钢桥面板U肋焊接模拟及热处理后疲劳分析

作     者：王铳 

作者单位：西安理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：郭宏超;李慧

授予年度：2024年

学科分类：080503[工学-材料加工工程] 081406[工学-桥梁与隧道工程] 08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 0802[工学-机械工程] 0814[工学-土木工程] 080201[工学-机械制造及其自动化] 082301[工学-道路与铁道工程] 0823[工学-交通运输工程] 

主      题：钢桥面板U肋 Python二次开发 残余应力 残余变形 焊后热处理 疲劳寿命 

摘      要：随着我国市政桥梁的快速发展,钢箱梁因其轻质高强、安装简便、施工工期短等优点在市政桥梁中得到广泛应用。焊接作为钢结构最主要的连接方式之一,近年来在钢箱梁桥中的应用日益广泛。然而在焊接施工过程中,由于材料相变、位移约束以及温度场的不均匀分布等诸多原因,导致焊接完成后的构件中存在焊接残余应力与变形,是焊接结构裂纹萌生和扩展、钢材疲劳寿命降低的重要因素,当焊接残余应力与车辆荷载共同作用时,对桥梁整体安全的影响更为显著。本文依托实际工程西安曲江新区植物园西侧市政桥梁钢箱梁工程,主要聚焦于该桥梁工程中的钢桥面板U肋局部构件,利用有限元软件Abaqus建立钢桥面板U肋焊接有限元模型,研究其焊接残余应力和残余变形的分布规律,并对U肋进行焊后热处理来降低由焊接产生的残余应力,再结合Fe-safe疲劳分析软件,研究热处理对U肋疲劳寿命及安全系数的影响。本文主要研究内容如下: (1)总结钢桥面板U肋焊接数值模拟、焊后热处理及焊缝疲劳国内外研究现状,包括焊接残余应力和变形的概念、对构件的影响以及对焊接残余应力和变形的控制和消除。 (2)在Abaqus中建立U肋局部模型,通过焊接有限元模拟得出构件焊接温度场、应力场和变形场分布情况,并研究不同焊接工艺参数(焊接顺序、焊接速度和焊接环境温度)对U肋焊接残余应力和变形的影响。结果表明,钢桥面板U肋纵向焊接残余应力表现为两侧为残余压应力,而中间为残余拉应力;焊接顺序对钢桥面板U肋残余应力影响较小,对残余变形影响较大;随着焊接速度的增大,残余拉应力分布宽度相对减少,竖向残余变形也越来越小;随着环境温度的提高,焊接残余应力在逐渐变小,焊接残余变形在逐渐变大。 (3)选取合适的热处理循环曲线对焊接后U肋应力场进行焊后热处理,得到热处理后焊接残余应力分布规律,研究并探讨焊接热处理及蠕变效应对构件残余应力消除机理,对比分析升温速率和保温时间对焊接残余应力的影响,为钢桥面板U肋焊后热处理工艺提供一定的参考。结果表明,焊后热处理考虑蠕变效应能有效地减小焊接残余应力,升温速率对焊接残余应力影响较小,延长保温时间能够使焊后热处理效果增加。 (4)在热处理后应力场的基础上对构件进行疲劳寿命分析,并通过改变面板厚度和焊接坡口角度,研究其对热处理后面板U肋疲劳寿命的影响。结果表明,焊接残余应力的存在大大降低了结构的疲劳寿命和疲劳安全系数,但当考虑焊接热处理和蠕变效应后,结构的疲劳寿命提高。增加板厚可以提高结构的疲劳寿命,并且当焊接坡口角度达到55°时其疲劳耐久性最好,结构最为安全。