考虑焊接条件的无焊孔梁柱节点力学性能研究

摘要

国内外的大量震害资料表明，梁柱全焊接型刚性节点的脆性破坏大都是由焊缝的焊趾开始向周围扩散，这些焊缝开裂与焊缝的内在缺陷不无关系。由于焊接工艺如焊接速度、层间温度、焊接顺序、热源功率及焊接线能量等会影响焊缝的韧性，从而影响节点的抗震性能，因此考虑焊接条件对建筑钢结构梁柱节点力学性能的影响既具有必要性，也具有重要性。
　　本文主要以无焊孔钢结构梁柱节点（以下简称无焊孔节点）为研究对象，确立精细化的有限元分析模型，并以此研究各个焊接条件对于无焊孔节点力学性能的影响，以确定最佳焊接方案。并将精细化模型的建立方法和优良焊接条件应用于局部无焊孔节点力学性能研究中。研究工作的主要内容和成果如下:
　　(1)进行精细化的有限元分析模型研究。充分地考虑实际焊接条件、细化模拟参数、提高网格质量等，利用Abaqus平台调用热源子程序DFLUX，并结合“生死单元”技术，实现较为真实的焊接温度场模拟，进而利用热—力顺次耦合方法计算出来焊接残余应力及应变场。在此基础上施加低周往复荷载进行拟静力有限元分析，并将分析结果与简化模型下及节点拟静力试验的结果进行对比，明确本文精细化模拟方法的精确性和有效性。
　　(2)基于精细化模型进行考虑焊接条件影响的的焊接模拟分析。为了确立关于焊接条件的研究方案，按照规范要求设立6个层间温度研究方案，3个焊接速度研究方案、3个热源功率及焊接线能量研究方案，按照避免热量在短时间内过度集中的原则建立6个焊接顺序研究方案。通过比较研究可知:在保证焊接质量的前提下，控制焊接线能量不变，适当的降低焊接速度，并控制层间温度为100℃，按照先焊翼缘后焊腹板，翼缘与腹板首尾顺次施焊的的顺序来焊接，可以得到较低的焊接残余应力及应变。
　　(3)基于优化的焊接条件进行无焊孔节点的改良效应分析，结果表明:本文所确立的优良焊接条件确实能够有效改善节点的焊接残余应力与变形、节点断裂性能指标等。
　　(4)针对局部无焊孔节点，结合优良的焊接条件对其进行精细化的有限元焊接模拟与拟静力分析。局部无焊孔节点与无焊孔节点力学性能的比较结果表明:无焊孔节点从承载能力和耗能能力上均具有优势，由于没有焊孔存在，热影响相对集中，以至于弹性阶段的开裂指数即偏高，但进入塑性状态后变化不大;局部无焊孔节在加载到一定程度的时候，开始出现强度退化现象，耗能能力相对较弱，但是其开裂指数相对较低，焊孔周围的开裂指数低于其它路径。
　　因此，只要控制好焊接残余应力、应变并保证焊接质量，无焊孔节点加载后不易开裂，推荐无焊孔节点用于工厂加工的悬臂段梁柱节点。局部无焊孔节点的焊孔除了影响到了后期的承载力和耗能能力，在开裂方面不逊于无焊孔节点，因此推荐局部无焊孔节点用于极限转角为0.045rad的现场焊接钢结构梁柱节点。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 选题的背景和意义

1．2 国内外研究状况

1．2．1 焊接数值模拟方面研究

1．2．2 钢结构梁柱节点方面研究

1．3 焊接数值模拟方面的研究空间

1．4 本文的研究思路、方法和主要内容

1．5 论文的构成

第2章 焊接有限元模拟的相关理论与方法

2．1 焊接有限元分析法

2．1．1 有限元分析法

2．1．2 焊接有限元分析法

2．2 焊接有限元分析模型的简化处理

2．3 焊接温度场的有限元理论基础

2．3．1 焊接过程中的基本传热学概念

2．3．2 焊接温度场的基本方程

2．3．3 非线性瞬态热传导分析

2．4 焊接应力及应变场的有限元理论基础

2．4．1 屈服准则

2．4．2 强化准则

2．4．3 流动准则

2．4．4 焊接热弹塑性理论

2．5 焊接过程数值模拟方法的确定

2．5．1 Abaqus有限元分析软件简介

2．5．2 Abaqus的基本使用方法

2．6 焊接热源子程序的应用

2．6．1 热源子程序DFLUX简介

2．6．2 热源子程序DFLUX的调用

2．7 焊接热源模型的选择

2．7．1 高斯分布热源模型

2．7．2 半球状热源模型和椭球状热源模型

2．7．3 双椭球热源模型与移动双椭球热源模型

2．7．4 本文热源模型的选择

2．8 本章小结

第3章 无焊孔节点的精细化有限元模型研究

3．1 焊接条件的研究方案

3．1．1 焊接条件研究方案的确定

3．1．2 焊接条件的分组

3．2 精细化有限元模型的建立

3．2．1 无焊孔节点模型

3．2．2 简化模型的处理方法

3．2．3 模型材料参数设置的改进

3．2．4 单元类型确定及模型的网格优化

3．2．5 模型焊接工艺参数设置的改进

3．2．6 模型的分析步设置

3．2．7 模型的边界条件与约束条件设置

3．2．8 “生死单元”法的实现

3．2．9 模型热源子程序的编写与热荷载的施加

3．2．10 提交分析与计算结果的后处理

3．3 焊接温度场、残余应力场分析

3．3．1 焊接应力及应变场模型的前处理

3．3．2 热循环曲线的提取

3．3．3 焊接温度场分布对比

3．3．4 焊接应力场分布对比

3．4 拟静力加载分析

3．4．1 拟静力分析结果对比

3．4．2 拟静力分析结论

3．5 本章小结

第4章 焊接条件对无焊孔节点焊接效应的影响分析

4．1 焊接工艺参数对温度场的影响

4．1．1 层间温度变化曲线

4．1．2 温度场分布云图

4．1．3 样点热循环曲线

4．1．4 路径上的温度场分布

4．2 焊接工艺参数对焊接残余应力及应变场的影响

4．2．1 焊接残余应力场分布云图

4．2．2 路径上的焊接残余应力及应变场分布

4．3 确定合理的焊接工艺参数

4．3．1 焊接层间温度的确定

4．3．2 焊接顺序的确定

4．3．3 焊接速度及能量控制方法的确定

4．4 本章小结

第5章 基于改良焊接条件的无焊孔节点力学性能研究

5．1 无焊孔节点焊接条件改岚效应分析

5．1．1 改良前后滞回曲线对比

5．1．2 改良前后应力、应变及变形对比

5．1．3 改良前后节点断裂性能对比

5．2 局部无焊孔节点

5．3 局部无焊孔节点分析样点及路径设置

5．4 局部无焊孔节点焊接温度场

5．4．1 局部无焊孔节点焊接温度场分布云图

5．4．2 局部无焊孔节点样点热循环曲线

5．4．3 局部无焊孔节点路径上的温度分布

5．5 局部无焊孔节点焊接残余应力及应变场

5．5．1 局部无焊孔节点焊接残余应力及应变场分布云图

5．5．2 局部无焊孔节点路径上的应力及应变分布

5．6 局部无焊孔节点拟静力分析结果

5．6．1 破坏形态

5．6．2 滞回曲线

5．6．3 骨架曲线

5．6．4 断裂性能

5．7 本章小结

第6章 结论与展望

6．1 论文总结

6．2 研究展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文及科研工作

致谢