基于ANSYS平台T型管节点焊接残余应力分析研究

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近二十年来,钢管焊接结构在我国得到迅猛发展,它的应用遍布海洋平台工程、高层建筑结构、大跨度结构等众多领域。T型焊接节点是钢管焊接结构中最常见的节点连接形式之一,它承担着连接各个管件和传递载荷的作用。在实际工程中发现相当一部分结构的破坏是由于T型管节点处焊缝开裂而引起的。由于焊接过程中会产生焊接残余应力,在长期循环荷载作用下疲劳裂纹总是在焊缝处产生并沿着焊缝扩展,从而降低了管节点承载能力极限强度。因此,对于T型管节点处焊接残余应力的研究具有重要意义。焊接是一个复杂的过程,它涉及到冶金、传热、电弧物理和力学等多个学科。焊接现象包括焊接时的电磁和传热过程、金属的熔化和凝固、冷却时的相变、焊接应力和变形等。如果能够实现对T型管节点焊接过程的数值模拟,我们就可以通过计算机数值模拟来确定该节点的焊接参数、焊接工艺方法和焊接最佳设计,从而减少试验的盲目性,提高焊接结构的可靠度。本论文利用大型有限元软件ANSYS对25#钢T型管节点的焊接温度场和应力场进行三维计算机数值模拟,得到不同焊接速度下T型管节点在任意时刻的温度场和应力场的变化情况,以及节点冷却后焊接残余应力分布状况。本论文包括以下几方面的主要内容:建立了T型焊接管节点温度场和应力场有限元分析模型,并引进单元生死技术仿真焊接熔敷过程;在数值模拟计算时,采用间接法处理焊接温度场与应力场的单向耦合过程,这样可以节省大量的时间,计算较为合理、高效;比较分析不同焊接速度下T型管节点温度场和应力场的分布情况以及节点冷却后焊接残余应力的分布情况,我们发现在较慢的焊接速度下,T型管节点受热比较均匀,焊接温度场和应力场分布均匀且梯度较小,焊接残余应力分布区域缩小且数值相对降低,这为焊接工艺改进和焊接结构优化设计提供了重要依据。
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