冲压成型过程对焊接空心球节点力学性能影响研究

冲压成型过程对焊接空心球节点力学性能影响研究

韩国宝,马宝瑞 ,雒大伟,季进,谢林军 ,杨津

天津市大港油田公司第三采油厂

摘要：在焊接网格结构中，最常用的节点类型是焊接空心球。1965年刘锡梁研制成功焊接航空航天节点后，焊接的航空航天节点成为中国网架结构中最重要的节点形式。它是一个空心球，由两个热压形成的半球端对端焊缝焊接，然后通过端对端焊缝或角焊缝连接到空心球。打开钢管上正确的槽，通过电焊连接空球形节点。由于熔接过程的不确定性，熔接结构的复杂性和随机性特别重要。在熔接过程中，局部加热与冷却不规则，熔接以及熔接附近的温度场之间的耦合会造成熔接元素中的滑动应力场分布不均。焊接残馀应力的存在还可能对焊接结构和接头的断裂强度、应力腐蚀裂纹和高温流动裂纹产生不同的影响，特别是对钢结构的疲劳强度产生不同的影响。

关键词：焊接空心球节点;冲压过程;焊接残余应力;壁厚减薄率

引言

焊接残馀应力研究始于1930年代。目前中外学者主要研究钢板、等边框架、h型钢、焊管、热轧型材等元素焊接残馀应力的分布方式。平面元素熔接剩馀应力分布模型是否适用于熔接的球形节点并不确定。因此，需要对焊接航空航天节点进行试点研究，其中李阳等人研究了三个较小焊接航空航天节点球形脚趾焊接残馀应力的大小和趋势。已证明整个节点是自平衡的，但未对较大的节点进行深入探索，而且由于测量的点布局不足，未能揭示如何将剩馀焊接应力分配给焊接球面节点，因此需要进一步试验。大多数焊接气球研究都是使用有限元软件进行的，用于数字模拟分析。

1壁厚减薄率影响研究

1.1冲压成型模拟

使用ABAQUS有限元分析软件对焊接心脏节点的冲压成型过程进行数字仿真，例如，考虑到几何非线性并使用多次提交标准。网格采用八节点C3D8R六边形单位，在分析过程中，提取了网格扭曲前的上一增量步骤的结果文件，采用网格分割技术重建相对平滑的网格，将先前输出文件中的约束字段导入到中钢板是高温加热后冲压的，因此根据建筑钢结构防火技术规程(gb 51249—2017)使用不同温度下的钢筋弹性模量和极限强度进行与温度相关的有限元分析。其他物理参数不会随温度变化。

1.2壁厚减薄率对焊接空心球节点力学性能影响研究　

本节讨论空焊球节点的壁厚收缩率对节点机械特性的影响。若要消除与其他系数的干涉，请设计五个大小的节点并建立实体单位模型，以计算壁厚降低率对每个节点抗拉强度和极限压力能力的影响。对于每个尺寸的节点，创建的模型的最大壁厚缩减率(半球顶部的壁厚缩减率)为0-12%。对于直径为600mm、厚度为25mm的熔接球，每个模型的抗拉强度和抗拉强度均相对于节点的抗拉强度和抗拉强度进行计算，而不考虑壁厚缩减率(例如，6025-10%表示缩减率)。

2基于VisualEnvironment的数值模拟

2.1有限元模型的建立

由于熔接过程中熔接附近的输入热非常重要，因此，由于软体模拟时间、熔接和影响区域网面，建立了相同的有限元模型网格使用visualenvironment软件的Visual-Mesh，方法是先分割二维截面的网格，然后使用3d drew love函数旋转对象，并使用Check函数检查单位质量，以便在模型完成后进行局部调整。根据球墨管对接焊缝尺寸，采用9通道4层焊缝[22 ~ 23]，每根焊道的熔池长度为10mm，熔池宽度为3.6 ~ 7.2mm，熔池深度为2 ~ 3.5mm。分割网格后，在Visual-weld模块中定义实际的焊接方法、基本材料属性、焊缝、焊缝线、焊缝参照线、焊缝起点、焊缝端点、热边界和边界条件。

2.2边界约束条件

若要研究熔接空心圆球节点因温度和冷却而产生的剩馀熔接应力，请在模拟开始时设定边界约束，以避免元件的刚性移动。在此模型中，焊缝单位尺寸控制在2mm以下，焊缝距离控制在9mm以内，并且在焊缝和非焊缝区域之间设置过渡网格。将两侧的「类型」约束设定为「刚性」、「ondeformedgeometry」设定为「是」，并约束x、y和z方向上的移动和旋转。

3残余应力对焊接空心球节点力学性能影响参数化研究

考虑不同的焊球直径、壁厚、钢管直径、添加加强筋的情况和焊接电弧热功率，在考虑残馀应力后绘制极限承载力降低系数的直方图，当焊球直径随着焊接空心球壁厚的增加，由残馀应力产生的抗拉强度降低系数几乎不受影响，压缩强度降低系数减小；随着管径的增大，由破坏应力引起的抗拉强度和抗压力系数减小，但效果不明显；随着焊接热源的热功率增大，残馀应力引起的抗拉强度和抗压缩强度降低系数减小；对于空的肋熔接节点，由熔接馀应力引起的抗拉强度和压缩负载系数较高，这意味着抗拉强度较低，这意味着增强的肋可以减轻指定月份内残馀应力的负面影响总的来说，残馀应力对焊接航空航天节点抗压力能力的影响较大，相对抗拉强度的影响较小，这与残馀焊接应力对钢构件的影响基本相同。

4模拟结果

4.1焊接温度场分析

根据焊接过程中不同时间元素温度场的变化云，熔池形状、最高温度和最低温度位置从温度场云清晰可见。四个时间点分别是第一个焊接的起点、第二个焊接的第三个焊接的终点、第三个焊接的第六个焊接的终点以及第四个焊接的第九个焊接的终点。由于每个焊缝都是在上一个焊缝冷却后开始的，因此温度场的叠加效果较低，从而提高了计算剩馀应力的精度。随着时间的推移，焊接热源不断移动，焊接热源接近时区域温度迅速上升，焊接热源离开时区域温度迅速下降，最终稳定下来。在整个焊接过程中，焊接的各个部分都必须经历加热、冷却、冷却和环境温度，因此温度应力场相当复杂。

4.2焊接应力场分析

由于材料的可塑性和非线性，熔接时熔接温度的快速上升和随后急剧下降更为复杂。焊接过程中，焊接点周边温度一般大于1500℃，钢产生塑性变形，焊接后，产生塑性变形的零件的冷却收缩不均匀受到约束，内部应力为焊接残馀应力。Visual-Weld模块用于计算和分析焊接应力字段，以研究钢管对接焊缝处剩馀应力的分布。使用可视查看器模块查看残馀应力分布云。特别是，钢管使用圆柱坐标系，空心球使用球形坐标系。

结束语

随着焊接球直径和壁厚的增大，焊接热源热功率的增大，焊接球耐压能力的减小系数减小；对于空的肋熔接节点，由熔接馀应力引起的抗拉强度和压缩负载系数较高，这意味着抗拉强度较低，这意味着增强的肋可以减轻指定月份内残馀应力的负面影响。

参考文献

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