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焊接箱型柱残余应力有限元分析

作　者: 王晓杰
导　师: 孙玉萍
学　校: 兰州理工大学
专　业: 结构工程
关键词: 箱型柱残余应力插值函数三维热弹塑性屈曲分析极限承载力
分类号: TU391
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
下　载: 31次
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内容摘要

随着钢材性能的提升和国民经济的发展,钢结构越来越多的运用于建筑物之中。而焊接柱是钢结构中很重要的受压构件。早在二十世纪中后期,美国Lehigh大学Fritz工程结构实验室就研究发现残余应力和初始几何缺陷一样,都是影响受压钢构件极限承载力的重要因素。焊接残余应力是钢结构焊接时加热和冷却循环过程中不可避免的。由于焊接过程的复杂性,目前钢结构工程中对残余应力的考虑大多是直接用热轧成型钢的残余应力模型,是将其简化成抛物线或折线形式,而实际焊接过程产生的残余应力是一个极其复杂的三维应力场,其分布和抛物线或折线模型还有不小的差距,如果用更为真实的残余应力来进行构件的承载力分析将得到更精确的结果。随着三维热弹塑性有限元法的发展,焊接过程中动态应力应变及焊后终态残余应力应变的模拟越来越真实。利用有限元思想,将柱划分为有限个单元,以单元上的节点温度为基本未知量,逐步加上温度增量,建立起单元的温度插值函数,求解模型的连续温度函数θ(x,y,z,t),最终可以得到焊接过程中动态应力应变和焊后残余应力变形。本文以大型有限元分析软件ANSYS为平台,利用三维热弹塑性有限元法,依靠APDL语言编写的程序来实现热源的移动和热—结构耦合并得到箱型柱焊接的三维温度场和应力场,确定了终态残余应力的分布。通过多组模型比较得出了箱型柱高度,焊接顺序以及焊层数对残余应力分布的影响。通过ANSYS的结构分析和非线性屈曲分析比较,焊接柱与理想柱在受压稳定极限承载力上相差最高达20%。

全文目录

摘要  7-8
Abstract  8-9
第1章绪论  9-14
  1.1 课题背景及意义  9-12
    1.1.1 国外研究现状  10-12
    1.1.2 国内研究现状  12
  1.2 本课题的关键问题  12
  1.3 本文研究的目的  12-13
  1.4 本文的主要研究工作  13-14
第2章焊接有限元理论分析  14-29
  2.1 焊接残余应力的概念  14
  2.2 焊接残余应力对箱型柱的影响  14-15
  2.3 残余应力的传统检测  15-17
  2.4 焊接有限元分析理论  17-26
    2.4.1 焊接温度场分析  17-23
      2.4.1.1 焊接传热的基本知识  17-21
      2.4.1.2 焊接温度场的分析理论  21-23
    2.4.2 焊接热弹塑性有限元分析  23-26
  2.5 基于 ANSYS 的焊接有限元分析  26-28
  2.6 本章小结  28-29
第3章焊接箱型柱有限元模拟分析  29-49
  3.1 平板对接焊模拟分析  29-32
  3.2 焊接箱型柱模型简介  32-33
  3.3 箱型柱焊接模拟  33-36
  3.4 横向残余应力变化及分布  36-39
  3.5 焊缝厚度方向残余应力变化及分布  39-41
  3.6 纵向残余应力变化及分布  41-46
    3.6.1 翼缘纵向残余应力分布  44
    3.6.2 腹板纵向残余应力分布  44-45
    3.6.3 翼缘 Z 方向纵向残余应力分布  45-46
  3.7 纵向残余应力分布的几个影响因素  46-48
    3.7.1 焊接顺序对纵向残余应力的影响  46-47
    3.7.2 焊接柱的高度对纵向残余应力的影响  47
    3.7.3 焊层数对纵向残余应力的影响  47-48
  3.8 本章小结  48-49
第4章残余应力对箱型柱的影响  49-56
  4.1 残余应力对抵抗水平荷载能力的影响  49-50
  4.2 残余应力对稳定极限承载力的影响  50-55
    4.2.1 稳定的基本知识  50-51
    4.2.2 箱型柱屈曲分析  51-53
    4.2.3 结果分析  53-55
  4.3 本章小结  55-56
结论及展望  56-58
  结论  56
  展望  56-58
参考文献  58-61
致谢  61-62
附录 A （攻读学位期间所发表的学术论文目录）  62

焊接箱型柱残余应力有限元分析

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