基于軟件聯合仿真的板肋加勁板焊接過程分析

陳澤強

（中鐵十八局集團有限公司 天津 300222）

1 引言

目前，為滿足承載力的要求，我國鋼結構橋梁中使用鋼壓桿或鋼箱梁作為主要承重構件［1-3］。這些構件中，加勁肋的形式主要有板肋、T肋及U肋。在厚板結構中，板肋與母板的焊接施工工藝相比更為方便，在熔透的工藝要求下，方便工地操作，因此近年來應用較為廣泛。

怒江四線特大橋位于金剛元隧道與高黎貢山隧道之間，于大坪子附近跨越怒江，橋上設站，為四線特大橋，線間距5 m，橋梁全長1 024.2 m。主橋采用1-490 m上承式鋼桁拱跨越峽谷，鋼桁拱架由帶肋箱形截面鋼構件組成（見圖1），且其桿件中鋼板最大板厚為52 mm。

圖1 典型帶肋箱形截面鋼構件

殘余應力作為影響鋼結構力學性能的主要因素之一，國內外學者對其進行了廣泛研究。研究殘余應力的主要方法為試驗測試法與數值模擬法。近年來由于計算機技術的成熟及通用有限元軟件的普及，數值模擬法成為研究殘余應力的主流方法。高占遠［4］等對大型或復雜鋼結構的焊接殘余應力進行了綜述，指出了焊接殘余應力和變形問題將對工程結構的設計、施工及安全有十分重要的意義。劉何亮［5］、趙秋［6］及王若林［7］等采用ANSYS對U肋與頂板連接的焊接殘余應力進行了研究。付政［8］等采用熱彈塑性有限元法和焊縫收縮力法對T形焊接接頭進行了焊接變形模擬，并就焊接順序對焊接變形的影響進行了參數討論。李學明［9］就焊接順序對H型鋼焊接變形的影響進行了研究。曹寶雅［10］等采用ANSYS有限元模型研究了板件厚度對U肋加勁板殘余應力的影響。然而，目前通過數值模擬方法對焊接過程的分析研究仍集中在U肋加勁板或對接焊縫上，對類似板肋加勁板結構涉及的T形焊接接頭報道較少。

本文的研究為怒江四線特大橋中帶肋箱形截面桿件殘余應力研究的前期理論性探討，重點在于建立基于ANSYS-ABAQUS聯合仿真模擬板肋加勁板結構T形接頭的參數化建模方法，并通過文獻中的算例對本文方法進行驗證，為后續實橋壓桿的殘余應力分析作鋪墊性工作。

2 焊接基本理論

焊接過程是對焊接板件的瞬時大量熱輸入后又急速冷卻的過程，關系熱量、溫度等物理量在空間與時間維度上的變化，屬于非線性瞬態熱傳導問題。熱傳導的控制方程為［11］：

式中，c為比熱容；ρ為密度；v為傳導速率。

求解其溫度場時，可采用以下邊界條件：第一類邊界條件，邊界上溫度值已知：

第二類邊界條件，邊界上熱流密度分布已知：

第三類邊界條件，邊界與周圍環境的熱交換已知：

式中，qs為單位面積上的外部熱源輸入；β為表面換熱系數；Tα為邊界已知溫度；Ts為周圍介質溫度。

焊接過程應力場是由溫度作用下材料的不均勻收縮與邊界約束共同作用產生的。同時，由于焊接過程中在焊接熱影響區域溫度梯度較大，溫度較高，使部分材料出現屈服，并隨熱量的輸入出現反復強化。焊接應力場的計算分析應采用熱彈塑性理論。除此之外，溫度場與應力場的求解過程還需考慮材料的熱、力物理性質隨溫度的變化特征。

3 軟件聯合仿真實現方法及模型

3.1 聯合仿真實現方法

根據既有研究成果，焊接過程的分析采用有限元軟件進行求解時，計算效率更高，應力計算也更容易收斂。

本文采用相關有限元軟件聯合仿真對T型焊接接頭的焊接過程進行分析。并采用熱-結構間接耦合方法進行求解，即首先對構件求解溫度場，將溫度場結果作為荷載再施加到構件的靜力模型中，求解應力場（見圖2）。具體步驟：

（1）以板件厚度、寬度、長度等作為參數，建立有限元模型。網格劃分結束后，定義焊縫組，以方便通過生死單元法模擬焊縫填充的過程。模型建立結束后，保存文件。

（2）單元類型轉化，并輸入熱量，選取橢球熱源模型［6］，用于求解溫度場。

（3）待溫度場求解結束后，將單元類型修改為結構單元，添加位移邊界條件，求解應力場。

圖2 軟件聯合仿真流程

3.2 分析模型

以文獻［7］中板肋加勁板的幾何尺寸作為參考，考慮試件的對稱性，建立其三維實體單元有限元模型。Ma等［12］基于2D實體單元及平面應變單元模型，并考慮試件的對稱性進行分析，圖3為加勁板的幾何尺寸有限元模型。試件材料采用高強度鋼材，屈服強度達到400 MPa。焊縫采用角焊縫形式，焊趾長6 mm。

溫度場有限元模型的邊界主要考慮室內溫度。而用于熱彈塑性分析時，其邊界條件應考慮加勁板受到的位移約束，考慮實際焊接裝卡情況，設加勁板有限元模型坐標系方向為：沿焊縫方向為z方向，截面高度方向為y方向，寬度方向為x方向。在母板和板肋對稱線處約束x向平動位移、y及z向轉動位移，實現對稱邊界條件的模擬；母板側邊底邊緣約束x及y向的平動位移。

圖3 加勁板有限元模型

4 計算結果分析

4.1 溫度場計算結果

提取焊接過程中試件的溫度場變化情況（見圖4）。從圖中可以看出，在焊接過程中，試件在開始階段升溫比較明顯，隨焊料的填充、熱量的穩定輸入，溫度場趨于穩定，形成準穩態溫度場。該溫度場以當前電弧前方（對應有限元模型焊縫單元激活的位置）的溫度最高，與周圍鋼材形成一定的溫度梯度。準穩態溫度場將維持一段時間，直到施焊結束，并進入冷卻階段。冷卻過程中，溫度場在開始階段溫度急劇降低，而后趨于穩定。本文設置的最終冷卻時間為10 000 s，試件基本回復到室溫。

圖4 溫度場隨時間變化云圖

圖5為試件跨中截面焊縫區域的溫度監測點。圖6給出了測點溫度隨時間的變化情況。從圖中可以看出，各點的溫度變化具有一定的不均勻性。比較測點1與點7可知，位于焊縫內的測點溫度較外側溫度高。各測點溫度隨時間的變化情況具有相似的趨勢，即隨熱源的移動，施焊位置的溫度會急劇升高，而隨熱源的離開，溫度將降至室內溫度。由這些曲線的變化趨勢可以看出熱傳導過程有明顯的非線性特征。

圖5 焊縫截面溫度測點位置

圖6 焊件1/2截面各點熱循環曲線

4.2 應力場計算結果

焊接溫度場求解結束后，將熱單元類型改為結構單元，并修改相應的荷載步為靜力荷載步即可求解焊接應力場。圖7為焊接過程板肋加勁板的等效應力隨時間變化云圖。從圖中可以看出，隨著熱源的移動，焊縫被不斷填充，由于溫度梯度的作用，使周圍金屬受到不同程度的約束作用，焊縫熱源處由于溫度極高，使得該處的材料性能呈現出液態，等效應力接近于0，而周圍金屬材料則出現不同程度得拉伸、壓縮，甚至出現應力屈服狀態。

4.3 焊接殘余應力

圖8給出了本文模型計算結果與文獻結果的對比情況。對比數據中包含了Arpan等［13］采用ANSYS模擬的計算結果。從圖中可以看出，本文計算結果x、y及z向拉應力幅值與文獻結果總體一致，僅其中橫向應力值略微偏高，x、y及z向壓應力吻合較好，z向殘余應力介于文獻結果之間。誤差可能在彈塑性分析時邊界條件不完全相同引起的，但從殘余應力橫向分布特征及應力分布范圍來看，通過本文模型在參數完全確定的情況下對焊接殘余應力的預測具有較高的可靠性。

焊接殘余應力是溫度場與應力場耦合反應的結果，在實際結構中應注意控制焊接殘余應力，以降低其對構件性能產生的不利影響。圖9為焊接殘余應力控制的施焊現場。

圖7 焊接過程等效應力場隨時間變化云圖

圖8 試件殘余應力分布

圖9 現場焊接控制

5 結束語

（1）基于焊接溫度場分析的基本理論，包括熱分析中經典的傳熱方程、有限元基本方程及熱源模型，采用了軟件聯合仿真的熱-結構間接耦合方法，該法能夠充分利用其命令建模參數化的方便性與非線性求解的高效性。

（2）采用該法建立了既有文獻中的板肋加勁板有限元模型，分析了T形接頭焊接溫度場、應力場與殘余應力的分布特征。溫度場的分析結果表明，在焊接過程中焊縫處形成了穩定的溫度場，其變化過程也比較符合實際情況。焊接殘余應力的計算結果表明，殘余應力的高應力區集中在焊縫及其熱影響區。殘余應力計算結果表明，本文模型對比文獻計算結果吻合度較好，說明本文建立的模型較為合理。

（3）將該模型應用于怒江四線特大橋帶肋箱形截面中加勁板的殘余應力分析，并對殘余應力的影響因素進行討論，提出合理的用于受壓穩定性分析殘余應力模式是下一階段研究的重點。