桥梁钢结构典型构造焊接残余应力及变形的预测与控制结题摘要

本项目围绕着桥梁钢结构典型构造焊接残余应力与变形预测与控制的主题，运用模拟与测试相结合的手段开展研究，主要研究成果包括：① 为实现焊接热源模型参数求解的“建模参数化”和“求解程序化”，基于计算机图形学与优化设计法提出了一种双椭球热源模型参数的求解方法，并采用VB语言开发了求解程序；② 为消除塑性应变对盲孔法测试精度的影响，采用蒙特卡罗法拓展了应变释放系数经验公式的取值范围，同时基于ANSYS优化设计，借助迭代手段提出了一种消除塑性应变影响的“简易迭代法”，该方法计算简单、迭代收敛快、且不受应力水平的限制；③ 为解决依靠残余塑性应变预测焊接变形偏小的问题，利用焊缝塑性区的局部变形，建立了预测焊接变形的“焊接变形源法”，进而提出了一种计算正交异性钢桥面板焊接横向弯曲的简易方法；④ 为探究正交异性钢桥面板焊接残余应力的大小与分布，以足尺模型为对象，对焊接残余应力进行了模拟与测试，并提出了正交异性钢桥面板用于整体分析和局部分析的焊接残余应力简化图示；⑤ 为探究Q345qD厚板焊接残余应力的空间分布，采用局部逐层铣削盲孔法测试了六种厚度的对接焊试板，并基于实测数据修正了现有的焊接残余应力分布经验公式，同时对16mm、30mm厚试板进行了焊接数值模拟，揭示了钢板厚度、应变硬化对残余应力场的影响；⑥ 为描述钢管拱桥T型相贯节点焊接残余应力，对其焊接过程进行了数值模拟，给出了T型相贯节点焊接残余应力的空间分布；⑦ 为调控桥梁钢结构焊接残余应力，开展了喷丸表面处理试验，定量分析了喷丸强化对焊接残余应力的影响，同时开展了振动时效工艺对正交异性钢桥面板焊接残余应力消除效果的研究，验证了振动时效工艺的有效性；⑧ 为研究焊接残余应力对疲劳性能的影响，基于线弹性断裂力学研究了不同裂纹几何形态下焊接残余应力对半椭圆表面裂纹应力强度因子的影响。通过本研究加深了桥梁钢结构焊接残余应力与变形的理解，研究成果具有广泛的应用前景。 2100433B

随着钢结构在桥梁工程中的广泛应用，焊接作为桥梁钢结构连接的主要方式，其较大的焊接变形及残余应力严重影响着桥梁钢结构的制造、安装精度，增加了焊接变形矫正工作量，降低了生产效率，同时对桥梁结构的疲劳寿命和耐久性等也有不利的影响。当前国内外对桥梁钢结构的焊接变形及残余应力研究相对较少，实际生产中也往往采用被动的焊后处理方式来调整焊接残余应力与变形，因此，有必要对桥梁钢结构典型构造焊接残余应力与焊接变形的预测与控制进行系统深入的研究。本项目拟通过数值模拟和实验测试，从构造设计和焊接工艺层面，主动地去降低桥梁钢结构焊接残余拉应力峰值、缩小高残余拉应力区域；控制桥梁钢结构典型构造的焊接变形，提高制造与安装精度。本项目的预期研究成果不仅具有重要的理论意义和实际的工程应用价值，而且有利于我国公路、铁路桥梁钢结构设计规范的修订与完善，并对我国《桥梁焊接规范》的制定有一定的参考价值和积极的推动作用。

内容介绍

《焊接变形和残余应力的数值计算方法与程序》针对工程技术人员和高校学生，深入浅出地用3根棒所构成的非常简单的1维力学模型说明焊接变形和残余应力的生成过程；同时对以固有应变为基础的残余应力、变形预测以及测定的基础理论进行简要的阐述。焊接变形和残余应力一直是困扰工程技术人员的一大难题。《焊接变形和残余应力的数值计算方法与程序》配有可以体验计算焊接变形和残余应力的程序以及基本例题的CD。根据《焊接变形和残余应力的数值计算方法与程序》的解说，可以在个人计算机上体验焊接温度、残余应力和变形计算。《焊接变形和残余应力的数值计算方法与程序》还引用典型的计算实例介绍焊接变形和残余应力分析的方法和目的。CD中还收录了热弹塑性计算所需的各种材料的热物理、力学性能数据和基本理论。《焊接变形和残余应力的数值计算方法与程序》是工程技术人员和高校学生学习和掌握焊接变形和残余应力基础知识的有力工具。

《焊接变形和残余应力的数值计算方法与程序》的主要内容如下：

第1章 焊接力学的基础知识，即绪论，焊接力学的基础知识，残余应力和固有应变的生成机理。

第2章 固有应变法测量和预测残余应力的基础理论，即固有应变和生成应力的关系，2维及3维残余应力的测量方法，焊接残余应力的预测。

第3章 焊接力学模拟的基础，即焊接的温度场和应力场模拟的基础知识。

第4章 有限元法的基础知识，即问题的种类和基本计算式，变分原理，热弹塑性问题的分析实例。

第5章 关于《焊接变形和残余应力的数值计算方法与程序》程序的问与答，即程序概要，焊接热传导程序heat2d．exe的问与答，热弹塑性的程序tepc2d．exe的问与答，固有应变法程序inhs2d．exe的问与答，子程序awsd．exe的问与答，计算例题数据。

第6章 有限元程序的焊接热传导、焊接变形及残余应力的体验计算，即焊接热传导heat2d．exe的体验计算，热弹塑性FEM程序tepc2d．exe的体验计算，固有应变FEM程序inhs2．exe．的体验计算，固有应变程序inhs2d．exe的残余应力的预测计算。

第7章 焊接应力及变形的各类问题和对策，即对接接头的冷裂纹和约束、减少疲劳裂纹的角焊缝焊接残余应力分析、多层焊接残余应力和焊接裂纹、极厚板多层对接接头的残余应力分析，防止管道接头的应力腐蚀的水冷式焊接，线状加热的变形预测、点焊接过程模拟、大型焊接结构的变形分析等计算实例。

前言

第一篇 焊接变形控制

第一章 焊接残余应力

第一节 焊接残余应力产生及分布

第二节 焊接残余应力对焊接结构的影响

第三节 减小焊接残余应力的方法

第二章 焊接结构的变形规律

第一节 焊接变形种类

第二节 焊接方法和焊接参数对焊接变形的影响

第三节 焊接梁、柱弯曲变形计算

第四节 焊接收缩变形

第五节 焊接梁、柱盖板和腹板波浪变形

第六节 露开作业焊接箱形梁温度变位计算

第七节 板结构箱形梁腹板的预拱度曲线

第三章 减小焊接变形的方法

《焊接应力、变形的控制工艺与操作技巧》为《焊接应力、变形的控制工艺与操作技巧》，全书共分八章，分别介绍了焊接应力与变形的产生原因和规律、焊接结构的设计、合理选择装配与焊接程序、焊接变形的估算及反变形法的实施以及其他焊接变形控制工艺、典型结构的装配与焊接、焊后残余变形的矫正和焊接残余应力的防止与消除等内容。其中第二至第七章重点介绍焊接变形的减小与消除工艺与措施，第八章重点介绍焊接应力的防止与消除。《焊接应力、变形的控制工艺与操作技巧》采取工艺与操作相结合的形式，简明扼要地介绍生产中焊接应力、变形的控制工艺与操作技巧，并配以大量实例及图示，以利于读者更好地学习吸收，并从中得到启发，从而能在实际生产中起到借鉴作用。