廈漳大橋（南汊）錨拉板焊接殘余應(yīng)力有限元分析

胡 娟 伍賢智 石峻峰 何 浩 陳東波

（1.長安大學(xué)公路學(xué)院 長安 710064；2.中鐵大橋局集團(tuán)武漢橋梁科學(xué)研究院有限公司 武漢 430034；3.湖北工業(yè)大學(xué) 武漢 430068；4.中交第二航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司 武漢 430071）

1 大橋錨拉板概況

廈漳跨海大橋南汊主橋索梁錨固結(jié)構(gòu)采用錨拉板式錨固方式［1］，錨拉板所有材料采用Q370qD。錨拉板直接焊接在工字型主梁的上翼緣，其厚度方向承受拉應(yīng)力，主梁上翼緣鋼材的Z向性能和焊接的熱影響區(qū)是最為薄弱的環(huán)節(jié)；而且錨拉板的焊縫相互交叉、焊縫形式多樣，對于厚板焊接，拘束度大，殘余應(yīng)力場復(fù)雜、殘余應(yīng)力大，將會較大程度地降低焊接接頭的疲勞強(qiáng)度和韌性。因此，對錨拉板的焊接殘余應(yīng)力采用數(shù)值方法計(jì)算殘余應(yīng)力的大小及其分布形式，為焊接參數(shù)的選擇提供參考。

由于焊接過程模擬分析的復(fù)雜性，需要反復(fù)進(jìn)行非線性迭代運(yùn)算，故對錨拉板三維整體焊接分析非常困難，本文主要針對錨拉板上的P3焊縫局部進(jìn)行三維模擬分析。P3焊縫形式及其施焊順序見表1～2。

表1 P3焊縫形式

表2 坡口角焊縫施焊狀況

2 溫度－應(yīng)力耦合有限元分析

利用耦合場分析方法［2］研究2種或多種物理場的交叉作用和相互影響，耦合分析有2種方法：直接耦合方法及順序耦合方法。直接耦合方法利用包含所有必須自由度的耦合單元類型，僅僅經(jīng)過一次求解即可得出耦合場分析結(jié)果。

直接耦合的耦合矩陣方程為

在矩陣中，耦合效應(yīng)要考慮非對角子陣K12和K21的影響，（X1，X2）是2種不同場類型的自由度。在本文中，焊接殘余應(yīng)力計(jì)算分析采用直接耦合方法。

3 溫度應(yīng)力的計(jì)算

溫度應(yīng)力是指當(dāng)物體由于溫度升降受到約束或各個部分的溫度變化不均勻時，物體內(nèi)部就會產(chǎn)生應(yīng)力。物體的溫度改變時，溫度變形為線應(yīng)變，若把溫度改變產(chǎn)生的線應(yīng)變視為物體的初始應(yīng)變，則它的三維問題表達(dá)式為

式中：φ0為初始溫度場；α為材料的熱膨脹系數(shù)；φ為結(jié)構(gòu)的穩(wěn)態(tài)溫度場或瞬態(tài)溫度場。

4 錨拉板焊縫殘余應(yīng)力分析

4.1 P3焊縫有限元模型

應(yīng)用ANSYS提供的Solid5耦合單元，運(yùn)用單元生死技術(shù)模擬焊接過程，采用高斯熱源函數(shù)，通過熱－結(jié)構(gòu)耦合分析功能進(jìn)行焊接過程的仿真分析，計(jì)算焊接過程中的溫度分布和應(yīng)力分布以及冷卻后的焊縫殘余應(yīng)力［3］。

對于P3焊縫具有多個焊道，從坡口底部沿焊道向上逐步完成焊接，在整個模擬過程按照實(shí)際焊道劃分焊縫單元，材料為雙線性隨動強(qiáng)化準(zhǔn)則。P3焊縫焊接的2塊試板尺寸為：40mm×400mm×500mm，20mm×400mm×500mm，為了研究方便，沿坡口從上到下在焊接方向取3條路徑，分別為Path1，Path2，和Path3，有限元模型見圖1～圖3。

圖1 焊接模型

圖2 焊縫圖

圖3 在截面上選取5點(diǎn)

4.2 分析結(jié)果

通過計(jì)算得到焊接過程中溫度和應(yīng)力分布的演變過程，規(guī)律性比較明顯，坡口焊接的溫度經(jīng)歷從高到低的過程，變形受到約束而產(chǎn)生殘余應(yīng)力。在焊接過程中，局部最大殘余應(yīng)力可以達(dá)到575 MPa，出現(xiàn)的位置在焊料內(nèi)部。焊接完成后的最大局部永久殘余應(yīng)力為365MPa，位于坡口焊縫邊緣焊料與母材相接觸的位置，見圖4，圖5。由于3條應(yīng)力路徑都是選擇在坡口焊縫的母材表面，最大的局部殘余應(yīng)力沒有超過200MPa。整個焊接模擬過程所得到的結(jié)果比較合理，能夠?yàn)檎鎸?shí)的焊接操作提供一定的依據(jù)。

圖4 最終殘余應(yīng)力云圖

圖5 最終路徑Path1應(yīng)力曲線

圖6～圖9為在坡口焊縫的端部截面和中間截面的相應(yīng)位置所取的5個點(diǎn)的應(yīng)力與溫度時程曲線，從圖中可以看到每條曲線有幾個明顯的峰值，這和焊道數(shù)是對應(yīng)的。每次施焊點(diǎn)達(dá)到這個位置時，溫度和應(yīng)力就會出現(xiàn)峰值，隨著溫度下降到常溫，應(yīng)力最后也逐漸趨于一個穩(wěn)定值。

圖6 端部截面5點(diǎn)應(yīng)力時程曲線

圖7 中間截面5點(diǎn)應(yīng)力時程曲線

圖8 端部截面5點(diǎn)溫度時程曲線

圖9 中間截面5點(diǎn)溫度時程曲線

圖10～圖13為分別在3條路徑上取的10個點(diǎn)的應(yīng)力及溫度時程曲線，可以看到隨著焊道的推移，各點(diǎn)的應(yīng)力和溫度此起彼伏，最后都趨于一個穩(wěn)定值，端部的殘余應(yīng)力比較大。由于施焊是從下向上，所以Path3上的各點(diǎn)首先會出現(xiàn)應(yīng)力和溫度最大值。

圖10 Path1上各點(diǎn)應(yīng)力時程曲線

圖11 Path2上各點(diǎn)應(yīng)力時程曲線

圖12 Path3上各點(diǎn)應(yīng)力時程曲線

圖13 Path1上各點(diǎn)溫度時程曲線

從曲線及云圖中可以看到，焊縫周圍的最終殘余應(yīng)力并未達(dá)到材料的屈服值，殘余應(yīng)力與材料的熱力學(xué)參數(shù)、焊道的劃分、施焊的順序都有關(guān)系。

由于在計(jì)算模擬中，采用單元生死來模擬焊道的焊接過程，真實(shí)地反映了實(shí)際焊接過程。焊縫內(nèi)所有單元在開始計(jì)算前被殺死，即單元剛度非常小。在計(jì)算過程中，將不同道次被“殺死”的單元按道焊的先后順序“激活”，模擬各道次焊縫金屬的填充過程。

上述圖中反映了施焊過程中溫度變化過程，在焊接當(dāng)前焊道時，溫度最高，隨后，在焊接下一個焊道時，此焊道溫度逐漸降低。圖中也可以看到等效殘余應(yīng)力的變化過程，在焊接過程中，由于在焊縫周圍的殘余變形較大，所以最大殘余應(yīng)力主要位于母材與焊料之間的位置。

5 結(jié)語

采用ANSYS有限元軟件對錨拉板P3焊縫焊接過程進(jìn)行仿真分析，得到焊縫周圍局部最大焊接殘余應(yīng)力達(dá)到365MPa，已經(jīng)超過材料的屈服強(qiáng)度。從相關(guān)文獻(xiàn)資料可知，焊接過程中的材料殘余應(yīng)力接近或達(dá)到材料的屈服強(qiáng)度屬于正?，F(xiàn)象，焊接殘余應(yīng)力對結(jié)構(gòu)的影響應(yīng)該與外荷載應(yīng)力結(jié)合起來考慮。

［1］重慶交通科研設(shè)計(jì)院，福建省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院，中交第一公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司聯(lián)合體.廈漳跨海大橋施工圖設(shè)計(jì)［Z］.重慶：重慶交通科研設(shè)計(jì)院，2009.

［2］王勖成.有限單元法［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2004.

［3］中鐵大橋局集團(tuán)武漢橋梁科學(xué)研究院有限公司.廈漳跨海大橋斜拉橋主橋錨拉板受力機(jī)理理論分析和模型試驗(yàn)研究［R］.武漢：中鐵大橋局集團(tuán)武漢橋梁科學(xué)研究院有限公司，2012.