大型或复杂钢结构焊接残余应力与变形研究进展

总结了焊接残余应力的测量方法及应用情况，给出了大型或复杂结构今后的研究方向。结果表明：大型或复杂结构焊接残余应力在数值模拟方法、构件或整体结构性能、测量技术等方面都取得了一定的进展，随着大型复杂钢结构日益增多，研究焊接残余应力和变形问题将对工程结构的设计、施工及结构安全有十分重要的意义。

关键词：复杂钢结构；焊接；残余应力；残余变形；数值模拟；测量技术

中图分类号：TU392 文献标志码：A

0 引 言

焊接作为建筑结构的主要连接方法之一，得到了广泛应用，与其他的连接方法相比，焊接具有节约材料、工序简单、制作周期短及可制作复杂结构等优点。焊接是集电弧物理、传热、冶金和力学为一体的复杂过程，具有高温、动态、瞬时等特征，是非平衡加热冷却导致的高动态应力应变过程，因此不可避免地会产生不可忽略的残余变形，对于复杂结构会产生残余应力。

焊接残余变形和残余应力的起因和分类最早可以追溯到1946年Osgood[1]的著作。1948年，国际焊接学会（IIW）成立，1963年中国开始参与国际焊接学会的活动，1996年国际焊接学会成立了专门从事焊接结构残余应力和变形预测的工作小组，并举行了多次有关焊接残余应力和变形预测的学术会议。此后，许多学者对焊接残余应力和残余变形进行研究，以探索产生焊接残余应力和残余变形的机理和实质，为调整和控制焊接残余应力与变形提供有效的方法与措施。

对于大型或复杂的建筑结构，减少和控制焊接残余变形和残余应力的要求越来越高，因此尽快掌握焊接残余变形和应力的分布规律，将其作用和影响量化，对焊接结构的完整性设计、施工工艺的选择及安全评定具有重要的理论和工程意义。

1 热弹塑性有限元法及关键处理技术

焊接数值模拟技术模拟结构的整体力学行为时，可综合考虑焊接过程的几何非线性、材料非线性等，并可简化为研究移动热源作用下的瞬态温度场、热应力场。焊接温度场分析是进行焊接力学分析的基础，温度对材料的力学性能有显著影响，很多材料参数是温度的非线性函数。焊接残余应力分析是一个非常复杂的过程，现已发展成为一门学科——计算焊接力学[2]。

数值模拟技术主要有有限差分法、固有应变理论法和热弹塑性有限元法等。有限差分法始于20世纪70年代，加拿大的Paley编制了可分析矩形截面及常用的单层、双层U型和V型坡口的焊接传热差分法计算机程序，考虑了材料热物理性能与温度的关系，将熔化区内的单元作为加热的热源来处理。固有应变理论法[34]忽略了热力耦合关系的影响，认为焊接产生的应变是弹性应变和固有应变，将塑性应变和相变称为固有应变，不考虑热力关系形成机理，只考虑最终的应变分布规律和影响，是一种静态分析方法。热弹塑性有限单元法（简称有限元法）是随着计算机的发展而逐步发展起来的，已经成为最重要和适应性最强的方法。

1.1 基本流程

有限元法是建立在完全的热分析和弹塑性分析的理论基础上，从热结构耦合的数学角度模拟残余应力和变形，解决了非线性求解的问题，跟踪整个焊接过程，引入时间变量，在时间积分上进行求解，具有很强的实用性和较高的准确性，图1给出了有限元法的基本流程。

20世纪70年代初，文献[5]，[6]首先以有限元法为基础，提出了考虑材料机械性能与温度有关的焊接热弹塑性分析理论，从而使复杂的动态焊接应力应变过程的分析成为可能。文献[7]用有限元法建立了二维焊接温度场的计算模型并考虑了相变潜热的问题。由于焊接残余应力数值模拟存在计算量大、自由度数目庞大、高度非线性导致收敛困难及三维模型导致计算时间冗长等困难，直到20世纪八九十年代才开始简单的三维模拟[811]，可见焊接模拟发展之难。

大型复杂焊接结构的数值模拟面临的挑战主要有：①材料高温性能参数低，导致非线性方程组奇异，解的收敛性和稳定性差；②自由度数目庞大，占用计算机资源多，影响求解效率；③材料的高度非线性导致求解的收敛困难。由于工程应用和科学研究的需要，许多学者对其进行了研究和探索。

1.2 材料高温性能

材料高温区间性能参数匮乏，数值模拟中常采用外推法确定[12]，对材料性能参数进行合理建模，一定程度上改善了收敛性和求解效率。文献[13]在从资料获得高温段数据基础上，建立了4种材料的高温屈服假设，分别对不同温度区间的性能进行了适当的修正，以考量其对计算效率和精度的影响。文献[14]通过总结他人研究成果得出，温度超过600 ℃后材料的应变对最终残余应力不会造成太大影响，且材料的弹性模量在温度超过600 ℃时降得很低，故将超过600 ℃部分的温度均设定为600 ℃，以提高计算效率。

1.3 网格自适应技术

焊缝及其附近区域需要用很细的网格来描述才能达到必要的精度，但在移动热源未达到的地方，或者温度、应力应变梯度已变得较缓和的部位，不需要很密的网格。目前发展出网格自适应技术，1987年由McDill等[15]提出，并应用在焊接领域。该方法允许将焊缝及其附近的网格划得较粗，随着焊接热源的移动，自动将熔池附近网格细分到必要的数目，在热源过去后，当温度、应力应变梯度减缓时，再用较粗的网格替代已细分的网格，从而始终保持网格划分的合理分布，提高计算效率。文献[16]使网格自适应技术应用于厚板试件焊接过程模拟，设定在热源附近45 mm×25 mm×10 mm区域内为一个盒子，该盒子随着焊接热源移动而移动，设定进入盒内的单元自动在x，y，z方向上分别细分为22份，其他部分的单元保持不变，当已经细分的单元从盒子内移出时再复原。这种方法大幅度减少了单元数量，缩短了计算时间，为复杂结构焊接过程有限元计算创造了条件。文献[17]利用动态可逆网格自动细分技术，实现减少单元和节点数目进而节约计算时间。