钢结构十字形节点固有应变的研究

第 1 章 课题的讨论历史与现状1.1 课题讨论背景20 世纪 40 年代，前苏联的奥凯尔勃洛姆就对焊接变形与应力的起因和分类进行了讨论，建立了确定焊接变形和应力的理论方法。但是焊接涉及的诸多现象和参数都是瞬时、不均匀分布和强烈非线性的，因而无法对焊接过程给出精确描述。早期的讨论都进行了很大程度的简化，以温度场为基础，对材料、几何和工艺参数进行一定假设，在特定的条件下进行分析，并通过试验对理论分析的结果进行修正。多年来，国内外学者和专家对焊接变形与应力进行了大量的讨论。特别是近年来随着数值方法和计算机技术的进展，许多原来难以解决的问题有了实现的可能，也取得了不少讨论成果。从最初的解析法，到现在常用的热弹塑性法、固有应变法，都离不开计算机和有限元理论的进展。理论上对焊接过程进行有限元分析可以采纳更复杂的理论和模型，并考虑多种过程的耦合效应，其中所涉及的参数也可更加接近生产实际，从而分析复杂的焊接结构和动态的焊接过程，得到相当精确的数值解。对焊接变形的控制也取得了较大的进展，尽管实际生产中仍以经验性的工艺措施为主，但是已经出现了一些理论性的讨论，并且取得了较为精确的数值模拟成果。1.2 焊接变形预测焊接中常用的电弧焊是一个不均匀的、以一定速度移动的加热和冷却过程。在此过程中，在不同的瞬时，有些点有着不同的温度分布，既不同的焊接热循环。这种情况使物体产生热胀冷缩这一简单的物理现象，在被焊的结构中，产生了复杂的热力学过程:在构件截面是出现了弹性区、弹塑性区、塑性区。由于在加热过程中有塑性的压缩变形，因此在焊接过程终了温度恢复到原来的温度时，结构中产生了焊接应力，同时结构也发生了畸变，即焊接变形。早在 20 世纪 20 年代，有限元方法就开始用于预测焊接变形。有限元理论经过了 50 年特别是近 30 年的进展，它的基本理论和方法已经比较成熟，成为当今工程技术领域中应用最为广泛，成效最为显著的数值分析方法。在焊接领域中，有限元方法不仅可以用来预测焊接变形，还可以用于模拟焊接温度场、焊接残余应力和影响区组织等的预测。以下是常用的几种分析焊接变形的有限元理论：1.2.1 热弹塑性有限元理论这是应用最为广泛的焊接过程计算方法，涵盖了焊接过程的各个方面。包括不同的焊接类型、焊接材料和接头形式，既用于对焊接变形的分析，也用于分析残余应力、裂纹、疲劳和断裂等。分析中的热源通常简化为点、线、面热源。常用的热源类型...