廈漳大橋（南汊）錨拉板焊接殘余應(yīng)力有限元分析

胡 娟 伍賢智 石峻峰 何 浩 陳東波

（1.長安大學(xué)公路學(xué)院 長安 710064；2.中鐵大橋局集團武漢橋梁科學(xué)研究院有限公司 武漢 430034；3.湖北工業(yè)大學(xué) 武漢 430068；4.中交第二航務(wù)工程勘察設(shè)計院有限公司 武漢 430071）

1 大橋錨拉板概況

廈漳跨海大橋南汊主橋索梁錨固結(jié)構(gòu)采用錨拉板式錨固方式［1］，錨拉板所有材料采用Q370qD。錨拉板直接焊接在工字型主梁的上翼緣，其厚度方向承受拉應(yīng)力，主梁上翼緣鋼材的Z向性能和焊接的熱影響區(qū)是最為薄弱的環(huán)節(jié)；而且錨拉板的焊縫相互交叉、焊縫形式多樣，對于厚板焊接，拘束度大，殘余應(yīng)力場復(fù)雜、殘余應(yīng)力大，將會較大程度地降低焊接接頭的疲勞強度和韌性。因此，對錨拉板的焊接殘余應(yīng)力采用數(shù)值方法計算殘余應(yīng)力的大小及其分布形式，為焊接參數(shù)的選擇提供參考。

由于焊接過程模擬分析的復(fù)雜性，需要反復(fù)進行非線性迭代運算，故對錨拉板三維整體焊接分析非常困難，本文主要針對錨拉板上的P3焊縫局部進行三維模擬分析。P3焊縫形式及其施焊順序見表1～2。

表1 P3焊縫形式

表2 坡口角焊縫施焊狀況

2 溫度－應(yīng)力耦合有限元分析

利用耦合場分析方法［2］研究2種或多種物理場的交叉作用和相互影響，耦合分析有2種方法：直接耦合方法及順序耦合方法。直接耦合方法利用包含所有必須自由度的耦合單元類型，僅僅經(jīng)過一次求解即可得出耦合場分析結(jié)果。

直接耦合的耦合矩陣方程為

在矩陣中，耦合效應(yīng)要考慮非對角子陣K12和K21的影響，（X1，X2）是2種不同場類型的自由度。在本文中，焊接殘余應(yīng)力計算分析采用直接耦合方法。

3 溫度應(yīng)力的計算

溫度應(yīng)力是指當物體由于溫度升降受到約束或各個部分的溫度變化不均勻時，物體內(nèi)部就會產(chǎn)生應(yīng)力。物體的溫度改變時，溫度變形為線應(yīng)變，若把溫度改變產(chǎn)生的線應(yīng)變視為物體的初始應(yīng)變，則它的三維問題表達式為

式中：φ0為初始溫度場；α為材料的熱膨脹系數(shù)；φ為結(jié)構(gòu)的穩(wěn)態(tài)溫度場或瞬態(tài)溫度場。

4 錨拉板焊縫殘余應(yīng)力分析

4.1 P3焊縫有限元模型

應(yīng)用ANSYS提供的Solid5耦合單元，運用單元生死技術(shù)模擬焊接過程，采用高斯熱源函數(shù)，通過熱－結(jié)構(gòu)耦合分析功能進行焊接過程的仿真分析，計算焊接過程中的溫度分布和應(yīng)力分布以及冷卻后的焊縫殘余應(yīng)力［3］。

對于P3焊縫具有多個焊道，從坡口底部沿焊道向上逐步完成焊接，在整個模擬過程按照實際焊道劃分焊縫單元，材料為雙線性隨動強化準則。P3焊縫焊接的2塊試板尺寸為：40mm×400mm×500mm，20mm×400mm×500mm，為了研究方便，沿坡口從上到下在焊接方向取3條路徑，分別為Path1，Path2，和Path3，有限元模型見圖1～圖3。

圖1 焊接模型

圖2 焊縫圖

圖3 在截面上選取5點

4.2 分析結(jié)果

通過計算得到焊接過程中溫度和應(yīng)力分布的演變過程，規(guī)律性比較明顯，坡口焊接的溫度經(jīng)歷從高到低的過程，變形受到約束而產(chǎn)生殘余應(yīng)力。在焊接過程中，局部最大殘余應(yīng)力可以達到575 MPa，出現(xiàn)的位置在焊料內(nèi)部。焊接完成后的最大局部永久殘余應(yīng)力為365MPa，位于坡口焊縫邊緣焊料與母材相接觸的位置，見圖4，圖5。由于3條應(yīng)力路徑都是選擇在坡口焊縫的母材表面，最大的局部殘余應(yīng)力沒有超過200MPa。整個焊接模擬過程所得到的結(jié)果比較合理，能夠為真實的焊接操作提供一定的依據(jù)。

圖4 最終殘余應(yīng)力云圖

圖5 最終路徑Path1應(yīng)力曲線

圖6～圖9為在坡口焊縫的端部截面和中間截面的相應(yīng)位置所取的5個點的應(yīng)力與溫度時程曲線，從圖中可以看到每條曲線有幾個明顯的峰值，這和焊道數(shù)是對應(yīng)的。每次施焊點達到這個位置時，溫度和應(yīng)力就會出現(xiàn)峰值，隨著溫度下降到常溫，應(yīng)力最后也逐漸趨于一個穩(wěn)定值。

圖6 端部截面5點應(yīng)力時程曲線

圖7 中間截面5點應(yīng)力時程曲線

圖8 端部截面5點溫度時程曲線

圖9 中間截面5點溫度時程曲線

圖10～圖13為分別在3條路徑上取的10個點的應(yīng)力及溫度時程曲線，可以看到隨著焊道的推移，各點的應(yīng)力和溫度此起彼伏，最后都趨于一個穩(wěn)定值，端部的殘余應(yīng)力比較大。由于施焊是從下向上，所以Path3上的各點首先會出現(xiàn)應(yīng)力和溫度最大值。

圖10 Path1上各點應(yīng)力時程曲線

圖11 Path2上各點應(yīng)力時程曲線

圖12 Path3上各點應(yīng)力時程曲線

圖13 Path1上各點溫度時程曲線

從曲線及云圖中可以看到，焊縫周圍的最終殘余應(yīng)力并未達到材料的屈服值，殘余應(yīng)力與材料的熱力學(xué)參數(shù)、焊道的劃分、施焊的順序都有關(guān)系。

由于在計算模擬中，采用單元生死來模擬焊道的焊接過程，真實地反映了實際焊接過程。焊縫內(nèi)所有單元在開始計算前被殺死，即單元剛度非常小。在計算過程中，將不同道次被“殺死”的單元按道焊的先后順序“激活”，模擬各道次焊縫金屬的填充過程。

上述圖中反映了施焊過程中溫度變化過程，在焊接當前焊道時，溫度最高，隨后，在焊接下一個焊道時，此焊道溫度逐漸降低。圖中也可以看到等效殘余應(yīng)力的變化過程，在焊接過程中，由于在焊縫周圍的殘余變形較大，所以最大殘余應(yīng)力主要位于母材與焊料之間的位置。

5 結(jié)語

采用ANSYS有限元軟件對錨拉板P3焊縫焊接過程進行仿真分析，得到焊縫周圍局部最大焊接殘余應(yīng)力達到365MPa，已經(jīng)超過材料的屈服強度。從相關(guān)文獻資料可知，焊接過程中的材料殘余應(yīng)力接近或達到材料的屈服強度屬于正常現(xiàn)象，焊接殘余應(yīng)力對結(jié)構(gòu)的影響應(yīng)該與外荷載應(yīng)力結(jié)合起來考慮。

［1］重慶交通科研設(shè)計院，福建省交通規(guī)劃設(shè)計院，中交第一公路勘察設(shè)計研究院有限公司聯(lián)合體.廈漳跨海大橋施工圖設(shè)計［Z］.重慶：重慶交通科研設(shè)計院，2009.

［2］王勖成.有限單元法［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2004.

［3］中鐵大橋局集團武漢橋梁科學(xué)研究院有限公司.廈漳跨海大橋斜拉橋主橋錨拉板受力機理理論分析和模型試驗研究［R］.武漢：中鐵大橋局集團武漢橋梁科學(xué)研究院有限公司，2012.