考虑温度场影响的钢结构焊接梁柱节点有限元分析

论文摘要

随着建筑行业技术的快速发展,钢结构已大量应用于建筑结构中。在美国北岭地震和日本阪神地震等震灾实录分析表明,地震中钢框架的破坏大量表现为焊接梁柱连接节点的破坏,其破坏形式和破坏性质与节点细部构造密切相关。扇形切角构造既是应力集中产生的原因,也是影响焊缝质量的一个因素,有必要进行严格的计算分析和试验研究。本研究在已有试验的基础上,借助于ANSYS有限元软件对有、无扇形切角的焊接组合钢梁中的残余应力以及加载后两种情况的应力、应变分布进行比较分析。首先,根据所选结构模型,依据相关规范定义正确的热物性参数和力学性能参数;然后,在进行ANSYS有限元计算之前,选择合适的单元形式,并对结构模型合理划分网格。先进行热分析,采用热-结构耦合间接法,得到模型的温度分布;然后重新进入前处理,将热单元转化为相应的结构单元,将在热分析得到的温度作为温度荷载直接施加到结构模型上,再进行后续计算。计算思路如下:首先利用ANSYS提供的单元生死技术,在热分析过程中将施加在梁柱连接处的焊缝单元的温度荷载逐步撤销,以模拟焊接后焊缝的冷却过程,得到切角对焊接组合钢梁温度分布的影响;通过结构分析计算残余应力,进而得到切角对焊接组合钢梁残余应力的影响;然后,在得到残余应力分布的模型上,再进行加载计算,从而得到残余应力对结构的影响,以及不同切角形式对组合钢梁承载力的影响。通过ANSYS软件对有、无扇形切角的焊接组合钢梁进行了热分析和结构分析,得到如下结论:（1）热分析结果表明,设有切角的钢梁焊缝处热影响得到缓解,而无切角钢梁由于连接使温度较为集中;（2）结构应力分析结果表明,焊接切角构造对焊接后钢梁的残余应力分布有一定的影响。无切角模型由于在梁柱连接处温度不易扩散,应力数值较大;而对于有切角模型,由于切角的存在,温度场在梁柱连接处分布较为平均,使得在此处的残余应力不易过度集中,应力数值也较无切角模型的应力数值小;（3）在施加循环反复的位移荷载后,扇形切角构造对梁的变形能力有一定的影响,会引起梁柱节点在切角区域的集中变形,产生以扇形切角端点为起点的梁翼缘脆性断裂、熔深焊接部位的断裂等种种破坏;（4）无扇形切角的梁柱焊接节点形式在循环反复的位移荷载的作用下,梁翼缘自由边或与腹板连接处的变形集中,在荷载作用下不易发生应变突变,节点的变形能力大,但是容易发生脆性破坏。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 背景
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 梁柱焊接节点研究
• 1.2.2 焊接温度场的有限元分析
• 1.3 研究目的和意义
• 1.4 研究内容
• 1.5 论文的构成
• 第2章 焊接模拟的有限元基本理论
• 2.1 引言
• 2.2 焊接模拟的热分析基本理论
• 2.2.1 热分析相关公式
• 2.2.2 焊接传热的基本方式
• 2.2.3 有限元基本方程
• 2.2.4 非线性瞬态热传导的有限元分析
• 2.2.5 单元生死技术
• 2.2.6 焊接有限元模型的简化
• 2.3 焊接模拟的结构分析基本理论
• 2.3.1 热-结构耦合场
• 2.3.2 焊接残余应力的分析理论
• 2.3.3 焊接热弹塑性理论
• 2.4 本章小结
• 第3章 钢梁焊接残余应力分析
• 3.1 建模
• 3.1.1 结构模型
• 3.1.2 有限元模型
• 3.2 温度场计算及结果分析
• 3.2.1 加载计算
• 3.2.2 结果分析
• 3.3 残余应力的计算及结果分析
• 3.3.1 加载计算
• 3.3.2 结果分析
• 3.4 本章小结
• 第4章 焊接切角对钢梁承载力的影响分析
• 4.1 相关试验
• 4.2 有限元模拟
• 4.2.1 加载制度
• 4.2.2 计算结果分析
• 4.3 本章小结
• 第5章 焊接工艺孔的改进设计
• 5.1 焊接工艺孔改进的意义
• 5.2 模型尺寸的选取
• 5.3 有限元计算
• 5.3.1 建模
• 5.3.2 温度计算及结果分析
• 5.3.3 残余应力计算及结果分析
• 5.3.4 加载计算及应变结果分析
• 5.4 本章小结
• 第6章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文及科研工作
• 致谢