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用有限元法分析焊接引起的钢结构变形

李娟  
【摘要】:焊接变形是钢结构生产安装过程中不可避免的问题,且焊接变形对钢结构的质量会有一定的危害性。随着钢结构在建筑领域的广泛应用,建筑钢结构的焊接变形问题日益突出。对焊接变形的准确预测是有效控制焊接变形的关键。虽然目前对焊接变形预测方法的研究已取得很大进展,但是现有研究成果主要着眼于机械制造领域,在具有较高分析预测精度的同时也对计算条件、计算成本、技术人员知识水平等方面提出了较高要求。现有焊接变形预测方法的特点使其无法广泛应用于建筑钢结构领域。 本文提出一种适合建筑钢结构领域的,简单、高效、易于使用的分析钢结构焊接变形的有限元方法。该法根据钢结构焊接变形的形成特点与本质,将建筑钢结构的整个焊接及温度变化过程简化分解为多个分步状态的叠加;采用简单的温度函数,通过引入温度荷载的概念将焊接过程中单元的温度变化转化为单元等效节点荷载进行考虑,以避免复杂、不易掌握的热力学、热传导计算;采用具有列式简单、精度高、适应性强、收敛性好等优点的新型优质有限元单元作为分析工具,以保证分析精度;对所采用的新型有限元单元的温度荷载公式以及考虑温度荷载后的单元基本方程、内力计算公式进行推导,以便分析使用。 在完成用有限元法分析建筑钢结构焊接变形的理论方法后,本课题利用Fortran 90语言编制相应的有限元计算程序,以达到可以利用本法解决工程实际问题的目的。结合具体算例,将本方法的分析结果和SAP2000的分析结果进行对比,结果表明本法是正确的、可用的。 最后,通过本法对一个具体焊接算例在不同焊接顺序下的焊接变形分析结果可以看出,本法不仅可以用于建筑钢结构焊接变形的分析,还可以成为建筑钢结构焊接优化设计的有力工具。


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