面板来建造跨径较大的钢结构桥梁。可以说正交异性钢桥面板在桥梁设计建造中的使用已经成为衡量一个国家或地区钢桥设计制造水平高低的区分标准^[[4]]。

然而，正交异性钢桥面板的缺点也很明显。正交异性钢桥面板的疲劳问题十分严重^[[5]]。这是因为正交异性钢桥面板构造十分复杂，其上纵肋和横肋交错，并且它在使用过程中遭受着各种车具的移动荷载不断作用，容易使其薄弱处如应力集中程度较高的地方发生局部破坏，从而影响桥面板的使用^[[6]]；同时桥面板上数量繁多的焊缝在冷却时有严重的焊接残余应力残留，形成应力集中，这会减少正交异性钢桥面板的使用年限^[[7]]。

20多年过去, 得益于计算机技术的飞速发展，有限元方法广泛应用于焊接领域，FLUENT、ANSYS等各种商业软件也层出不穷。以ANSYS为例，ANSYS是目前世界上最流行的通用型有限元软件之一，具有自动划分网格功能，其强大的求解器能够进行非线性分析，而后处理功能可以方便直观地展示计算结果^[[8]]。因此，国内外研究人员开始摒弃花费巨大的传统实验方法，通过利用ANSYS等仿真模拟软件对焊接过程进行有限元模拟分析。可见，有限元仿真模拟技术的快速发展使得焊接技术取得了长足的进步。

从安全和成本的角度考虑，在研究正交异性钢桥面板的焊接生产应用时一般采用传统的试验手段作为基本方法, 但这种方法十分笨拙且费时费力，因为大量的焊接试验意味着生产成本的增加^[[9]]。利用有限元方法模拟焊接过程，可以避免进行实验，从而有效降低成本。同时，在实际焊接过程中存在着飞溅、烟尘等问题，容易危害到操作人员的人身安全，故难以对整个焊接过程进行全面细致的观察研究。模拟焊接过程可以保证最终焊接结构质量的可靠性，为建筑安全提供了保障。总而言之，数值模拟技术的出现可以避免许多在实际试验中可能遇到的问题，有效的节约成本，减少工作量。同时，由于没有进行实际的焊接操作，对环境友好，符合当前倡导的绿色环保实验的要求。

国内外相关研究现状

随着计算机性能的不断提高，焊接数值模拟技术得以不断发展，ANSYS等大量有限元分析软件为研究焊接过程提供了巨大的便利，仿真模拟技术已经成为现代智能制造的重要组成部分^[[10]]。在国内，薛连奇等人发现焊接残余应力使正交异性钢桥面板疲劳寿命显著减少^[[11]]。张丽对正交异性桥面板多道焊缝的动态温度场演变进行数值模拟，数值模拟结果与实测数据吻合良好，验证了有限元模拟方法的有效性^[[12]]。杨家健，肖诗祥建立正交异性钢桥面板双丝埋弧焊的有限元模型，通过计算桥面板的温度场，得出温度场分布不均匀是形成残余应力形成的最主要原因^[[13]]。周思廷发现正交异性钢桥面板U形肋板焊缝全熔透较85%熔透的纵向残余应力略大^[[14]]。周尚猛则发现最优的顶板焊接顺序应该是先进行节段间横向焊接，然后纵向方向焊接，最后再节间横向焊接^[[15]]。田康等人通过研究发现适当增大U形肋板的尺寸和间距以及横隔板之间的高度和间距，能够优化正交异性钢桥面板各部分构件之间的刚度及强度，对提高其整体工作性能和疲劳耐久性有显著影响^[[16]]。赵秋等人通过数值模拟和实验方法对U形肋板中焊接残余应力进行了估算和分析，得出U形肋板近焊缝区残余拉应力达到材料屈服强度，母板远离焊缝区残余压应力平均值约为材料屈服强度的0.2倍，其分布趋势与实验测试得到的残余应力分布比较接近^[[17]]。

在国外，通过ANSYS软件以及其他有限元分析软件对正交异性钢桥面板进行数值模拟的研究也有很大的发展。Fei Yan等人通过MDC方法研究了焊接接头的疲劳细节和性能，发现MDC方法是一种具有成本效益的方法，它适用于大跨度正交异性钢桥面桥梁的疲劳行为和疲劳评估^[[18]]。Evy Van Puymbroeck等人用有限元模型模拟了纵向加劲肋与桥面板的焊接。确定了钉焊缝尺寸、焊接电流和焊接速度对残余应力的影响^[[19]]。Van Puymbroeck,E.等人利用西门子NX软件和求解器型SAMCEF软件开发三维有限元焊接模拟程序，确定正交异性桥面焊接构件的残余应力，发现在加劲肋的焊接腹板之间存在压缩残余应力^[[20]]。

研究目标与研究内容

正交异性钢桥面板在实际生产使用过程中具有自重轻、使用可靠和承载能力强以及造型美观等优点，在中、大型钢结构桥梁的设计建造过程中得到了广泛的应用。

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