热轧H型钢焊接残余应力数值模拟

于 辰，梁清香，崔小朝，张 柱

(太原科技大学，应用科学学院，太原 030024)

热轧H型钢是一种断面力学性能优良的经济型断面钢材，截面模数大、重量轻、节省金属，可使建筑结构减轻30-40%[1]，其消费行业从最初的工业厂房已经普及应用到钢结构住宅。但热轧H型钢长度一般都是定尺12 m，因此根据实际结构要求的长度需要切割和对接，焊接是常用的对接形式之一。

焊接过程中，焊缝区域快速高温加热随后又快速冷却。在焊接加热的过程中，焊缝及周边区域温度变化急剧，在焊缝固液相变时还存在潜热现象，属于非线性热传导问题[2]。焊接产生的残余应力会使钢结构的某些部位提前进入塑性状态[3]，将会影响整个结构的极限承载力，因此研究不同焊缝形式下的残余应力分布，对提高钢结构的承载力有实际意义。

根据工程实际，结合H型钢结构特点,本文分析的平接焊缝形式列于表1.为叙述方便,文中对焊缝形式进行了命名。

表1 焊缝形式
Tab.1 Forms of the weld

焊缝名称焊接形式第一类型焊缝(平接直焊)第二类型焊缝a第三类型焊缝a第四类型焊缝a第五类型焊缝a

1 H型钢平接直焊残余应力数值模拟

1.1 结构尺寸和材料属性

以第一类型焊缝(平接直焊)为例，建模所用H型钢截面尺寸高度H=250 mm，宽度B=250 mm，长度4 000 mm，腹板厚度t1=14 mm，翼缘厚度t2=14 mm，焊缝宽度均为8 mm.焊缝区位于H型钢总长的一半处，结构尺寸如图1所示。

图1 第一类型焊缝形式焊接试件结构尺寸
Fig.1 Size of the first kind of welding specimen

模型中采用Q235钢，其材料的物理性能参数见表1.焊缝采用E43焊条，其物理性能同Q235钢。密度为7 800(kg/m3)，泊松比为0.3，传热系数为16.3[W/(m· ℃)]，线膨胀系数为1.06(1/ ℃) ，比热容为[J/(kg· ℃)]，其它材料属性见表2.

表2 Q235钢材料属性
Tab.2 Q235钢 Material properties

温度/ ℃弹性模量/Pa屈服极限/Pa应变硬化模量/Pa302.09×10112.35×1082.06×1092001.90×10112.00×1081.87×1095001.72×10111.6.0×1081.71×1098001.00×10117.50×1070.75×10910005.00×1091.20×1071.00×10615001.00×1091.00×1071.00×106

1.2 有限元模型

焊接时温度和应力变化大，应加密网格。为减少计算量，焊缝两侧钢板长度方向按2 mm单元长度划分。整个模型单元总数279 336，节点数328 923，有限元网格划分如图3.

本文采取热-结构顺序的耦合分析方法，先进行热分析，再以热分析为基础进行结构分析[4]。热分析中采用8节点六面体热单元SOLID70.由于热单元SOLID70与结构单元SOLID185单元形状相同，结构分析中可直接将SOLID70单元替换为SOLID185单元进行残余应力分析[5]。

图2 有限元模型网格划分
Fig.2 Mesh of FEM model

图3 第一类型焊缝形式焊接试件路径图
Fig.3 Path of the first kind of welding specimen

1.3 温度场分析

设室温为30 ℃，碳钢的焊接温度为1 450 ℃～1 500 ℃，故设焊缝两侧钢板初始温度30 ℃，焊缝初始温度1 500 ℃.取换热系数为50 W/(m2·K).

由于本文主要分析比较各种焊缝形式产生的焊接残余应力，故对焊接过程只做简单模拟。具体步骤为：首先进行稳态分析，得到温度的初始条件：对焊缝施加1 500 ℃的温度荷载，对焊缝两侧钢板施加30 ℃的温度荷载，分析时间为0～1S，时间步长1S.接着进行焊缝区域液固相变瞬态求解：删除上一步施加的温度荷载，施加对流换热荷载，分析时间为1～100 S，时间步长10 S.最后进行焊缝区域凝固冷却过程瞬态求解:分析时间为100～5 000 S，时间步长100 S.5 000 S后构件温度冷却为室温30 ℃.

1.4 应力场分析

将温度场分析所用的热单元转换为相应的结构单元进行应力场分析，所以焊接温度场的分析是焊接应力场分析的基础[6]。焊接残余应力是焊接应力场分析最后一个冷却步的结果。为方便表达焊接残余应力的分布，以第一类焊缝形式为例，并建立如图3所示的坐标系。在冷却5000 S(材料冷却为室温)后得到横向、纵向应力云图如图4所示，分别取六条路径的横向、纵向应力值，所取路径如表3所示。路径1-6的横向、纵向残余应力分布如图5所示，其中1号线表示纵向残余应力，2号线表示横向残余应力。

(a)横向应力云图

图4 残余应力场
Fig.4 Field of residual stress表3 路径1-6
Tab.3 The 1-6 path

路径应力值1点O(0,0,0)至点A(0.125,0,0)2点A(0.125,0,0)至点C(0.125,-0.125,0)3点A(0.125,0,0)至点E(0.125,0,0.125)4点C(0.125,-0.125,0)至点G(0.125,-0.125,0.125)5点D(0,-0.014,0)至点B(0.125,-0.014,0)6点B(0.125,-0.014,0)至点F(0.125,-0.014,0.125)

从图中可以看出：

(1)由翼板上表面沿焊缝方向的路径1和下表面沿焊缝方向的路径5可以看出，翼板边侧焊接残余应力较大，向中部靠近时残余应力逐渐减小，接近中部又逐渐上升。纵向焊接残余应力的最大值出现在路径1，为75.7 MPa，位于翼板上表面焊缝边侧处，横向焊接残余应力的最大值出现在路径5，为73.4 MPa，位于翼板下表面焊缝距边侧112 mm处。

(2)路径3、6、4分别位于翼板上、下表面和腹板中部并均垂直于焊缝方向。翼板上表面的纵向残余应力峰值最高，翼板下表面的横向残余应力峰值最高。三条路径的横、纵残余应力最终都趋于零，即随着与焊缝距离的增加，焊接残余应力逐渐消失。

(3)路径2贯穿翼板和腹板并沿腹板焊缝方向。可见在翼板区域，残余应力变化比较大，峰值也出现在此处，进入腹板区域时，残余应力趋于稳定。

2 五种焊缝形式等效应力场

焊缝形式如表1所示，取a=200 mm，焊缝宽度均为8 mm.冷却后的等效残余应力场分布如图6所示：

由于在ANSYS中的参数均按照国际单位制输入，所以下图中得到的残余应力单位为Pa，圈中的位置为最大残余应力所在位置。

(a)路径1

(c)路径3

(e)路径5

图5 路径1-6横向、纵向残余应力分布
Fig.5 Transverse and longitudinal residual stress of the 1-6 path

(a)第一类型(b)第二类型

(c)第三类型(d)第四类型

(e)第五类型

图6 等效应力场
Fig.6 Equivalent stress field
表4 最大等效焊接残余应力
Tab.4 Maximum equivalent of welding residual stress

焊缝类型最大残余应力值/MPa第一类型焊缝76.4第二类型焊缝54.2第三类型焊缝51.4第四类型焊缝63.6第五类型焊缝54.5

3 结论

(1)冷却后，焊缝及其附近具有较大的拉应力，随着与焊缝距离的增加，拉应力逐渐转变成压应力，这与理论分析[7]相一致。说明本文数值模拟的结果是可靠的。

(2)不同焊缝形式焊接后的残余应力相差较大。平接直焊时残余应力最大；第三类型焊缝形式残余应力最小，为平接直焊残余应力的67.3%；第二类型焊缝形式(45°平接斜焊)简单，其残余应力也较小，为平接直焊残余应力的70.9%，应是实际中优先选择的焊缝形式。

(3)分析结果可继续用于不同焊缝形式下热轧H型钢的承载力分析。