基于3D扫描的工字型曲梁焊接变形分析.pdf

DOI：10.13905/ki.dwjz.2023.6.006基于3D扫描的工字型曲梁焊接变形分析ANALYSIS OF WELDING RESIDUAL DEFORMATION OF I-SHAPED CURVED BEAM BASED ON 3DSCANNING TECHNOLOGY刘旭，陈驹（浙江大学建筑工程学院，杭州 310000）LIU Xu,CHEN Ju（College of Engineering and Architecture,Zhejiang University,Hangzhou 310000,China）【摘要】文中将对焊接残余变形对工字型曲梁的影响进行研究，基于3D扫描技术对工字型钢曲梁焊接前后的实体模型进行点云数据的采集，然后利用Geomagic软件对点云数据进行封装成模，并基于分析焊接后的残余变形分布情况。然后将模型导入有限元软件ABAQUS，对焊接后的曲梁模型进行三点加载的数值模拟分析，模拟结果与试验较为吻合，随后分析了残余变形对曲梁承载力的影响。试验及有限元结果表明，3D扫描技术可以真实还原构件变形情况；焊接产生的残余变形对曲梁承载力有一定的影响。【关键词】3D扫描；焊接变形；工字型曲梁【中图分类号】TU323.3【文献标志码】A【文章编号】1001-6864（2023）6-0025-04Abstract：This paper studies the impact of welding residual deformation on the I-section curved beams.With 3Dscanning technology,the point cloud data of the solid model before and after welding of I-beam are collected andthen encapsulated into a data mold by the Geomagic software,based on which,the distribution of residual deformation after welding is analyzed.Then the model is imported into the finite element software ABAQUS,and the numerical simulation analysis of three-point loading is carried out on the welded curved beam mode.The simulation resultsare in good agreement with the experimental results,and the influence of residual deformation on the bearing capacity of curved beams is analyzed.The test and finite element results show that 3D scanning technology restores the deformation of components.The residual deformation produced by welding has a certain influence on the bearing capacity of curved beams.Key words：3D scanner;welding deformation;I-shaped curved beam0引言工字型钢曲梁由于独特的流线型结构和优良的受力性能，在桥梁工程以及一些具有特殊工艺需求的工业厂房中应用越来越广泛。与传统的直梁相比，虽然对于单个构件的制造曲梁更加复杂、成本更高，但是在整体构造上可以节省很多局部的结构单元，总的经济指标在很多情况下要比传统的直梁更好。但由于工字型钢曲梁本身具有一定的初始曲率，其力学性能相较于传统相同截面尺寸的直线梁更具有复杂性。焊接过程中所产生的残余应力和残余变形，在一定条件下将严重影响焊件的强度、刚度、受压时的稳定性等。对于焊接后残余变形的测量，大多数学者采用的测量方法都是手工进行测量，误差较大，很难精确对比焊接前后变形变化1-5。随着技术进步，一些学者会采用高科技仪器辅助对变形进行测量6，7。Dean Deng在利用有限元模拟以及试验研究T型节点板件厚度对角焊缝的焊接残余变形影响时，采用游标卡尺测量了两个翼缘端部上下表面的横向收缩量，同时使用 3D 照相测量翼缘焊接后的挠度变形。MatoPeric在焊接过程中采用红外线照相机来记录焊接过程中板件焊缝周围的温度变化，并利用3D数字成像相关系统测量了焊接过程中板件的变形偏移，通过两种设备的联合应用可得到对应某些点的位移和应变与温度的变化关系。而利用相关的数码设备，事先准备工作繁琐，并且设备功能局限性较大，只能测量得到相应的有限的位移变形，其他需要研究分析的变形则需要进一步利用游标卡尺等手工测量。文中将采用3D扫描技术，对焊接前后钢曲梁进行扫描，逆向建模将3D模型导入有限元软件后对各焊接残余变形进行测量，研究变形在曲梁中的分布情况。同时以具有残余变形的钢梁为初始模型利用有限元软件进行承载力分析与试验进行对比，讨论残余变形对曲梁承载力的影响。13D扫描试验25低温建筑技术-结构工程Jun.2023 No.3001.1试件设计与制作文中以两个环形工字型截面钢曲梁进行焊接残余应变的模拟测量。环形钢曲梁设计为曲率半径10m，梁长1m，工字型截面腹板厚度8mm，翼缘板厚度12mm，截面高度和翼缘板宽度分别为 300mm 和125mm，采用Q235钢。扫描前先将翼缘板与腹板进行点焊固定，随后由一端开始依次焊接。焊接采用手工电弧焊，焊接参数如表1所示。焊接前后曲梁如图1所示。1.2焊接前后试件扫描扫描前清理钢梁表面，文中采用SIMSCAN手持式三维扫描仪对焊接前后钢曲梁整体表面形貌进行扫描，扫描后可获得完整的曲梁模型见图2。按照扫描先后顺序将两根工字钢曲梁编号为GZ-1、GZ-2，利用扫描后模型测量出工字型截面各尺寸，测量得到截面尺寸如表2所示，基本符合设计尺寸。1.3残余变形测量将模型进行后处理，输出网格文件导入Geomagic软件对残余变形进行测量。通过软件将模型等分分割，并将分割后的截面曲线转化为点集合。选取相应截面位置处的点集合导出为点文件，如图3所示为曲梁GZ-1端部焊接前后的截面示意图，通过对比即可直观的观测到截面各位置变形情况，并根据点数据测量出对应的变形大小。文中每根梁选取了梁焊接起始、结束端以及跨中共3个截面测量焊接后的挠度变形，并给出了沿梁长范围内的焊缝角变形分布。测量结果如图4所示，可以看出翼板挠度由中间向两端有逐渐增大的趋势。表1焊接参数焊接材料Q235钢焊条E4303焊道形式单焊接电流/A140焊接电压/V90环境温度/25焊接速度/（mm s-1）2图1曲梁焊接试件（a）焊接前点焊（b）焊接后图23D扫描模型表2曲梁截面参数GZ-1GZ-2截面高度300.18300.11翼缘宽度124.41124.31上翼缘厚度11.7611.90下翼缘厚度11.6511.57腹板厚度7.767.82图4焊接变形测量图3GZ-1端部截面焊接前后点图焊前焊后（a）GZ-1翼板挠度0.20-0.2-0.4-0.6-0.8-1.0-1.2-1.4挠度/mm起始端截面跨中截面结束端截面-80-60-40-20020406080翼板宽度方向/mm0-0.5-1.0-1.5-2.0挠度/mm起始端截面跨中截面结束端截面-80-60-40-20020406080翼板宽度方向/mm（b）GZ-2翼板挠度（c）沿梁长方向角变形0.0300.0250.0200.0150.0100.005角位移/rad02004006008001000沿梁长方向/mmGZ-1GZ-2262工字型钢曲梁承载性能2.1试验概况试验将对两根焊接后的工字型钢曲梁进行承载力试验。试验采用千吨液压伺服加载机，工字钢曲梁两端简支，跨中施加竖向集中荷载，加载支座为铰支座，主要观测构件的荷载位移曲线。为防止加载过程中梁腹板出现局部屈曲，在梁跨中以及距离端部10cm处焊接厚度为8mm加劲板。由于曲梁初始曲率的存在，在加载过程中梁会发生侧向翻转，这里设计采用了特殊铰支座，由4根立柱约束曲梁侧面以防止在加载过程中发生侧翻，同时上下水平方向滚轴使截面可以在承压中转动，满足两端简支要求。梁安装完成后如图5所示，位移计布置在跨中及两端支座位置处。2.2有限元模型建立文中基于逆向工程的思想，对焊接加劲板后的钢曲梁进行扫描，将扫描得到的点云文件导入到逆向工程软件Geomagic和Rhino，封装处理为实体模型，从而可输入到有限元分析软件ABAQUS中进行分析，输入后的模型如图6所示。其初始性状与实际构件完全一致，以此来考虑残余变形为初始缺陷进行承载力的模拟计算。2.2.1钢材材性试验对于所试验的钢梁进行了材料的拉伸试验，以确定钢材的弹性模量E和屈服强度fy用于后续的有限元模拟工作。拉伸试件共6根，采用100t试验机，实测得到6根试件的截面宽度b、厚度t，通过计算得到材性参数如表3所示。通过计算可得所选钢材的屈服应力平均值为fy=287.08MPa，极限应力平均值fu=422.69MPa，弹性模量平均值E=2.06105MPa。2.2.2结果对比模拟中模型端部支撑条件设为简支，跨中位移加载，同样在端部设置侧向约束避免梁出现侧翻提前破坏。如图7所示的荷载-位移曲线分别为逆向建模所得到的有限元模拟结果和试验结果。通过对比可以看出，三维扫描所建立的模型可以有效还原原试件的性状，具有较高的精度。3残余变形对曲梁承载力影响以表2中所测得的尺寸，建立不考虑初始残余变形情况的曲梁模型进行承载力模拟，并文中通过逆向建模所建立的模型模拟结果进行对比，以此来分析残余变形对曲梁承载力的影响。模拟中模型端部支撑条件设为简支，跨中位移加载。由于曲梁初始曲率的存在，在加载过程中梁会发生侧向翻转，因此在端部图5试件加载安装图6有限元模型表3拉伸强度试验编号试件1试件2试件3试件4试件5试件6b/mm12.5912.6512.5912.5812.7412.63t/mm7.827.887.8011.6311.7211.62fy/MPa285.87287.12288.65278.49291.36290.98fu/MPa414.94418.48413.96428.94435.24424.55E/MPa199500200420203020211000210400208940（a）GZ-1荷载-位移曲线8007006005004003002001000荷载/kNGZ-1（试验）有限元02468101214位移/mm8007006005004003002001000荷载/kN0246810121416位移/mmGZ-2（试验）有限元图7试验及有限元模拟结果（b）GZ-2荷载-位移曲线27低温建筑技术-结构工程Jun.2023 No.300设置侧向约束避免梁出现侧翻提前破坏。如图8所示，各种情况下所得到的工字型钢曲梁荷载-位移曲线。通过对比可以看出，考虑残余变形情况下各曲梁前期刚度保持在5.30E+5N/mm，承载力方面GZ-2梁承载力变化不大，而相对于不考虑残余变形情况下GZ-1的承载力降低了3.8%。4结语（1）采用了3D扫描技术对焊接前后的工字型截面曲梁形貌进行完整扫描，通过逆向建模处理模型，测量焊接后的残余变形，对比传统方法和设备测量精确度不高、局限性大的缺点，文中的处理方法适应性更强，可以真实的反映出焊接后曲梁的各位置变形情况。（2）文中方法所得到的模型，可进一步处理导入有限元软件中对曲梁进行承载力分析，充分考虑构件的初始缺陷，通过数值模拟结果可以得到残余变形对曲梁的承载能力有一定程度的削弱影响。参考文献1 曾志斌，史志强，史永吉.大型钢结构厚板对接焊接变形试验研究 J.中国铁道科学，2009，30（3）：33-39.2 程孝福.大直径平焊法兰的焊接变形与控制 J.化工设备与管道，2010，47（4）：2.3 鄢东洋，史清宇，吴爱萍，等.铝合金薄板搅拌摩擦焊接残余变形的数值分析 J.金属学报，2009，45（2）：6.4 齐海波，李江飞，梁丙辰，等.焊接顺序对多焊缝干燥盘焊接残余变形的影响 J.焊接学报，2016，37（3）：4.5 赵利华，张开林.热沉对焊接残余变形的影响及参数优化分析J.焊接学报，2012，33（1）：4.6 DENG D,LIANG W,MURAKAWA H.Determination of weldingdeformation in fillet-welded joint by means of numerical simulation and comparison with experimental measurements J.Journal of materials proce-ssing technology,2007,183(2):219-25.7PERIC M,TONKOVIC Z,RODIC A,et al.Numerical analysisand experimental investigation of welding residual stresses anddistortions in a T-joint fillet weld J.Materials&design,2014,53:1052-63.收稿日期2023-2-9作者简介刘旭（1998），男，安徽阜阳人，硕士研究生，现从事钢结构焊接方面研究。8006004002000荷载/kN02468101214位移/mmGZ-1（3D扫描模型）GZ-1（无残余变形模型）GZ-2（3D扫描模型）GZ-2（无残余变形模型）图8有无残余变形下曲梁荷载-位移曲线作用下的抗震性能分析 J.混凝土，2022（3）：140-144.6刘雯.型钢混凝土 T 形柱基于 ABAQUS 抗扭力学性能分析J.安阳工学院学报，2022，21（2）：62-66.7 周天华，余吉鹏，张钰，等.单轴对称十字型钢混凝土中长柱偏压性能试验研究 J.工程力学，2021，38（4）：111-122.8 白力更，刘维亚，姜维山.反复荷载作用下型钢混凝土柱受剪承载力模型解析 J.建筑结构，2020，50（10）：59-66.9 WANG X,LIU Y,YANG F,et al.Effect of concrete cover on thebond-slip behavior between steel section and concrete in SRCstructuresJ.Construction and building materials,2019,229:116855.10 MOHAMMAD M,LEE,CHI KING,et al.A study on the bondstress-slip behavior between engineered cementitious compositesand structural steel sections J.Cepapers,2017,1：2247-2256.11 孙庆昭.ABAQUS混凝土塑性损伤模型概述 J.重庆建筑，2014，13（11）：70-72.12江丙云，孔祥宏，罗元元.ABAQUS工程实例详解 M.北京：人民邮电出版社，2014.13 肖飞.不同轴压比下再生混凝土高剪力墙试验研究 D.合肥：合肥工业大学，2012.14 SALEM R M.Strength and durability characteristics of recycledaggregate concrete 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