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1 前言
锥柱结合结构受到外压力作用时 ,其危险部位往往是锥柱壳结合处。焊接残余应力的影响不仅可能促使其产生焊接裂纹，还可能在与外加应力叠加后改变壳体的承载能力，促进应力腐蚀。所以，锥柱结合结构在工程焊接过程中产生的焊接变形及残余应力是关系到结构安全的重要指标。
由于受试验各方面的限制，残余应力所得数据的精确度并不高，而且浪费大量人力、物力。虽然这类问题也可通过解析方法求解特定的微分方程组进行定量计算，但仅限于十分简单的情况，而且需对问题做诸多简化假设。而实际的焊接件问题多种多样，用解析方法来求解这类微分方程是十分困难的。所以随着高速电子计算机的迅速发展，使得数值模拟焊接过程已成为可能。
为了保证锥柱结合结构焊接构件的可靠性，准确推断其焊接过程中的力学行为，就有必要针对锥柱结合结构的残余应力进行有限元分析。所以，本文以大型有限元软件ANSYS为基础，开发了相应的焊接程序，对锥柱结合结构焊接过程中结构的残余应力进行了数值模拟，并在此基础上，对锥柱结合结构在不同几何参数下的焊接残余应力进行了三维有限元分析。
2 焊接残余应力的有限元模拟方法
焊接程序采用ANSYS软件自带的APDL语言编程实现，其程序流程图如图1。
图1 焊接残余应力计算流程图
2.1 焊接温度场模拟
1)杀死(kill)焊缝处的全部单元。
2)焊接阶段模拟。施加最高焊接温度，以得到高斯热源。
3)冷却阶段模拟。变步长瞬态分析。
2.2 焊接温度场模拟
1)读取温度场的计算结果。指定分析的单元类型、计算时的参考温度,并指定温度场分析结果的文件。
2)焊接阶段应力场模拟。
3)冷却阶段应力场模拟。
3 锥柱结合结构残余应力有限元分析
由于对锥柱结合结构疲劳断裂影响较大的是纵向应力，所以本文主要研究的是锥柱结合结构的纵向焊接残余应力。
本文对某柱端直径为3900mm的锥柱结合结构焊缝的残余应力进行了有限元计算。由于焊接是一个温度随着时间和空间都急剧变化的过程,温度梯度很大,因此网格划分时在焊缝及附近要比较精细,远离焊缝的地方可以划得较粗。加热阶段计算时间步长较小。对于三维问题,过小的时间步长和过密的网格需要很大的计算机容量和长的计算时间。因此，本文计算时按照对称性取结构的1/4进行分析。ANSYS热模拟选用 SOLID70单元,残余应力模拟选用 SOLID45单元,焊道的网格划分如图2所示。焊接过程的边界条件包括温度场分析的边界条件和应力应变分析的边界条件，焊件的两端面限制相关的自由度。
图2 锥柱结合壳结构的有限元模型
通过有限元计算，锥柱结合结构残余应力有限元计算的结果如表1、图3～图6所示。从图5可知，内壳纵向残余应力在凸角附近呈双峰分布，焊趾的残余应力总大于焊缝中心的残余应力，且随着远离焊趾的距离增大，残余应力急剧下降，锥柱结合结构内壳的最大纵向残余应力数值解为＋ 177.5MPa。
4 不同几何参数对焊接残余应力的影响
4.1 不同直径圆柱段的残余应力比较
为了比较锥柱结合结构在不同直径圆柱段下的残余应力，本文取直径为3500mm、3600mm、3900mm、4500mm分别进行计算，残余应力计算结果如图3～图 6和表 1所示。
从图5可知，在其它参数不改变的情况下，随着锥柱结合结构直径的增加，内壳的最大纵向残余应力不断降低。
4.2 不同厚度锥柱壳体的残余应力比较
为了比较不同厚度壳体的焊接残余应力，本文取壳体厚度分别为为34mm、38mm、42mm进行分析，残余应力计算结果如图7和表5所示。
从图7及表2可知，在其它参数不改变的情况下，随着锥柱结合结构厚度的增加，内壳最大焊接纵向残余应力不断降低。
表1 不同直径圆柱段的残余应力（MPa）
图3 锥柱结合结构不同直径圆柱段的内壳最大纵向残余应力
图4 锥柱结合结构内、外表面的轴向应力分布
图5 锥柱结合结构内表面的轴向焊接残余应力分布
图6 锥柱结合结构外表面的轴向焊接残余应力分布
表2 不同厚度锥柱壳体的残余应力（MPa）
图7 不同厚度的锥柱结合结构内壳最大纵向残余应力
5 结论
通过以上分析，本文得到以下主要结果：
（1）锥柱结合结构内壳纵向残余应力在凸角附近呈双峰分布，焊趾的残余应力总大于焊缝中心的残余应力，且随着远离焊趾的距离增大，残余应力急剧下降。
（2） 在其它参数不改变的情况下，随着锥柱结合结构圆柱段直径的增加，内壳的最大纵向残余应力不断降低。
（3）在其它参数不改变的情况下，随着锥柱结合结构壳体厚度的增加，内壳最大焊接纵向残余应力不断降低。
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