摘要
U肋加劲钢桥面板节段因焊接时的局部受热与焊后冷却的不同时性，在结构内会存在一定的焊接残余应力和变形而影响焊接质量安全。以往通过单一焊接试验获取U肋加劲钢桥面板节段焊接质量结果进行分析，成本较高且耗时较大，而有限元分析的应用能快速有效获得各项焊接结果且相对经济性好。本文以某跨长江大桥为工程背景，进行U肋加劲钢桥面板节段制造焊接过程的数值模拟，并对焊件在制造过程的温度场、焊后残余应力分布和变形状况等进行详细分析，为实际焊接制造提供参考。本文研究内容如下： (1)介绍国内外U肋加劲钢桥面板的应用现状和实际焊接制造流程，归纳了国内外相关焊接数值模拟研究现状。概括了有限元分析的特点，系统性介绍焊接数值模拟过程有限元分析相关基础理论。详细地说明SYSWELD软件从前处理设置经计算分析再到后处理结果查看的焊接数值模拟分析全过程。 (2)通过实际焊接熔池形貌与有限元计算所得焊接熔池形貌对比，验证了经反复调试后的双椭球热源形状参数的合理性，证明本文焊接数值模拟的有效性。根据模型整体焊接过程温度云图分布以及焊缝热影响区选取点温度热循环曲线变化趋势，验证了焊接过程多道焊处理的合理性。 (3)以焊接顺序为出发点，设计12种钢桥面板U肋焊接方案，最佳方案下的焊接变形约为1.93mm，变形量较最大的方案减小20%。在最佳焊接方案的基础上，对焊接过程不同焊缝层间冷却时间进行分析，结果表明焊缝层间冷却时间过短，使焊件整体温度分布不均匀，残余应力和变形均相对较大，120s的焊缝层间冷却时间焊件整体温度分布均匀，有利于减小焊接残余应力和变形。 (4)U肋加劲钢桥面板节段焊后冷却至室温，焊缝处组织类型以贝氏体居多，马氏体其次。较大的等效残余应力主要集中于焊缝处，其中在焊缝起始两端出现较大的压应力，而在焊缝中部大多为拉应力，应力峰值与材料马氏体化屈服强度接近。在焊接过程中，结构以钢桥面板厚度方向上出现较大的横向下凹弯曲变形为主，与实际焊接情况相符。
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