基于软件联合仿真的板肋加劲板焊接过程分析

陈泽强

（中铁十八局集团有限公司 天津 300222）

1 引言

目前，为满足承载力的要求，我国钢结构桥梁中使用钢压杆或钢箱梁作为主要承重构件［1-3］。这些构件中，加劲肋的形式主要有板肋、T肋及U肋。在厚板结构中，板肋与母板的焊接施工工艺相比更为方便，在熔透的工艺要求下，方便工地操作，因此近年来应用较为广泛。

怒江四线特大桥位于金刚元隧道与高黎贡山隧道之间，于大坪子附近跨越怒江，桥上设站，为四线特大桥，线间距5 m，桥梁全长1 024.2 m。主桥采用1-490 m上承式钢桁拱跨越峡谷，钢桁拱架由带肋箱形截面钢构件组成（见图1），且其杆件中钢板最大板厚为52 mm。

图1 典型带肋箱形截面钢构件

残余应力作为影响钢结构力学性能的主要因素之一，国内外学者对其进行了广泛研究。研究残余应力的主要方法为试验测试法与数值模拟法。近年来由于计算机技术的成熟及通用有限元软件的普及，数值模拟法成为研究残余应力的主流方法。高占远［4］等对大型或复杂钢结构的焊接残余应力进行了综述，指出了焊接残余应力和变形问题将对工程结构的设计、施工及安全有十分重要的意义。刘何亮［5］、赵秋［6］及王若林［7］等采用ANSYS对U肋与顶板连接的焊接残余应力进行了研究。付政［8］等采用热弹塑性有限元法和焊缝收缩力法对T形焊接接头进行了焊接变形模拟，并就焊接顺序对焊接变形的影响进行了参数讨论。李学明［9］就焊接顺序对H型钢焊接变形的影响进行了研究。曹宝雅［10］等采用ANSYS有限元模型研究了板件厚度对U肋加劲板残余应力的影响。然而，目前通过数值模拟方法对焊接过程的分析研究仍集中在U肋加劲板或对接焊缝上，对类似板肋加劲板结构涉及的T形焊接接头报道较少。

本文的研究为怒江四线特大桥中带肋箱形截面杆件残余应力研究的前期理论性探讨，重点在于建立基于ANSYS-ABAQUS联合仿真模拟板肋加劲板结构T形接头的参数化建模方法，并通过文献中的算例对本文方法进行验证，为后续实桥压杆的残余应力分析作铺垫性工作。

2 焊接基本理论

焊接过程是对焊接板件的瞬时大量热输入后又急速冷却的过程，关系热量、温度等物理量在空间与时间维度上的变化，属于非线性瞬态热传导问题。热传导的控制方程为［11］：

式中，c为比热容；ρ为密度；v为传导速率。

求解其温度场时，可采用以下边界条件：第一类边界条件，边界上温度值已知：

第二类边界条件，边界上热流密度分布已知：

第三类边界条件，边界与周围环境的热交换已知：

式中，qs为单位面积上的外部热源输入；β为表面换热系数；Tα为边界已知温度；Ts为周围介质温度。

焊接过程应力场是由温度作用下材料的不均匀收缩与边界约束共同作用产生的。同时，由于焊接过程中在焊接热影响区域温度梯度较大，温度较高，使部分材料出现屈服，并随热量的输入出现反复强化。焊接应力场的计算分析应采用热弹塑性理论。除此之外，温度场与应力场的求解过程还需考虑材料的热、力物理性质随温度的变化特征。

3 软件联合仿真实现方法及模型

3.1 联合仿真实现方法

根据既有研究成果，焊接过程的分析采用有限元软件进行求解时，计算效率更高，应力计算也更容易收敛。

本文采用相关有限元软件联合仿真对T型焊接接头的焊接过程进行分析。并采用热-结构间接耦合方法进行求解，即首先对构件求解温度场，将温度场结果作为荷载再施加到构件的静力模型中，求解应力场（见图2）。具体步骤：

（1）以板件厚度、宽度、长度等作为参数，建立有限元模型。网格划分结束后，定义焊缝组，以方便通过生死单元法模拟焊缝填充的过程。模型建立结束后，保存文件。

（2）单元类型转化，并输入热量，选取椭球热源模型［6］，用于求解温度场。

（3）待温度场求解结束后，将单元类型修改为结构单元，添加位移边界条件，求解应力场。

图2 软件联合仿真流程

3.2 分析模型

以文献［7］中板肋加劲板的几何尺寸作为参考，考虑试件的对称性，建立其三维实体单元有限元模型。Ma等［12］基于2D实体单元及平面应变单元模型，并考虑试件的对称性进行分析，图3为加劲板的几何尺寸有限元模型。试件材料采用高强度钢材，屈服强度达到400 MPa。焊缝采用角焊缝形式，焊趾长6 mm。

温度场有限元模型的边界主要考虑室内温度。而用于热弹塑性分析时，其边界条件应考虑加劲板受到的位移约束，考虑实际焊接装卡情况，设加劲板有限元模型坐标系方向为：沿焊缝方向为z方向，截面高度方向为y方向，宽度方向为x方向。在母板和板肋对称线处约束x向平动位移、y及z向转动位移，实现对称边界条件的模拟；母板侧边底边缘约束x及y向的平动位移。

图3 加劲板有限元模型

4 计算结果分析

4.1 温度场计算结果

提取焊接过程中试件的温度场变化情况（见图4）。从图中可以看出，在焊接过程中，试件在开始阶段升温比较明显，随焊料的填充、热量的稳定输入，温度场趋于稳定，形成准稳态温度场。该温度场以当前电弧前方（对应有限元模型焊缝单元激活的位置）的温度最高，与周围钢材形成一定的温度梯度。准稳态温度场将维持一段时间，直到施焊结束，并进入冷却阶段。冷却过程中，温度场在开始阶段温度急剧降低，而后趋于稳定。本文设置的最终冷却时间为10 000 s，试件基本回复到室温。

图4 温度场随时间变化云图

图5为试件跨中截面焊缝区域的温度监测点。图6给出了测点温度随时间的变化情况。从图中可以看出，各点的温度变化具有一定的不均匀性。比较测点1与点7可知，位于焊缝内的测点温度较外侧温度高。各测点温度随时间的变化情况具有相似的趋势，即随热源的移动，施焊位置的温度会急剧升高，而随热源的离开，温度将降至室内温度。由这些曲线的变化趋势可以看出热传导过程有明显的非线性特征。

图5 焊缝截面温度测点位置

图6 焊件1/2截面各点热循环曲线

4.2 应力场计算结果

焊接温度场求解结束后，将热单元类型改为结构单元，并修改相应的荷载步为静力荷载步即可求解焊接应力场。图7为焊接过程板肋加劲板的等效应力随时间变化云图。从图中可以看出，随着热源的移动，焊缝被不断填充，由于温度梯度的作用，使周围金属受到不同程度的约束作用，焊缝热源处由于温度极高，使得该处的材料性能呈现出液态，等效应力接近于0，而周围金属材料则出现不同程度得拉伸、压缩，甚至出现应力屈服状态。

4.3 焊接残余应力

图8给出了本文模型计算结果与文献结果的对比情况。对比数据中包含了Arpan等［13］采用ANSYS模拟的计算结果。从图中可以看出，本文计算结果x、y及z向拉应力幅值与文献结果总体一致，仅其中横向应力值略微偏高，x、y及z向压应力吻合较好，z向残余应力介于文献结果之间。误差可能在弹塑性分析时边界条件不完全相同引起的，但从残余应力横向分布特征及应力分布范围来看，通过本文模型在参数完全确定的情况下对焊接残余应力的预测具有较高的可靠性。

焊接残余应力是温度场与应力场耦合反应的结果，在实际结构中应注意控制焊接残余应力，以降低其对构件性能产生的不利影响。图9为焊接残余应力控制的施焊现场。

图7 焊接过程等效应力场随时间变化云图

图8 试件残余应力分布

图9 现场焊接控制

5 结束语

（1）基于焊接温度场分析的基本理论，包括热分析中经典的传热方程、有限元基本方程及热源模型，采用了软件联合仿真的热-结构间接耦合方法，该法能够充分利用其命令建模参数化的方便性与非线性求解的高效性。

（2）采用该法建立了既有文献中的板肋加劲板有限元模型，分析了T形接头焊接温度场、应力场与残余应力的分布特征。温度场的分析结果表明，在焊接过程中焊缝处形成了稳定的温度场，其变化过程也比较符合实际情况。焊接残余应力的计算结果表明，残余应力的高应力区集中在焊缝及其热影响区。残余应力计算结果表明，本文模型对比文献计算结果吻合度较好，说明本文建立的模型较为合理。

（3）将该模型应用于怒江四线特大桥带肋箱形截面中加劲板的残余应力分析，并对残余应力的影响因素进行讨论，提出合理的用于受压稳定性分析残余应力模式是下一阶段研究的重点。