冲压成型过程对焊接空心球节点力学性能影响研究_刘红波.pdf

第 53 卷 第 3 期2023 年 2 月上建 筑 结 构Building StructureVol.53 No.3Feb.2023 DOI:10.19701/j.jzjg.20201798国家自然科学基金面上项目(51878443)。第一作者:第一作者:刘红波,博士,教授,博士生导师,主要从事钢结构与空间结构研究,Email:hbliu 。冲压成型过程对焊接空心球节点力学性能影响研究刘红波1,2,高昊天2,陈志华2,邱 灿1(1 河北工程大学土木工程学院,邯郸 056038;2 天津大学滨海土木工程结构与安全教育部重点实验室,天津 300072)摘要:焊接空心球节点在制作和焊接过程中,会引起壁厚减薄率和焊接残余应力等初始缺陷,从而导致节点的力学性能的明显变化。采用有限元数值模拟方法,研究了焊接空心球节点制作和焊接过程中,壁厚减薄率和焊接残余应力的形成机理,研究了其对焊接空心球节点极限承载力的影响规律,发现壁厚减薄率和焊接残余应力对节点力学性能有较为显著的影响,建议在今后设计时适当考虑。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;极限承载力 中图分类号:TU391 文献标志码:A文章编号:1002-848X(2023)03-0103-06引用本文 刘红波,高昊天,陈志华,等.冲压成型过程对焊接空心球节点力学性能影响研究J.建筑结构,2023,53(3):103-108.LIU Hongbo,GAO Haotian,CHEN Zhihua,et al.Study on the influence of stamping and forming process on mechanical properties of welded hollow spherical jointsJ.Building Structure,2023,53(3):103-108.Study on influence of stamping and forming process on mechanical properties of welded hollow spherical joints LIU Hongbo1,2,GAO Haotian2,CHEN Zhihua2,QIU Can1(1 School of Civil Engineering,Hebei University of Engineering,Handan 056038,China;2 Key Laboratory of Coastal Civil Engineering Structure and Safety,Ministry of Education,Tianjin University,Tianjin 300072,China)Abstract:In the manufacture and welding process of welded hollow spherical joints(WHSJs),initial imperfection such as wall thickness reduction and welded residual stress will be caused,which will lead to obvious changes in mechanical properties of joints.The formation mechanism and influence on the ultimate bearing capacity of wall thickness reduction and welded residual stress caused by manufacture and welding process of WHSJs was studied by using the finite element analysis method.The results show that the wall thickness reduction and welded residual stress have significant effects on the mechanical properties of WHSJs,which should be considered properly in the future design.Keywords:welded hollow spherical joint;stamping process;residual stress;wall thickness reduction;ultimate bearing capacity 0引言 焊接空心球节点具有重量轻、刚度高、结构简单、连接方便等优点,被广泛应用于以网架、网壳为代表的各类空间结构中。目前,针对焊接空心球节点承载力的研究已日臻完善1-4,但尚缺乏制造和安装过程中出现的初始缺陷及其对节点力学性能影响的相关研究。袁志军等5提出球管焊缝处的残余应力对焊接空心球节点刚度削弱较为明显;王飞等6分析了焊缝在不同时间段的焊接温度分布和应力分布;施刚等7对焊接圆钢管截面的残余应力进行了研究;李洋等8基于盲孔法对焊接空心球节点球面焊趾处焊接残余应力进行了试验测量,得出球面焊接残余应力分布图;郝潇逸等9提出了不同程度的球面咬边缺陷应力集中系数计算公式;张建丽等10采用试验和有限元的方法研究了焊接空心球连接节点中钢管焊趾处的应力集中特性,建立了焊接空心球节点钢管焊趾处的热点应力集中系数求解公式。焊接空心球节点制作流程如图 1 所示。相比于型材、板材等钢构件,焊接空心球节点制作加工过程较复杂,高温、冲压、焊接等多道工序会对加工构件造成壁厚减薄、残余应力等一系列不利影响。目前针对焊接空心球节点初始缺陷的研究主要集中于球-管焊缝处残余应力、球面咬边缺陷等问题,而对于由焊接建 筑 结 构2023 年空心球节点的加工制造过程决定的,同时也是此类节点最容易出现的壁厚减薄、半球之间或半球与肋板间残余应力等初始缺陷,目前文献中鲜有提及。图 1 焊接空心球节点制作过程本文通过对焊接空心球节点冲压成型和焊接过程进行数值模拟,研究总结了焊接空心球节点壁厚减薄率、焊接残余应力分布规律,进而研究其对焊接空心球节点拉、压极限承载力的影响。1壁厚减薄率影响研究1.1 冲压成型模拟 采用有限元分析软件 ABAQUS 对焊接空心球节点冲压成型过程进行数值模拟,如图 2 所示,考虑几何非线性,选用 von Mises 屈服准则。网格采用C3D8R 八节点六面体单元,分析过程中,将网格畸变发生前一个增量步的结果文件提取出来,采用网格重划分技术,重构成相对整齐规律的网格,再将之前得到的结果文件的应力场导入网格重划分后的模型,继续分析,如此多次操作得到较为合理的分析结果。网格重构方法详见图 3。钢板在高温加热后进行冲压成型,因此进行与温度相关的有限元分析时,钢材在不同温度下的弹性模量和屈服强度按照建筑钢结构防火技术规范(GB 512492017)的规定采用。其他物理参数不随温度改变,列于表 1 中。表 1 钢材热物理参数参数数值热膨胀系数/(m/(m)1.410-5热传导系数/(W/(m)45比热容/(J/(kg)600密度/(kg/m3)7 850界面对流系数/(W/(m2)25图 2 模型建立与网格划分图 3 网格重划分操作方法 冲压锤设为匀速运动,速度 6mm/s,钢板厚25mm,拟冲压成球直径为 300mm,冲压时长 60s。1.2 冲压成型模拟结果 不同冲压阶段的应变云图和变形云图如图 4 所示,冲压成型过程中,应变最大位置首先出现在半球顶点附近,之后最大应变出现在半球边缘与承台接触部分,其次是底部半球顶点周围,向着半球中间部位递减。1.3 参数化分析 为便于理解,根据成型半球的中心对称性,在平面坐标系下描述各测厚点位,如图 5(a)所示。以球中心为 X 轴零点,测量模型在不同时刻时,X=0、A、B、C、D、E 处共 6 个点位处的壁厚减薄率。壁厚401第 53 卷 第 3 期刘红波,等.冲压成型过程对焊接空心球节点力学性能影响研究图 4 不同冲压阶段应变云图和变形云图减薄率=(设计厚度-实际厚度)/设计厚度100%。考虑不同的焊接球直径、壁厚、冲压速度,共建立如表 2 所示的 13 种焊接空心球节点模型。13 种模型的壁厚减薄率-测厚点位分布曲线如图 5 所示。表 2 冲压过程模拟模型参数节点编号变量控制直径/mm厚度/mm冲压速度/(mm/s)0对照组600255D1D2D3D4焊接球直径500255550255650255700255T1T2T3T4焊接球厚度600205600225600285600305V1V2V3V4冲压速度60025360025860025106002512 整体来说,各模型曲线形状基本相同,即壁厚减薄率随半球几何位置分布规律大致相同;加工过程相关物理参数变化会引起壁厚减薄率具体数值改变,随直径增大、壁厚增大、冲压速度增加,壁厚减薄率相应增加;但对于单一点位而言壁厚减薄率大致都分布在固定区间内,变化范围较小。1.4 壁厚减薄率对焊接空心球节点力学性能影响研究 本节探讨焊接空心球节点壁厚减薄率对节点力学性能的影响。为排除其他因素干扰,设计 5 种尺寸的节点并分别建立实体单元模型,计算壁厚减薄率对各节点抗拉、抗压极限承载力的影响。对每种尺寸的节点,建立最大壁厚减薄率(半球顶点处壁厚减薄率)为 012%的模型,以直径 600mm、厚度 25mm 的焊接球为例,计算各模型的抗拉、抗压极限承载力,与不考虑壁厚减薄率节点的拉、压承载力对比,统计于表 3(例如 6025-10%表示壁厚减薄率最大处为 10%)。采用 ABAQUS 进行节点承载力分析,其中,抗拉承载力取最大应变到达 0.15 时对应的荷载值,抗压承载力取荷载-位移曲线峰值。表 3 壁厚减薄率对拉、压承载力影响模型编号ft/kNfc/kNft/ftfc/fc6025-6%5 7684 0650.9350.9516025-8%5 7194 0010.9270.9366025-10%5 6753 9400.9200.9226025-12%5 5703 8800.9030.910 注:ft为不考虑壁厚减薄率的抗拉极限承载力,ft=6 168 kN;ft为考虑壁厚减薄率的抗拉极限承载力;fc为不考虑壁厚减薄率的抗压极限承载力,fc=4 274 kN;fc为考虑壁厚减薄率的抗压极限承载力。如图 6 所示,5 种尺寸节点拉、压极限承载力-壁厚减薄率曲线形态大致相同,即不同规格节点极限承载力受壁厚减薄率影响规律相近。随着壁厚减薄率增加,拉、压极限承载力随之线性下降;壁厚减薄率为 10%左右时,拉、压极限承载力折减系数约为 0.92。在空间网格结构技术规程(JGJ 72010)中规定焊接空心球节点极限承载力与节点壁厚呈正比,即壁厚降低 10%,极限承载力折减系数为 0.9。对比可见,壁厚减薄率会对节点极限承载力造成较大影响,实际工程中应当考虑这部分折减系数,近似以节点最薄处壁厚代入公式计算承载力,以免高估其承载力,造成安全隐患。2焊接残余应力分析 焊接空心球节点制作安装时,两个半球冲压成型后,需要经过冷却,再在半球边缘开坡口,电焊定位后用一道沿直径的焊缝连接在一起,有时还需要设置加劲肋。拼接成完整球体后,再根据实际工程501建 筑 结 构2023 年 图 5 焊接空心球节点壁厚减薄率参数化分析图 6 极限承载力-壁厚减薄率曲线中连接杆件的需要,将杆件通过焊接连接在球节点上。本节遵照这一施工过程进行有限元模拟,分析焊接空心球节点在制作与安装过程中的残余应力对结构轴拉、轴压力学性能的影响。焊接时采用手工电弧焊焊接形式,通常选用体热源模型中的移动高斯热源模型,该模型可以反映焊接过程中热源高度集中、瞬间加热和移动的特点,是一种较为理想的热源模型。采用热-力间接耦合法进行分析,选用有限元软件 ABAQ