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原文传递 U肋加劲钢桥面板焊接残余应力与变形研究

论文题名：	U肋加劲钢桥面板焊接残余应力与变形研究
关键词：	钢桥面板;U肋加劲;焊接残余应力;焊接变形
摘要：	正交异性钢桥面板广泛应用于现代钢桥的桥面结构中，而纵向U肋加劲的钢板则是正交异性钢桥面板的主要构造形式。U肋焊接所产生的残余应力与变形严重影响着结构的制造精度、增加了焊后矫正的工作量，同时对结构的服役性能也有不利影响。目前国内外针对U肋加劲钢桥面板焊接残余应力与变形的研究较少，尤其缺乏实测数据，因此对该构造的焊接残余应力及变形进行系统深入的研究是十分必要的。为此，本文先从焊接热源模型参数求解、盲孔法残余应力测试、焊接变形预测等基础性课题开展研究，再用数值模拟与实验测试对研究结果进行验证，最后将验证过的研究成果应用到U肋加劲钢桥面板焊接残余应力及变形的预测与测试中。本文的主要内容如下: 　　(1)对国内外研究现状进行回顾、分析，包括焊接数值模拟方法研究、焊接热源模型选取与参数确定、焊接残余应力测试方法、U肋加劲钢桥面板焊接残余应力与变形研究等;指出了现有研究中存在的问题，针对这些问题确立了本文的研究目标和内容。　　(2)根据有限元法与计算机图形学相关理论，提出了基于等温线的熔池形状提取技术。基于该技术，结合ANSYS优化设计，提出一种双椭球热源模型参数的求解方法，并用VB语言开发了双椭球热源参数求解程序。采用提出的方法与开发的程序，对桥梁钢结构常用的焊接接头形式，实现了焊接热源模型参数求解的建模参数化与求解程序化。在此基础上，对四种焊接参数下的热源模型进行了求解，并将计算的熔池形状与实际熔池形状进行了对比。结果表明:提出的方法及开发的程序能够有效、精确地求解双椭球热源模型参数。　　(3)为消除盲孔法残余应力测试中塑性应变对测试精度的影响，针对现有方法计算繁琐、不适用于应力超过0.9倍屈服强度的问题，提出一种简易的迭代方法。该方法计算简单、迭代收敛快、且不受应力水平的限制。讨论了提出方法所求应力状态的存在性、唯一性及迭代的收敛性，并进行了验证。结果表明:提出的方法能够消除塑性应变导致的盲孔法残余应力测试误差，并能保证求解的应力状态唯一。　　(4)基于本文关于焊接热源模型参数求解、盲孔法残余应力测试的研究成果，为探究U肋加劲钢桥面板焊接残余应力的大小与分布，采用热弹塑性有限元法和盲孔法对焊接残余应力进行了分析与测试，并对分析与测试结果进行了对比，给出了Q345钢材焊接残余应力超过345MPa的理由。　　(5)为方便在结构验算中考虑焊接残余应力的影响，对U肋加劲钢桥面板，提出了用于整体分析和局部分析的焊接残余应力简化图示，给出了简化图示中相关参数取值，同时指出了简化图示在应用中的注意事项。　　(6)为了在焊接变形预测中便捷地施加固有应变，借助于ANSYS初应变/初应力荷载，提出一种固有应变施加方法和一种固有应变等效荷载的计算方法，并对两种方法进行了验证。　　(7)对开坡口或有金属填充过程的焊接工艺，指出基于残余塑性应变预测焊接变形存在偏小的问题，并分析了偏小的原因。针对该问题，提出了一种预测焊接变形的新方法——焊接变形源法。此处的“焊接变形源”是指焊件完全冷却后塑性区的节点位移，它依靠热弹塑性有限元法求解，已知焊接变形源便可直接预测焊接变形。同时，对焊接变形源法进行了数值与实验验证，并用该方法分析了几何参数对U肋加劲钢桥面板焊接横向弯曲变形的影响，进而提出了一种计算U肋加劲钢桥面板焊接横向弯曲的简易方法，并给出了关键性参数取值。
作者：	顾颖
专业：	桥梁与隧道工程
导师：	李亚东
授予学位：	博士
授予学位单位：	西南交通大学
学位年度：	2016
正文语种：	中文