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大型钢构件制作加工过程中残余应力与变形的理论分析与实践

作　者: 张永涛
导　师: 赵欣
学　校: 河北工业大学
专　业: 建筑与土木工程
关键词: 建筑钢结构 大型钢构件 变形控制 残余应力 焊接变形 有限元分析
分类号: TU758.16
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
下　载: 2次
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内容摘要


在工业、民用建筑领域中，钢结构已经得到了普遍应用。加工制作过程中，钢结构产生的变形和残余应力和会对结构的质量起到一定的负面作用，所以钢构件生产过程中产生的残余应力与变形是在建筑钢结构领域中必须要重视的问题。现在，随着钢结构在工业、民用建筑领域之中的广泛应用，尤其在大型工业厂房中（例如发电站）大型构件应用越来越广泛，怎样有效地控制他的焊接变形问题就显得尤为重要。然而，若想要有效地控制并减小焊接变形，其关键所在是如何准确预测焊接变形。在国内外对预测焊接变形方法的研究中，具有较高分析预测精度的预测方法主要着眼于机械制造领域，仍未广泛应用于建筑钢结构领域，因为现有焊接变形预测方法对计算条件、计算成本、技术人员知识水平等方面都有较高要求，不适合在建筑钢结构领域广泛推广。本文结合工程实例，提出一种适用于建筑钢结构领域，用有限元方法简单、高效地分析由于温度场引起的钢结构焊接变形。该有限元法综合考虑了各种影响结构形变的因素，根据建筑钢结构在加工制作过程中残余应力产生的特点与本质，对钢结构件的焊接及温度变化过程进行有效的简化。文中利用ansys软件中的生死单元技术，加工制作过程中钢构件的温度变化过程被分解为多个子步进行叠加。本文考虑建筑钢结构领域与机械制造领域的不同特点，简化了温度函数，将焊接过程中单元的温度变化转化为单元等效节点荷载进行考虑，从而避免了复杂的热力学计算过程；本文的分析过程采用了有限元法，该工具的优点是适应性强、列式简单、收敛性好、精度高等，从而可以保证分析结果的精度。最后，结合工程实例，本文将按本方法得到的分析结果和实测数据进行对比，结果表明本法是正确的、可用的。通过本法可以较准确地预测建筑钢结构在施工过程中的变形，从而可以提前定制有针对性的方案，本法即可以应用于建筑钢结构变形控制的分析，同时也为施工方案优化设计提供了有效工具。

全文目录


摘要  4-5
ABSTRACT  5-8
第一章 绪论  8-19
  1.1 残余应力与变形的产生  8-9
    1.1.1 残余应力  8
    1.1.2 残余应力的产生  8-9
    1.1.3 焊接残余变形  9
  1.2 研究残余应力与残余变形的重要性  9-10
    1.2.1 残余应力的不良影响  9
    1.2.2 控制残余应力与变形的必要性  9-10
  1.3 控制变形及校正措施  10-15
    1.3.1 结构设计措施  10-11
    1.3.2 工艺措施  11-14
    1.3.3 校正措施  14-15
  1.4 焊接变形预测方法的研究现状  15-17
    1.4.1 焊接变形预测的主要方法  15
    1.4.2 数值模拟方法的研究现状  15-16
    1.4.3 有限元法研究的进展及成果  16
    1.4.4 现有预测方法的局限性  16-17
  1.5 课题意义及主要工作  17-19
    1.5.1 目的与意义  17
    1.5.2 主要研究工作  17-19
第二章 有限元模拟焊接过程的理论分析  19-26
  2.1 对焊接过程的分解、简化  19-21
  2.2 简化焊接过程中温度变化  21
  2.3 引入温度应力和温度荷载的概念  21-23
  2.4 ANSYS 简介  23-24
  2.5 ANSYS 热应力分析方法与单元生死技术  24-26
    2.5.1 ANSYS 热应力分析  24-25
    2.5.2 ANSYS 单元生死技术  25-26
第三章 焊接变形有限元分析的程序设计  26-31
  3.1 钢材实际模型  26-27
  3.2 程序中的模型  27
  3.3 模拟温度场  27-29
    3.3.1 选取单元类型  27-28
    3.3.2 定义材料属性  28
    3.3.3 划分网格  28
    3.3.4 施加荷载  28-29
    3.3.5 求解  29
    3.3.6 温度场的后处理  29
  3.4 模拟应力场  29-31
    3.4.1 选取结构单元类型  29-30
    3.4.2 材料属性  30
    3.4.3 定义边界条件和施加荷载  30
    3.4.4 应力场后外理  30-31
第四章 算例分析  31-48
  4.1 焊接过程的 ansys 模拟（T 型接头）  31-35
    4.1.1 热分析模型  31-32
    4.1.2 加载求解  32-33
    4.1.3 温度场计算结果  33-35
  4.2 大型钢构件焊接过程的模拟与分析  35-44
    4.2.1 模拟移动热源进行温度场分析  36-38
    4.2.2 焊接应力分析  38-41
    4.2.3 焊接变形分析  41-44
  4.3 工程实践  44-48
    4.3.1 工程概况  44-45
    4.3.2 遇到的困难和难题  45
    4.3.3 理论研究指导实践  45-47
    4.3.4 优化效果检查  47-48
第五章 结论与展望  48-50
  5.1 结论  48-49
  5.2 展望  49-50
参考文献  50-53
攻读学位期间所取得的相关科研成果  53-54
致谢  54

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中图分类: > 工业技术 > 建筑科学 > 建筑施工 > 各项工程与工种 > 安装工程 > 房屋结构安装 > 金属构件的加工工艺
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