超薄箱型构件中宽厚比对焊接残余应力的影响研究

韩亮 王佳铭 张展硕 王井坡 刘钦旭

摘 要 超薄箱型构件广泛应用于生产生活各个领域，通过ANSYS仿真软件模拟出不同宽厚比下构件残余应力的分布，对于结构设计优化、减轻构件重量、节约成本及后期的维护保养都有十分重要的意义。

關键词 超薄;宽厚比;残余应力

箱型结构在生产实践中有着广泛的应用，如钢结构建材、机车转向架、斗杆等，但是由于焊接残余应力的存在，会使得箱形结构产生变形和裂纹，影响使用，因此研究箱型结构焊接残余应力的控制，对于提高使用性能具有重要意义。同时由于试验条件和成本等多方面原因，不可能对所有的大型箱型结构都进行试验验证，所以通过有限元方法进行模拟，既节省了大量的时间和成本，又能准确地反映出残余应力的分布规律，减少工作量。

随着薄壁压杆和压弯构件在超大、超高结构中的应用，现代工程愈来愈朝向减少钢材用量，通过钢材自身的屈服强度和宽厚比来增强工程质量。根据《钢结构设计规范》，箱形截面轴心受压构件的腹板高度和厚度比值

，但对于超薄壁箱型结构，超出了《钢结构设计规范》中对于宽厚比规范要求，目前进行的科学研究还不是很多。箱型焊接结构像其他焊接结构一样，在焊接过程中由于急剧地非平衡加热及冷却，箱型构件将不可避免地产生残余应力，进而出现裂纹，在裂纹出现后会使工作零件逐渐形成疲劳性裂纹和应力腐蚀性裂纹。因此，科学地、定量地预测焊接应力规律，并在此基础上给予最优控制，不仅对于箱型构件自身，而且对其他焊接构件也有重要意义[1]。

1 试验

本文采用的钢材是Q235钢，箱型构件的尺寸为：L=500mm，b=400mm，h=420mm，b/t=40，hw=400mm，hw/tw=40。

利用有限元软件ANSYS进行仿真模拟分析。简化模拟环境，同时利用APDL语言，这种语言编写的命令流可以建立智能化的分析过程，自动完成复杂的分析计算过程，可以实现参数化模型与分析过程的建立和扩展[2]。

2 模拟过程

首先建立模型，然后划分网格，进行稳态分析，之后加载8道焊缝并冷却。

3 结果分析

由图1，图2可见，最大拉应力产生在内部焊缝的中心处，最大压应力产生在内部焊缝焊根处。

可见，除焊缝附近有较大的压应力外，距焊缝较远处的应力值趋向于稳定，且不超过10MPA，说明焊缝对远处（尤其是其他焊缝）的残余应力值影响较小，可以忽略。

根据图5 VON MISS等效应力场可以看出，应力的分布状态仅在焊缝附近较大[3]。

4 结束语

本文针对超薄箱型构件进行了焊接过程模拟分析，建立了箱型构件的有限元模型，数值模拟结果为合理利用复杂、大型构件提供了参考方法，具有重大意义。

参考文献

[1] 汪建华，魏良武.焊接变形和残余应力预测理论的发展及应用前景[J].焊接，2001，（9）：4-6.

[2] 陈楚，汪建华，杨洪庆.非线性焊接热传导的有限元分析和计算[J].焊接学报，1983，（3）：139-148.

[3] 肖顺湖.薄板焊接过程数值模拟与实验研究[D].南宁：广西大学，2005.

*[基金项目] 营口理工学院2019年校级科研项目（项目编号：YYL201920）。