鋼箱梁是我國當今橋梁建設中的主要梁結構，在建與已建橋梁中有很大部分橋梁的上部結構采用鋼箱梁。而鋼箱梁一般是由工廠預制加工的，加工過程中必然會有鋼板間的接縫需要進行焊接，使兩塊獨立的鋼板焊接成一個整體。在鋼箱梁的鋼板焊縫焊接過程中，移動的焊頭會在瞬間產生高度集中的熱量輸入，熱量的快速集中輸入會導致鋼板溫度的驟升與驟降。鋼屬于一種溫度敏感型的材料，受熱升溫時其體積會膨脹，降溫時體積會收縮，體積的變化會導致結構內部應力分布的變化，鋼箱梁結構的安全性也可能受到影響。所以若想了解鋼箱梁焊接時的應力分布變化，保證鋼箱梁結構的安全性與穩定性，有必要對焊接溫度場的定量分析、預測、模擬。傳統的焊接溫度場和應力預測依賴于試驗和統計基礎上的經驗曲線或經驗公式，但是在航天、機械、土木等行業，焊接試驗的成本巨大，當試驗的工況較多或者試驗失敗時，會導致經濟上的巨大損失。故本章運用大型商業有限元軟件ANSYS經典界面進行數值模擬，在研究過程中利用了ANSYS內置的腳本語言APDL進行建模，分析鋼板焊接過程的溫度場。

1 鋼板幾何模型建立

    為了簡化鋼箱梁的形狀，節約數值模擬與實驗的成本，本章將鋼箱梁結構簡化為一個長為0.2m、寬為0.15m、厚度為0.03m的塊狀幾何模型，ANSYS中的幾何模型效果如下圖所示。

在上圖的模型中，筆者標明了坐標系系統，在本章此后的位置信息的描述中，均采用此坐標系系統。

2 移動焊接熱源的施加

       在鋼板焊接過程中，焊點熱源作用在鋼板上有一定面積，在該面積上的熱量分布不是均勻的，中心點附近的熱量較高，周圍的熱量較低。對于該種焊接熱源的不均勻分布，現今很多學者將該熱源的分布形式簡化為高斯積分函數，本章參考前人的研究，采用高斯熱源分布函數。

熱源函數的三維函數圖像如下圖所示（假設q_m=1 J·s /m²，R=1m）。

移動焊接熱源在鋼板模型的上表面的中線位置施加，起始點的位置坐標為（0，0，0.03m）,并沿著y方向勻速移動至最終點（0，0.2m，0.03m）具體的施加位置、移動方向與移動軌跡如上圖所示。如圖所示，焊接中心點（0，0）位置處的熱流密度最大，周圍的熱流密度隨著與中心點的距離增大而減小。

據以上內容可知，在ANSYS中施加焊接移動熱源需要明確的熱源參數包括焊接電壓U、焊接電流I、焊接熱效率與電弧有效加熱半徑R。具體參數如表1所示。

表1 各溫度下材料熱屬性參數

焊接電流A	電弧電壓V	熱效率	焊接速度m/s	電弧有效加熱半徑m
500	30	0.7	0.01	0.007

       此外，在其他不試件移動熱源的鋼板表面，假設其與20℃的空氣接觸，此外，鋼板的初試溫度也設為20℃。

3 鋼板材料的熱屬性參數設定

       鋼的熱材料屬性對溫度較為敏感，在不同的溫度下會呈現出不同的性質，在焊接過程中，鋼板的溫度變化較大，所以本文基于前人的研究成果及相關的規范確定了鋼材在不同溫度下的熱材料屬性^[1]。因參考資料的有限，本章中材料屬性的最大溫度設置到4000℃，當材料的溫度大于4000℃時，ANSYS會自動根據4000℃以下的材料屬性進行插值外推。

4 有限元網格的劃分

    本章中，單元類型設定為solid 70號單元。為了獲得更加精確的結果，筆者將移動熱源路徑附近區域的網格進行細化，其網格尺寸為0.025m，將距離熱源軌跡較遠的位置的網格尺寸設置為0.05m，不同區域的網格均勻過度，具體劃分效果如下圖所示。

    本章設定的焊接移動熱源的移動速度為0.01m/s,鋼板的長度為0.2m,所以熱源在鋼板上移動的時間為20s,筆者將求解時間設定為20s，求解的子步共設為50步，所以每一個子步的時長為0.4s。

5 單一速度下結果分析

    分別提取0.4s、10s、20s時溫度場分布云圖如下圖所示。

如圖所示，熱源荷載在隨著時間的增加從軌跡的一端移動至軌跡的另一端。提取加載過程中，各子步模型的計算結果中的溫度最大值，其變化曲線如下圖所示。

    如上圖所示，當熱源剛加載在鋼板上時，鋼板模型的最大溫度較低，為3922.67℃，到隨著熱源的移動，鋼板的溫度快速升高，在很短的時間內會達到一個穩定的范圍，并在之后鋼板模型的溫度保持在較為恒定的范圍，隨著熱源的移動會在6000℃左右有較小的波動。

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