1.1 选题的目的和意义

焊接是一个局部快速加热到高温，并随后快速冷却的过程。焊接过程中的物理现象包括焊接时的电磁、传热、金属的熔化和凝固、冷却时的相变、焊接应力和变形等，要得到一个高质量的焊接结构必须要控制所有这些因素。近年来，高层建筑如雨后春笋，其中以钢结构和钢-混凝土为主要形式。在高层钢结构建筑中，箱型柱以其较好的受力特性而被广泛应用[1]，例如1972年和1973年相继建成的美国世贸大楼[2]，就是以截面尺寸不同的钢箱柱为主要受力构件，而钢箱柱主要由焊接工艺制作而成。在实际操作中[3]，人们一般凭借经验或者是通过一系列的实验来获得可靠而经济的焊接结构。然而，大型的焊接结构如果只依靠实验方法积累数据不仅要花费大量的时间和经费，而且任何尝试的失败，都将造成重大的经济损失。随着计算机技术的不断发展，有限元方法开始应用于焊接领域，ANSYS等各种商业软件也层出不穷。在大型工程中，很多焊接试验开销太大或者根本无法进行，利用有限元方法模拟焊接过程，可以避免进行实验，从而大大降低成本。同时，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。

1.2 国内外关于该论题的研究现状

国内关于焊接数值模拟的相关研究最早开始于上海交通大学。由上海交通大学的陈楚主编的《数值分析在焊接中的应用》[4]，最早介绍了数值分析方法，主要是有限元法和差分法在焊接领域中的应用。此后，上海交通大学开发出了二维平面变形和轴对称的焊接热弹塑性有限元分析程序[5]，同时考虑了温度对材料的影响和进入塑变后卸载和应变硬化问题。近年来，国内关于焊接数值模拟的研究如雨后春笋一般。在厚板多层多道焊的数值模拟方面，罗金华等人利用ANSYS软件[6]，将solid70和solid90单元结合。对中厚板焊接的温度场和应力应变场等进行了三维数值模拟。贾坤宁等人通过数值模拟的方法[7]确定中厚板桥梁钢的合理焊接工艺，并通过实验方法验证和对接头组织性能进行了分析。房元斌等人对大型结构件中厚板焊接的焊道进行优化[8]，将三层六道焊缝分别处理为2层3道焊和单层单道焊，利用MARC软件对焊接过程进行了模拟。张文平等人针对超微弧（ForceArc）焊接过程的新特点[9]，建立了合适的体积热源模型，利用SYSWELD软件对Q690高强钢中厚板焊接过程进行了数值模拟分析。杜宝帅等人利用ANSYS软件对超细晶Q460钢多层多道焊残余应力场进行了数值模拟分析[10]，结果表明，焊接过程中每层焊缝表面的纵向应力峰值逐渐减小；焊接结束后，焊缝及其近缝区域表现出较高的纵向残余拉应力。

同样，国外很多国家也进行了关于焊接数值模拟的研究。M. Zubairuddin等人利用SYSWELD软件[11]，分别采用二维单元和三维单元对91级钢板对接钨极氩弧焊的温度场和应力应变场进行分析，并得出结论，采用三维精细网格划分得到的结果最接近实验结果。D. Venkatkumar等人通过数值模拟研究了钨极氩弧焊中的焊接热输入 [12]，采用双椭球热源建模，并得出结论，热输入对焊缝残余应力有很大影响。P.Jedrasiak等人利用间隙计算热生成率的连续热源模型[13]预测了超声波焊接(USW)的热发生效率，这种方法主要用于铝合金的焊接。Paulo Cezar Adamczuk等人利用数值模拟方法对S355J2 N钢焊件中的焊接应力形成进行了分析[14]，解释了焊接热过程对焊接热影响区局部热-机械性能的影响。Karlo Sele#353;等人提出了一种用于预测大型构件中由焊接引起的残余应力和变形的有效有限元程序[15]，该程序使用ABAQUS的接口，有效提高了计算效率，并省去了麻烦的焊接分析步骤。本课题主要研究的是针对钢结构立柱焊接过程的特点，利用ANSYS软件进行有限元仿真，从而提高焊接的质量。

2. 研究的基本内容与方案

2.1 基本内容

本项目主要完成的内容是根据高层建筑钢结构立柱的焊接过程特点，利用ANSYS软件实现对钢结构立柱焊接过程的有限元仿真，研究焊接中残余应力和变形，并分析焊接工艺对残余应力和分布的影响。

2.2 技术方案

ANSYS对焊接过程的分析一般采用热-结构耦合分析的方法。热-结构耦合分析是指求解温度场对结构中的应力、应变和位移等物理量影响的分析。耦合分析一般分为直接耦合和间接耦合，而焊接数值模拟中采用间接耦合，即先求解温度场，再将温度场作为载荷施加在结构中，求解结构中的应力分布。

具体来说，对钢结构立柱焊接过程的仿真分析可以分为以下几步进行：