第二十三届全国高层建筑结构学术会议论文 2014年 超高层巨型构件现场焊接过程数值模拟应用 瞿海雁，刘海，赵学鑫，荆朝，肖文韬 （中建蜗构有限公司北方大区天津300383） 摘要：本文基于中国尊大厦项目中出现的巨型节点板节点，进行了焊接数值模拟.
巨型钢结构节点板结点受力复 杂，焊缝集中，焊接残余应力很大，且不易消除，需要进行研究分析，焊接残余应力数值模拟是确定焊接残余应 力的有效方法之一.
关键词：巨型柱焊接残余应力数值模拟 1现场焊接过程数值模拟简介 本文采用美国通用有限元软件ansys，采用力热耦合分析方法简化多物理场耦合问题为温度场和结构 应力场的双场单向耦合，利用单元生死技术对节点板结点进行了焊缝残余应力数值模拟，并对节点的残余 应力和变形进行了分析，对以后钢节点的残余应力数值模拟具有一定的参考价值.
焊接作为钢构件之间的主要连接方法广泛应用于各类钢结构中，中国尊大厦的巨型柱即全部由钢板焊 接而成.
现场分节位置焊接过程会产生焊接残余应力，而焊接残余应力的存在会对钢结构的施工和使用性 能产生不利影响.
因此，研究钢结构焊接残余应力的分布规律，特别是厚板焊接残余应力的分布规律，对 于科学合理地进行钢结构设计和施工都有着重要的理论意义和工程应用价值.
图1巨型柱超长超厚钢板焊缝 2现场焊接过程数值模拟应用研究 中国尊大厦的大部分巨型钢构件和节点都是对称的，在分析此类焊接连接时应该注意考虑通过对称模 型选取简化计算过程.
基金项目：中建总公司课题（C5CEC-2010-Z-01-5-03) 作者美介：显海雁（1977-） 博士，高级工程师
第二十三届全国高层建筑结构学术会议论文 2014年 so 250 200 150 106 9 -10 齐 -100-80 0 -20 20 rm rm 图2横向残余应力 图3纵向残余应力 进行焊接温度场的分析必须确定材料的热物理参数有：热传导系数（w/m*C）、对流系数（W/m²C）、 密度（Kg/m²）、比热（J/Kg*C）、熔点（C）、热焙（J）以及结构的初始温度（C）：针对应力应变场模拟 必须要确定的热物理参数有：波松比、弹性模量、热膨胀系数和屈服极限等参数.
本课题结果的初始温度 取为室温（20℃）.
本文采用的焊件材料为碳钢，其热物理参数能力和力学性能如下表1.
表1焊接材料性能 温度C 弹性模量Pa 屈报强度P 切变模量a 密度Kgi 治松比 传热系数w/mC 热影胀系数 比热 20 2.lel1 1.2e9 193e10 7800 0.29 36.8 1.78e-5 470 500 1.5e11 9.33es 15e10 7800 0.29 34.7 1.92e-5 470 1000 7e10 4.34ef 79 7800 029 27.8 2.13e-5 470 1500 le10 7e7 1e9 7800 0.29 27.8 2.13e-5 470 2000 le9 7e8 le8 7800 0.29 27.8 2.13e-5 470 在ansys 中划分网格的方式有两种，自由网格划分和映射网格划分.
由于节点板节点模型较大，采用 自由网格划分难以实现，故采用影射网格划分，焊缝单元尺寸取2mm，钢材单元取4mm，划分的单元总 数为125万，节点数为289万.
计算结果后处理就是观察有限元的计算结果，ansys的后处理模块包括通 用后处理post1和时间历程后处理post26.
通用后处理器用于查看某一时刻的结果，通用后处理器的一个 强大功能就是能够把任何结果数据影射到模型的任何路径上，以便用图形和列表的方式观察结果项沿路径 的变化情况，利用通过后处理器来观察焊接构件上残余应力的分布情况.
时间历程后处理器用于观察模型 在不同时刻的结果.
如图4所示，为模型中几个节点随时间的变化曲线，其中d表示离焊缝中心的距离，横坐标表示时间， 单位为秒，纵坐标表示温度，单位为℃，为便于观察各个节点温度随时间变化趋势，横坐标时间域取0到 1000 s.
第二十三届全国高层建筑结构学术会议论文 2014年 PC8T26 d4 （)du d20 2000 d12 d52 1800 d76 d100 1600 d36 1400. 1200 1000 800 600 400 200 100.9 1'002 300.7 400.6 500.5 600.4 700.3 000.2 900.1 1000 tin*(=) 图4节点温度随时间的变化曲线 从上图中可以看出，整个焊接热过程中，各点的温度随时间变化十分不均匀，在开始阶段温度升降剧 烈，随后渐趋平缓，最后降至室温，靠近焊缝区域的温度变化比较快，而远离焊缝区域则变化比较慢，与 实际相符，基本表明了焊接温度模拟场模拟的正确性.
节点板节点未施加堆成约束的部分产生了较大的收缩变形，这是由于焊缝区受拉，而且焊缝比较集中， 从而使节点板节点产生收缩所致.
3.现场焊接过程数值模拟结论 通过使用单元生死技术，对巨型钢结构节点板节点焊接数值模拟分析进行了探讨，改进了基于ansys的 焊接模拟分析方法，得出以下结论：在沿焊缝方向上，在起弧和灭弧处，×向残余应力为负，在其中心部 分则大部分为拉力：在垂直于焊缝方向上，除焊缝区为拉应力外，其余大部分地方×向为压应力.
焊接残余应力在焊缝区及其附近很大，特别是焊缝交叉区，往往超过材料的屈服强度，对结构受力十 分不利，对节点进行受力分析时一般不宜忽略，对于焊缝较为密集的巨型钢结构节点进行数值模拟时，有 必要考虑焊接残余应力的影响.
参考文献 [1]周岐王亚君，焊接应力与变形的控制[].辽宁：辽宁科学技术出版社，2010 [2]GB50755-2012，钢结构工程施工规范[S]. [3]GB 50661-2011，钢结构焊接规范[S] [4]中国钢结构协会，建筑钢结构施工手册[M].北京：中国计划出版社，2002.
