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板单元焊接变形的数值模拟与控制研究

罗文臣  
【摘要】:钢箱梁结构具有自身质量轻、结构简单、承载能力大的特点,目前广泛应用于大型斜拉桥和各类高架桥梁。正交异性板单元是组成钢箱梁的主要构件,这种板单元结构由面(顶、底)板、纵向U肋和横隔板组成,一般横隔板在桥面钢箱梁制造或现场安装时进行组装焊接,而在生产车间组装的的通常是焊接有U型肋的板单元结构。 目前常见的板单元结构上焊接三到五个加劲U形纵肋,在焊接U型纵肋时,板单元主要发生四种形式的焊接变形,即纵向收缩变形、横向收缩变形、纵向面外弯曲变形和角变形。板单元制造过程中产生的这些焊接变形对其性能、尺寸精度和稳定性产生不良的影响,对钢箱梁拼装生产也是不利的,由于建造桥梁时板单元数量多,制造工作量大,一旦没有得到有效控制,将损失巨大。 本文在前人研究的基础上,运用大型通用的有限元分析软件ANSYS,对焊接过程产生的温度场、应力场以及焊后的残余应力和变形进行了三维实时动态模拟的研究,并针对典型顶板单元上焊接U肋的问题进行实例计算。在模拟计算时,利用ANSYS软件的热—结构耦合功能,采用间接法,先计算焊接温度场,再以温度场的计算结果作为结构分析的载荷进行焊接应力和应变的计算,运用生死单元方法得出了不同时刻的温度分布和残余应力应变的数值及分布,进而分析了板单元的焊接变形特点和规律,从而为优化板单元焊接工艺和矫正焊接变形提供一定的指导。 本文主要对以下内容进行了研究: 1.建立板单元焊接过程的三维有限元模型,计算出焊接温度场和应力场,从而分析焊接残余应力的分布规律; 2.总结了板单元焊接变形的种类和影响因素,分析了产生的原因,并在此基础上利用数值模拟的计算结果与实际测量值进行比对。 3.根据分析板单元焊接变形的特点,从焊接前、焊接中和焊接后三个方面提出了控制焊接变形大小的措施。


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