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本文首先使用專業(yè)的熱加工處理仿真軟件sysweld進(jìn)行了大直徑厚壁鋼管多層多道焊接過程仿真，得到了焊接溫度場與應(yīng)力場。隨后在控制鋼管外徑不變的情況下通過改變壁厚而達(dá)到改變鋼管徑厚比的目的。通過對不同徑厚比鋼管焊接殘余應(yīng)力的仿真，研究了鋼管徑厚比對大直徑厚壁鋼管焊接殘余應(yīng)力的影響。在得到厚壁鋼管焊接殘余應(yīng)力分布的情況下，使用大型通用有限元軟件ANSYS進(jìn)行了考慮焊接殘余應(yīng)力情況下鋼管構(gòu)件軸心受壓屈曲極限承載力。同時(shí)考慮了焊接殘余應(yīng)力對不同長細(xì)比軸壓鋼管極限承載力的影響，以及焊接殘余應(yīng)力對不同徑厚比軸壓鋼管極限承載力的影響。得到以下結(jié)論。

（1）厚壁鋼管焊接殘余應(yīng)力分布特征：von mise等效應(yīng)力在焊縫區(qū)域達(dá)到材料名義屈服強(qiáng)度，在遠(yuǎn)離焊縫的部位應(yīng)力接近零，在焊縫及邊遠(yuǎn)部分之間von mise等效應(yīng)力逐漸過渡；環(huán)向殘余應(yīng)力在鋼管內(nèi)外壁有明顯不同，在鋼管外壁呈現(xiàn)壓應(yīng)力，且殘余壓應(yīng)力接近材料屈服強(qiáng)度，而在鋼管內(nèi)壁呈現(xiàn)拉應(yīng)力，殘余拉應(yīng)力接近0.5倍材料屈服強(qiáng)度;軸向殘余應(yīng)力在鋼管內(nèi)外壁的分布也不相同，與環(huán)向殘余應(yīng)力類似，在鋼管外壁同樣是壓應(yīng)力，壓應(yīng)力接近0.5倍材料屈服強(qiáng)度，在鋼管內(nèi)壁呈現(xiàn)拉伸殘余應(yīng)力，數(shù)量值接近0.3倍材料屈服強(qiáng)度;而在鋼管壁厚方向殘余應(yīng)力是變化的，通過研究發(fā)現(xiàn)，焊接殘余應(yīng)力在壁厚方向的變化比較規(guī)律，雖然不同徑厚比鋼管在壁厚方向殘余應(yīng)力變化曲線不一樣，但是趨勢都比較類似，在進(jìn)行殘余應(yīng)力分布模型簡化的時(shí)候，在壁厚方向的殘余應(yīng)力可以簡化為在內(nèi)壁為拉伸殘余應(yīng)力，在外壁為壓縮殘余應(yīng)力，且沿壁厚線性變化。

（2）鋼管對接焊殘余應(yīng)力對構(gòu)件軸心受壓穩(wěn)定承載能力有影響，會(huì)降低鋼管構(gòu)件穩(wěn)定極限承載力，并且焊接殘余應(yīng)力量值決定了對構(gòu)件穩(wěn)定極限承載能力的影響程度。并且在焊接殘余應(yīng)力中只有鋼管軸向方向的殘余應(yīng)力對構(gòu)件穩(wěn)定承載力有影響，環(huán)向殘余應(yīng)力以及壁厚方向的殘余應(yīng)力對穩(wěn)定承載力的影響都可以忽略不計(jì)。

（3）焊接殘余應(yīng)力隨鋼管長細(xì)比變化，對構(gòu)件穩(wěn)定承載力的影響程度不一樣，且呈現(xiàn)出比較明顯的規(guī)律，隨著構(gòu)件長細(xì)比的增加焊接殘余應(yīng)力對構(gòu)件穩(wěn)定承載力的影響愈發(fā)明顯。由修正長細(xì)比為30時(shí)的3.1％到修正長細(xì)比為100時(shí)的13％，且在構(gòu)件修正長細(xì)比達(dá)到80時(shí)焊接殘余應(yīng)力對穩(wěn)定承載力的降低百分比趨于穩(wěn)定。

（4）隨著構(gòu)件徑厚比的增加，焊接殘余應(yīng)力對構(gòu)件穩(wěn)定承載力的影響逐漸減小，但是降低的百分比比較穩(wěn)定，保持在12％左右，說明構(gòu)件徑厚比的變化對焊接殘余應(yīng)力降低構(gòu)件穩(wěn)定承載力無明顯影響。

本文的主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)

目前對于大直徑厚壁鋼管焊接殘余應(yīng)力的研究比較少，對于厚壁鋼管殘余應(yīng)力分布規(guī)律沒有明顯結(jié)論，而且焊接殘余應(yīng)力對構(gòu)件穩(wěn)定性的影響研究還比較少，到目前為止所做的研究多是沿構(gòu)件縱向的焊接殘余應(yīng)力對穩(wěn)定性影響，對于厚壁鋼管對接焊殘余應(yīng)力對穩(wěn)定性的影響還沒有看到有相關(guān)的研究論文發(fā)表。本文的主要的創(chuàng)新點(diǎn)如下。

（1）提出了厚壁鋼管對接焊殘余應(yīng)力簡化模式

使用sysweld軟件進(jìn)行了大直徑厚壁鋼管多層多道焊接有限元仿真，得到了焊接溫度場及焊接殘余應(yīng)力場，并且在控制鋼管外壁直徑不變的情況下通過改變鋼管壁厚來達(dá)到改變鋼管徑厚比的目的，研究了大直徑厚壁鋼管隨徑厚比改變焊接殘余應(yīng)力分布的規(guī)律。最后提出了實(shí)際工程中應(yīng)用較多徑厚比的大直徑厚壁鋼管焊接殘余應(yīng)力簡化分布模式。

（2）在梁單元中輸入應(yīng)力值時(shí)考慮了沿管壁厚度方向的變化

使用大型通用有限元軟件ANSYS對大直徑厚壁鋼管考慮焊接殘余應(yīng)力與初始屈曲情況下的穩(wěn)定承載力進(jìn)行數(shù)值分析。使用INISTSTE命令按照殘余應(yīng)力簡化模式在單元高斯點(diǎn)上輸入初始應(yīng)力，以達(dá)到對焊接殘余應(yīng)力輸入的目的。為了考慮到焊接殘余應(yīng)力沿壁厚變化的情況，在對梁截面進(jìn)行柵格劃分的時(shí)候沿壁厚方向網(wǎng)格劃分為6層，在單元高斯點(diǎn)輸入殘余應(yīng)力的過程中根據(jù)柵格點(diǎn)的坐標(biāo)來計(jì)算殘余應(yīng)力的數(shù)量值。

（3）研究了鋼管對接焊焊接殘余應(yīng)力對穩(wěn)定承載力的影響

使用弧長法來計(jì)算考慮初始缺陷下構(gòu)件的極限承載力，通過對比驗(yàn)證了在殘余應(yīng)力中只有鋼管軸向殘余應(yīng)力對構(gòu)件穩(wěn)定承載力有影響。并研究了在鋼管徑厚比變化、長細(xì)比變化、不同等級(jí)焊接殘余應(yīng)力的情況下對構(gòu)件穩(wěn)定承載力的影響規(guī)律。

有待進(jìn)一步開展的工作

目前對于各種材料的厚壁鋼結(jié)構(gòu)的焊接殘余應(yīng)力研究工作還不足，對于對接焊鋼構(gòu)件的極限承載力還沒有相應(yīng)的計(jì)算理論與規(guī)范，仍有大量的研究工作需要開展，主要包括以下幾個(gè)方面：

（1）效率更高的焊接殘余應(yīng)力仿真方法

由于焊接殘余應(yīng)力的有限元分析過程包含了材料非線性、幾何非線性、材料相變、邊界條件非線性等，導(dǎo)致熱力耦合迭代過程極其緩慢，而且焊接屬于瞬態(tài)分析，對于厚壁結(jié)構(gòu)多層多道焊接而言，結(jié)構(gòu)單元數(shù)量多，荷載步也多，即使使用高性能工作站來計(jì)算需要的時(shí)間也很長。因此急需要更加快捷高效的焊接殘余應(yīng)力仿真方法。

（2）厚壁鋼管焊接殘余應(yīng)力的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

由于條件所限，本次厚壁鋼管焊接殘余應(yīng)力的研究僅是數(shù)值分析，對于仿真結(jié)果并未進(jìn)行相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，對于實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，是下一步研究需要的。

（3）焊接殘余應(yīng)力對于構(gòu)件彎扭能力、開裂、疲勞性能的影響

結(jié)構(gòu)受壓的穩(wěn)定承載能力只是構(gòu)件受力性能的一個(gè)方面，而焊接構(gòu)件在結(jié)構(gòu)中無處不在，有的受彎，有的受扭，還有的受拉，在承受周期動(dòng)載的結(jié)構(gòu)中，疲勞是結(jié)構(gòu)服役過程中最嚴(yán)重的問題，研究焊接殘余應(yīng)力對于這些受力性能的影響具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。

（4）螺旋焊接鋼管焊接殘余應(yīng)力與穩(wěn)定性影響

對于很多大直徑鋼管采用螺旋焊接焊縫進(jìn)行焊接，對于此過程焊接殘余應(yīng)力分布的研究還有待進(jìn)一步開展，以及此種構(gòu)件焊接殘余應(yīng)力對于構(gòu)件受力性能的影響。