Q235厚板焊接殘余應(yīng)力數(shù)值模擬畢業(yè)設(shè)計(jì)

1、 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 題目 q235 厚板焊接殘余應(yīng)力數(shù)值模擬 學(xué)生姓名 劉武超 學(xué)號(hào) 2008106107 專業(yè) 材料成型及控制工程 班級(jí) 20081061 指導(dǎo)教師 評(píng)閱教師 完成日期2012年5月15 日 學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明 本人鄭重聲明：所呈交的論文是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下獨(dú)立進(jìn)行研究所取得的研究成果。 除了文中特別加以標(biāo)注引用的內(nèi)容外，本論文不包含任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或 撰寫的成果作品。本人完全意識(shí)到本聲明的法律后果由本人承擔(dān)。 作者簽名 年 月 日 學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書 本學(xué)位論文作者完全了解學(xué)校有關(guān)保障、使用學(xué)位論文的規(guī)定，同意學(xué)校保留并

2、 向有關(guān)學(xué)位論文管理部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。 本人授權(quán)省級(jí)優(yōu)秀學(xué)士學(xué)位論文評(píng)選機(jī)構(gòu)將本學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù) 據(jù)庫(kù)進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文。 本學(xué)位論文屬于 1、保密 ，在_年解密后適用本授權(quán)書。 2、不保密 。 （請(qǐng)?jiān)谝陨舷鄳?yīng)方框內(nèi)打“”） 作者簽名： 年 月 日 導(dǎo)師簽名： 年 月 日 目錄 摘要 .1 前言 .2 1 緒論.3 1.1 課題來源和意義.3 1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀.4 1.3 研究的主要內(nèi)容.5 2 模擬分析過程.7 2.1 有限元分析軟件 ansys 簡(jiǎn)介.7 2.2 有限元模型的建立.

3、7 2.3 加載計(jì)算.11 3 模擬結(jié)果及分析.15 3.1 溫度場(chǎng)模擬.15 3.2 應(yīng)力場(chǎng)的模擬.17 4 全文總結(jié)與展望.22 4.1 全文總結(jié).22 4.2 未來的展望.22 致謝 .24 參考文獻(xiàn).25 附錄.27 q235 厚板焊接殘余應(yīng)力數(shù)值模擬厚板焊接殘余應(yīng)力數(shù)值模擬 學(xué)生：劉武超 指導(dǎo)教師：余海洲 （三峽大學(xué) 機(jī)械與材料學(xué)院） 摘要：本文首先綜述了目前國(guó)內(nèi)外對(duì)焊接殘余應(yīng)力研究進(jìn)展，在此基礎(chǔ)上提出了本文 的研究目的和意義。運(yùn)用有限元軟件 ansys 的 apdl 語言編寫模擬焊接瞬態(tài)過程程 序進(jìn)行熱-結(jié)構(gòu)耦合分析，對(duì) q235 鋼、鋼兩種材料之間的對(duì)接接頭的溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng) 進(jìn)行

4、數(shù)值模擬分析，得到溫度和殘余應(yīng)力在接頭的連續(xù)分布規(guī)律：在接近焊縫較窄的 一個(gè)區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生拉應(yīng)力，在其相鄰區(qū)域產(chǎn)生壓應(yīng)力。 關(guān)鍵詞：有限元 數(shù)值模擬 殘余應(yīng)力 溫度場(chǎng) abstract:in this article, the development and present research situation of the welding residual stress have been critically overviewed ,base on this ,we bring up the purpose and sense of this article.carry on the hot-

5、structure coupling analysis using the ansys apdl language simulation welding transient state process procedure,which to simulate analysis on the temperature and stress field of the lap joints of q235 steel, steel between the two materials. then get the distribution of the temperature field and resid

6、ual stress: there is a tension stress near the weld bead ,there is a compress stress in other areas. keyword: finite element; numerical simulation; residual stress; temperature field. 前言 焊接是一個(gè)涉及傳熱學(xué)、電磁學(xué)、材料冶金學(xué)、固體和流體力學(xué)等多學(xué)科交叉的 復(fù)雜過程。由焊接產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)應(yīng)力應(yīng)變過程及其隨后形成的殘余應(yīng)力，是導(dǎo)致焊接裂 紋和接頭強(qiáng)度與性能下降的重要因素。迄今為止，焊接殘余應(yīng)力一直是人們關(guān)注的熱 點(diǎn)

7、問題，仍是焊接生產(chǎn)領(lǐng)域中迫切需要解決的問題。近年來，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了 大量的研究，取得了豐碩的成果。 中厚鋼板是焊接結(jié)構(gòu)生產(chǎn)中不可缺少的重要材料，被廣泛應(yīng)用于國(guó)防、交通運(yùn)輸、 能源、和建筑等重要國(guó)民經(jīng)濟(jì)部門。鋼結(jié)構(gòu)體系具有自重輕、抗震性能優(yōu)、施工周期 短、安裝速度快、投資回報(bào)快、綠色無污染等優(yōu)點(diǎn)，從一定程度上反映了國(guó)家的綜合 經(jīng)濟(jì)實(shí)力和建筑技術(shù)的發(fā)展水平，得到了世界各國(guó)的廣泛的應(yīng)用和大力推廣，鋼結(jié)構(gòu) 體系的應(yīng)用在歐美已經(jīng)有幾十年的發(fā)展歷史，其施工快、回收利用便利等諸多優(yōu)點(diǎn)是 其他結(jié)構(gòu)形成所無可比擬的，并逐漸成為順應(yīng)時(shí)代發(fā)展趨勢(shì)的高效結(jié)構(gòu)體系。 本文通過用有限元方法模擬研究平板對(duì)接焊接焊縫溫

8、度場(chǎng)分布、殘余應(yīng)力分布、 溫度場(chǎng)與殘余應(yīng)力的關(guān)系，不僅可以從中得到焊接殘余應(yīng)力的影響因素，了解焊接殘 余應(yīng)力在連續(xù)分布規(guī)律，全面掌握結(jié)構(gòu)的特性，而且可以通過優(yōu)化焊接方法、順序和 工藝，控制（減小）焊接應(yīng)力和變形，另外還可以節(jié)約大量的實(shí)驗(yàn)費(fèi)用，有效地縮短 研制和開發(fā)周期，因此是一種高效低成本的優(yōu)化工藝的方法和預(yù)測(cè)與控制技術(shù)。 本文是本人的畢業(yè)設(shè)計(jì)論文，經(jīng)過作者閱讀了大量的文獻(xiàn)后獨(dú)立完成的，其中部 分觀點(diǎn)是引用三峽大學(xué)游敏教授等人的，由于本人的水平實(shí)在有限，還存在許多不足 之處，希望各位批評(píng)指正。 1緒論 1.1 課題來源和意義 近年來，隨著我國(guó)鋼產(chǎn)量的逐漸攀升，為適應(yīng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要，國(guó)家對(duì)于鋼結(jié)

9、構(gòu) 的應(yīng)用也從限制使用改為鼓勵(lì)采用，為鋼結(jié)構(gòu)的廣泛應(yīng)用與推廣營(yíng)造了良好的氛圍， 特別是今年來我國(guó)可持續(xù)發(fā)展觀的提出，鋼結(jié)構(gòu)體系在我國(guó)的建筑產(chǎn)業(yè)中呈現(xiàn)出廣闊 的應(yīng)用前景。鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與施工技術(shù)也得到了飛速的發(fā)展并取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益， 近年來我國(guó)在沿海深厚軟土地區(qū)和 8 度地震區(qū)及以上高烈度區(qū)采用高層鋼結(jié)構(gòu)形式獲 得了可觀的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。鋼結(jié)構(gòu)體系在建筑結(jié)構(gòu)行業(yè)中的日益普及應(yīng)用迅速 帶動(dòng)了機(jī)械制造、金屬制作加工等行業(yè)的發(fā)展，焊接技術(shù)作為為鋼結(jié)構(gòu)三大連接（焊 接、栓接、鉚接）中最主要的連接手段，因其不削弱構(gòu)件截面的特點(diǎn)，成為了鋼構(gòu)件、 金屬加工中理想的連接方式。并且焊接技術(shù)工藝的飛速更新發(fā)展

10、使這一連接技術(shù)成為 未來的發(fā)展趨勢(shì)，但卻致使鋼結(jié)構(gòu)焊縫中的焊接殘余應(yīng)力成為影響構(gòu)件變形、穩(wěn)定性 和脆性斷裂不可忽略的因素。而構(gòu)件中的縱向殘余應(yīng)力和作為彈塑性材料的鋼材本身 的性能是分析鋼結(jié)構(gòu)彈塑性問題的兩個(gè)重要的考慮因素。 在鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的連接加工過程中，焊接是一種易產(chǎn)生殘余應(yīng)力的加工工藝，其表 現(xiàn)最為明顯，一般在焊接后的冷卻過程中就伴隨著明顯的收縮變形和殘余應(yīng)力，其產(chǎn) 生情況會(huì)因焊接件的形狀、尺寸和所選用的焊接方法等的不同而異。近年來對(duì)于鋼結(jié) 構(gòu)脆性斷裂的事故分析表明，焊接區(qū)的鋼材，尤其是處于三向受拉狀態(tài)的焊接熱影響 區(qū)得鋼材，韌性大幅降低。當(dāng)板件較厚時(shí)因坡口焊縫收縮受到很大約束而出現(xiàn)三軸殘

11、余拉應(yīng)力引起的脆性斷裂，正是出于鋼構(gòu)件在焊接加工過程中，產(chǎn)生了接近屈服極限 的殘余應(yīng)力。構(gòu)件中的殘余應(yīng)力大多數(shù)表現(xiàn)出很大的危險(xiǎn)作用，如使構(gòu)件的強(qiáng)度降低、 降低構(gòu)件疲勞極限、造成應(yīng)力腐蝕和脆性斷裂，由于殘余應(yīng)力的松弛，使構(gòu)件產(chǎn)生變 形，影響構(gòu)件的尺寸精度，以往的研究表明影響鋼結(jié)構(gòu)脆性斷裂的因素是多方面的， 與焊縫自身的缺陷、焊縫周圍熱影響區(qū)得分布對(duì)鋼材材質(zhì)的脆性影響以及應(yīng)力集中和 殘余應(yīng)力的分布及大小有密切的關(guān)系，而根據(jù)線彈性斷裂力學(xué)理論，殘余應(yīng)力對(duì)于裂 紋的擴(kuò)展有著重要的影響，因此正確的評(píng)估和降低焊接所造成的構(gòu)件殘余應(yīng)力對(duì)鋼結(jié) 構(gòu)構(gòu)件及體系工作性能的影響，就顯得十分必要1-6。 焊接殘余應(yīng)力是

12、影響焊接結(jié)構(gòu)后焊接部件的脆性斷裂強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度、壓曲穩(wěn)定 性、振動(dòng)特性和耐腐蝕性能的重要因素；同時(shí)，殘余應(yīng)力的存在，還嚴(yán)重的影響了結(jié) 構(gòu)的機(jī)加工精度和尺寸穩(wěn)定性。因此對(duì)焊接殘余應(yīng)力的形成機(jī)理、分布規(guī)律及其測(cè)試 技術(shù)的研究是和焊接結(jié)構(gòu)領(lǐng)域的重要方面，也一直吸引著世界范圍內(nèi)焊接專家、學(xué)者 的注意力。通過多年的研究，到 20 世紀(jì) 70 年代初期，大致奠定了焊接殘余應(yīng)力和變 形理論的基礎(chǔ)。傳統(tǒng)的觀點(diǎn)認(rèn)為，焊接加熱過程中焊縫和近縫區(qū)內(nèi)因其膨脹受制而產(chǎn) 生的塑性壓縮應(yīng)變是導(dǎo)致焊接殘余應(yīng)力產(chǎn)生的主要原因。我校游敏教授通過多年的研 究分析，認(rèn)為除了母材中的塑性壓縮變形引起焊接殘余應(yīng)力之外，焊縫金屬冷卻時(shí)的

13、收縮受到制約也是導(dǎo)致焊接殘余應(yīng)力產(chǎn)生的重要原因，并據(jù)此原理開發(fā)了調(diào)控焊接接 頭橫向殘余應(yīng)力的新技術(shù)7。 1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 我國(guó)在殘余應(yīng)力領(lǐng)域的研究起步較晚，上世紀(jì)八十年代的殘余應(yīng)力早期研究學(xué)者 張錠全作了殘余應(yīng)力、表面強(qiáng)化和金屬疲勞方面的研究，其研究課題“缺口殘余應(yīng)力 集中及其對(duì)疲勞性能的影響”表明疲勞性能不僅與殘余應(yīng)力的分布和大小、材料的彈 性性能、外來作用應(yīng)力的狀態(tài)有關(guān)，還與殘余應(yīng)力的發(fā)生過程有關(guān)，而在研究這些影 響的過程中給予定量的估計(jì)其影響是及其困難的。 近年來國(guó)內(nèi)學(xué)者于各自不同的專業(yè)領(lǐng)域（包括建筑結(jié)構(gòu)、金屬制作加工等）對(duì)鋼 構(gòu)件中的焊接殘余應(yīng)力的分卸特點(diǎn)、規(guī)律以及其對(duì)構(gòu)件屈曲、

14、穩(wěn)定的影響和焊接接頭 的疲勞性能等方面作了廣泛的研究。文獻(xiàn)8910對(duì)鋼結(jié)構(gòu)焊件中殘余應(yīng)力的分布形成、 分布等進(jìn)行了探討和研究，得到了焊件表面和中部不同的殘力分布和擬合曲線，并分 析了不同分布形式對(duì)構(gòu)件承載力的影響。天津大學(xué)做了提高焊接接頭疲勞性能的技術(shù) 研究，提出焊接結(jié)構(gòu)的疲勞問題以及研究的意義，進(jìn)行了系統(tǒng)的疲勞失效原因分析， 論述了應(yīng)力集中及殘余應(yīng)力對(duì)疲勞強(qiáng)度的影響。天津大學(xué)材料學(xué)院設(shè)計(jì)和優(yōu)化研制了 低相變點(diǎn)焊條，并在各種焊接接頭上進(jìn)行了大量的疲勞試驗(yàn)和工藝性能試驗(yàn)。結(jié)果表 明，相變點(diǎn)焊條 ltte 接頭的疲勞強(qiáng)度分別比普通焊條 e5015 接疲勞強(qiáng)度提高 11%、23%、42%、46%和

15、59%疲勞壽命提高幅度從幾倍到上百倍。湖北工學(xué)院和鐵 道部大橋局橋科院通過疲勞實(shí)驗(yàn)對(duì)焊接殘余應(yīng)力對(duì)對(duì)接板的疲勞影響進(jìn)行了研究得出 了整板斷裂周次的積分形式表達(dá)式，通過比較疲勞實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和計(jì)算結(jié)果，證明了理論 和壽命預(yù)測(cè)方面的合理性。文獻(xiàn)11對(duì)鋼結(jié)構(gòu)脆性斷裂的起因進(jìn)行了較為詳盡的論述， 認(rèn)為除焊縫自身的一些缺陷（如裂紋、欠焊、夾渣和氣孔）和鋼材質(zhì)量因素外，焊接 結(jié)構(gòu)的連接形式（如當(dāng)三條垂直施焊時(shí)阻止了材料的塑性變形） 、內(nèi)部存在的殘余應(yīng) 力和其他因素結(jié)合是導(dǎo)致開裂的誘因。材質(zhì)的不合格、低溫的沖擊韌性差和低溫焊接 產(chǎn)生的較大殘余應(yīng)力是入們幾十年來對(duì)于鋼結(jié)構(gòu)脆性斷裂事故原因所形成的規(guī)律性認(rèn) 識(shí)，另外，

16、結(jié)構(gòu)形式的日益復(fù)雜、工作環(huán)境的惡劣(海洋等)以及為降低造價(jià)的目的所 采用的精確計(jì)算方法,都比過去大大降低了鋼結(jié)構(gòu)體系的安全儲(chǔ)備，從而增加了斷裂事 故發(fā)生的幾率121314。 有關(guān)焊接殘余應(yīng)力的研究在上世紀(jì)三十年代就已在世界各國(guó)各個(gè)領(lǐng)域進(jìn)行了基礎(chǔ) 性的廣泛研究。最早起源于學(xué)者對(duì)于焊接過程中瞬時(shí)熱應(yīng)力的研究，由于受計(jì)算技術(shù) 的限制且瞬時(shí)應(yīng)力計(jì)算較為復(fù)雜，當(dāng)時(shí)對(duì)瞬時(shí)應(yīng)力和舍屬運(yùn)動(dòng)的認(rèn)識(shí)不多，僅限于對(duì) 點(diǎn)焊和板條內(nèi)溫度和應(yīng)力變化的初始研究，無法表示實(shí)際的焊縫情況。隨著計(jì)算機(jī)技 術(shù)的迅猛發(fā)展和日益普及，1961 年，tall15首次編制了一套計(jì)算板條中線進(jìn)行堆焊時(shí) 的應(yīng)力簡(jiǎn)單程序用于分析焊接時(shí)的熱應(yīng)力，

17、即后來所說的一維分析。1968 年，巴特爾 研究所以 tall 的分析為基礎(chǔ)，編制了焊接過程中一維分析的 fortan 程序。1970 年， 國(guó)際焊接學(xué)會(huì)專門設(shè)立了“焊接應(yīng)力、應(yīng)變和其他影響的數(shù)值分析”工作組，負(fù)責(zé)專 門收集編制關(guān)于世界各國(guó)各研究所進(jìn)行的研究工作報(bào)告，并于 1978 年年會(huì)中舉行的 “數(shù)值技術(shù)在焊接中的應(yīng)用”專題會(huì)上，發(fā)表了有關(guān)焊接熱應(yīng)力分析的文章。1975 年 murakj16將板堆焊時(shí)的熱應(yīng)力分析二維有限元程序做了重大改進(jìn)，使之可用于分析 對(duì)接焊和板上堆焊過程中的熱應(yīng)力。時(shí)至今日，鑒于開發(fā)能準(zhǔn)確分析焊接熱效應(yīng)的三 維程序的復(fù)雜性和計(jì)算運(yùn)行的高額費(fèi)用等原因，為處理園筒形殼體和

18、大型焊件問題將 二維分析擴(kuò)大應(yīng)用于三維狀態(tài)的研究工作一直在艱苦的進(jìn)行。同時(shí)，在此期間，人們 關(guān)于焊接熱應(yīng)力和舍屬運(yùn)動(dòng)的實(shí)驗(yàn)研究一直沒有間斷過。其中最具代表性的是麻省理 工學(xué)院對(duì)各種材料和厚度的焊件所做的一系列實(shí)驗(yàn)研究，通過與理論預(yù)測(cè)分析結(jié)果的 對(duì)比，得出了諸多有意義的結(jié)論，指出在預(yù)測(cè)關(guān)于板上堆焊和對(duì)接焊時(shí)的縱向應(yīng)變時(shí)， 一維程序有足夠的精度，并且在瞬時(shí)熱應(yīng)變的分析中，金相變化的影響是很大的。 1960 年，美日學(xué)者在研究應(yīng)力交變引起的殘余應(yīng)力的變化對(duì)于疲勞的影響時(shí)，把殘余 應(yīng)力變換成平均應(yīng)力來進(jìn)行研究，把其與各種作用應(yīng)力和平均應(yīng)力的狀態(tài)對(duì)應(yīng)起束得 到了疲勞曲線圖。最值得提出的是 trufyak

19、ov 對(duì)在不同應(yīng)力循環(huán)特征下焊接殘余應(yīng)力 對(duì)接頭疲勞強(qiáng)度影響的研究。而熱處理在消除殘余應(yīng)力的同時(shí)又軟化了材質(zhì)，因而使 得疲勞強(qiáng)度在熱處理后反而下降。這一試驗(yàn)比較好地說明了殘余應(yīng)力和焊接熱循環(huán)所 引起材質(zhì)變化對(duì)疲勞強(qiáng)度的影響。從這里也可以看出焊接殘余應(yīng)力對(duì)接頭疲勞強(qiáng)度的 影響與疲勞載荷的應(yīng)力循環(huán)特性有關(guān)。即在循環(huán)特性值較低時(shí)，影響比較大1718。 1.3 研究的主要內(nèi)容 1.3.1 焊接溫度場(chǎng) 焊接應(yīng)力和變形的演變過程因焊接過程的特點(diǎn)而變得更為復(fù)雜，并與焊接溫度場(chǎng) 直接相關(guān)。焊接過程中一般無外力作用，殘余應(yīng)力主要由焊接過程中不均勻熱循環(huán)作 用引起19。所以焊接瞬態(tài)溫度場(chǎng)的計(jì)算是進(jìn)行焊接殘余應(yīng)力分

20、析的前提，所以我們有 必要對(duì)溫度場(chǎng)進(jìn)行說明。焊接過程中局部施加的依從于時(shí)間的集中熱輸入，可使得焊 接部位形成熔化區(qū)(熔焊)，這正是引起殘余應(yīng)力和焊接變形的根源。 本文對(duì)于溫度場(chǎng)的研究主要包括以下幾點(diǎn)： 1：在焊接過程和焊后冷卻過程中，焊縫及兩側(cè)母材的傳熱情況以及其對(duì)應(yīng)力的 影響情況； 2：在焊接過程和焊后冷卻過程中，溫度在焊件上的分布情況； 3：在焊接過程和焊后冷卻過程中，焊件上的節(jié)點(diǎn)溫度隨時(shí)間的變化情況； 1.3.2 焊接殘余應(yīng)力 殘余應(yīng)力是材料及其制品在機(jī)加工或合金化過程中產(chǎn)生的平衡于材料或制品內(nèi)部 的應(yīng)力。是指在沒有外部力作用時(shí)平衡與物體內(nèi)部的應(yīng)力金屬焊接過程是以各集中熱 源對(duì)金屬局部加

21、熱溶化的過程，焊接時(shí)，熱量以高度集中的瞬時(shí)熱輸入到焊縫的局部 區(qū)域，而且熱源是移動(dòng)的。造成焊件瞬時(shí)溫度分布和熱膨脹的不均勻，這些不均勻就 是產(chǎn)生殘余應(yīng)力和變形個(gè)根源。他的形成主要有三部分：1：焊接區(qū)金屬加熱到一定 溫度后會(huì)產(chǎn)生塑性變形，在冷卻收縮過程中，受到近旁低溫區(qū)的約束產(chǎn)生的應(yīng)力； 2：焊件結(jié)構(gòu)形狀的約束而形成的應(yīng)力；3：冷卻中局部組織相結(jié)構(gòu)發(fā)生轉(zhuǎn)變產(chǎn)生的應(yīng) 力。 本文對(duì)于焊接殘余應(yīng)力的研究主要包括以下幾點(diǎn)： 1：在焊接過程和焊后冷卻過程中，焊縫及兩側(cè)母材的殘余應(yīng)力變化規(guī)律； 2：冷卻后，殘余應(yīng)力在試件上的連續(xù)分布規(guī)律； 3：材料的物理化學(xué)性能對(duì)焊接殘余應(yīng)力產(chǎn)生的影響。 2模擬分析過程 2

22、.1有限元分析軟件ansys簡(jiǎn)介 在過去的近幾十年，計(jì)算機(jī)對(duì)科學(xué)技術(shù)的深遠(yuǎn)影響是無庸置疑的，它大大的拓展 了工程問題的可解范圍，工程領(lǐng)域中大多數(shù)力學(xué)問題和場(chǎng)問題，如固體力學(xué)中的位移 場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)問題，熱傳導(dǎo)中的穩(wěn)態(tài)和瞬念溫度場(chǎng)分析，流體力學(xué)中的流場(chǎng)問題，量子 場(chǎng)理論，材料相轉(zhuǎn)化的起源，金屬裂紋的傳播問題等，只有很少部分能夠用解析方法 解決，往往是在給定邊界條件下求解常微分和偏微分方程的問題，盡管有時(shí)可得到它 們的基本方程和邊界條件，但有時(shí)因其邊界條件、結(jié)構(gòu)形體、外加荷載過于復(fù)雜，往 往無法求得其精確的解析，處理此類復(fù)雜工程問題的途徑一般是：引入簡(jiǎn)化假設(shè)和采 用數(shù)值模擬方法，前者常因?yàn)榧僭O(shè)不合理導(dǎo)

23、致結(jié)果出現(xiàn)較大的誤差而不可信，故隨著 計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和現(xiàn)代數(shù)學(xué)以及力學(xué)理論的成熟與完善，利用計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬技術(shù) 柬獲取滿足工程精度的數(shù)值近似是目前工程仿真領(lǐng)域的一大突破。 隨著現(xiàn)代科技的高速發(fā)展，焊接模擬技術(shù)的地位變得越來越重要，它不僅能夠有 效地提高產(chǎn)品的經(jīng)濟(jì)效益，還可以節(jié)省大量的時(shí)間。有限元法則是焊接模擬技術(shù)中適 應(yīng)電子計(jì)算機(jī)而發(fā)展起來的一種有效方法，它已經(jīng)成功地解決了工程領(lǐng)域中的許多問 題，廣泛地用于研究焊接熱傳導(dǎo)、焊接熱彈塑性應(yīng)力和變形分析、焊接結(jié)構(gòu)的斷裂力 學(xué)的分析等。目前，國(guó)際上大型的有限元分析軟件有很多。其中以ansys為代表的工 程數(shù)值模擬軟件，不斷吸取計(jì)算方法和計(jì)算機(jī)技術(shù)的

24、最新發(fā)展，將有限元分析、計(jì)算 機(jī)圖形學(xué)和優(yōu)化技術(shù)相結(jié)合已成為解決現(xiàn)代工程學(xué)問題必不可少的有力工具20。 ansys軟件是一個(gè)大型、通用的有限元軟件，其強(qiáng)大的熱、結(jié)構(gòu)耦合及瞬態(tài)、非 線性分析能力使其在焊接模擬技術(shù)中具有廣闊的前景，焊接溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)的模擬就 是運(yùn)用其熱、結(jié)構(gòu)及二者的藕合分析功能進(jìn)行計(jì)算21。雖然焊接溫度場(chǎng)與應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng) 是雙向耦合的，由于應(yīng)變場(chǎng)對(duì)溫度場(chǎng)的影響非常小，加上計(jì)算條件的限制，所以本文 只考慮溫度場(chǎng)對(duì)應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)這一單向耦合。在模擬計(jì)算時(shí)，采用ansys軟件的熱-結(jié) 構(gòu)耦合功能，利用溫度場(chǎng)與應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)直接耦合進(jìn)行焊接應(yīng)力和變形的計(jì)算。 2.2有限元模型的建立 本課題是規(guī)格為

25、1000mm280mm20mm 的兩塊 q235 鋼板采用平板對(duì)接連接， 填充金屬為鋼，不開坡口，采用雙面焊接成型求在焊接后的焊接殘余應(yīng)力以及焊接過 程中的溫度變化。假設(shè)沒有輻射和對(duì)流，結(jié)構(gòu)左邊固定約束，左右兩邊界均給定 20 的溫度約束。分為兩級(jí)焊縫焊接，如圖 1 是焊縫的剖面示意圖，從左到右的材料一次 是 q235 鋼、鋼和 q235 鋼，其中 q235 鋼的初始溫度是環(huán)境溫度 20，焊縫填充金 屬鋼的是 1500，我們做如下假設(shè)： 材料為各向同性； 忽略金屬的填充熔敷作用； 在對(duì)接接頭的正反兩面同時(shí)開始焊接； 不考慮粘彈塑性和蠕變； 忽略電弧對(duì)焊件的輻射； 忽略熔池流體的流動(dòng)作用； 材料

26、為理想塑性材料。 圖 2.1 焊縫模型圖 2.2.1 計(jì)算方法的確定 在 ansys 軟件中，計(jì)算焊接溫度場(chǎng)，應(yīng)力場(chǎng)的方法分為直接法和間接法。直接 法是使用具有溫度和位移自由度的耦合單元，同時(shí)分析得到熱分析和結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析的 結(jié)果。間接法是首先進(jìn)行熱分析，然后將求得的節(jié)點(diǎn)溫度作為載荷施加在結(jié)構(gòu)應(yīng)力分 析中。由于單元開發(fā)技術(shù)上的原因，直接法可供選用的單元較少，而且在分析過程中， 需要同時(shí)進(jìn)行溫度場(chǎng)計(jì)算和應(yīng)力應(yīng)變計(jì)算，其解法的耦合單元包含所有必須的自由度， 只需要通過一次求解就能得出耦合場(chǎng)分析結(jié)果22。需要指出的是，溫度場(chǎng)計(jì)算是標(biāo)量 計(jì)算，計(jì)算耗用的時(shí)間相對(duì)進(jìn)行矢量計(jì)算的應(yīng)力應(yīng)變過程要少的多。所以直

27、接計(jì)算周 長(zhǎng)較長(zhǎng)，不夠靈活。間接法可以先分析溫度場(chǎng)，溫度模擬準(zhǔn)確之后，保存溫度場(chǎng)結(jié)果， 再分析應(yīng)力應(yīng)變，如果應(yīng)力應(yīng)變結(jié)果不理想，不必要再進(jìn)行溫度分析，而只需要修改 力學(xué)性能和優(yōu)化載荷步，然后再進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變計(jì)算，這樣可以節(jié)省大量的時(shí)間，但需 要經(jīng)過幾次求解才能得出最終耦合結(jié)果。在這里，雖然焊接溫度場(chǎng)與應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)是雙 向耦合的，由于應(yīng)變場(chǎng)對(duì)溫度場(chǎng)的影響非常小，加上計(jì)算條件的限制，所以本文只考 慮溫度場(chǎng)對(duì)應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)這一單向耦合。在模擬計(jì)算時(shí)，為簡(jiǎn)化求解過程，采用 ansys 軟件的瞬態(tài)熱結(jié)構(gòu)耦合及死活單元功能，同時(shí)為了簡(jiǎn)化問題，在分析過程中 將忽略結(jié)構(gòu)分析的瞬態(tài)效應(yīng)，而只考慮熱分析的瞬態(tài)效應(yīng)在此基礎(chǔ)

28、上進(jìn)行焊接過程仿 真，計(jì)算焊接過程中的溫度分布和應(yīng)力分布以及冷卻后的焊縫殘余應(yīng)力。 一般運(yùn)用 ansys 進(jìn)行計(jì)算的過程分為三步：前處理、加載計(jì)算、后處理。以下 對(duì)焊接溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)的計(jì)算按這三步加以論述。 2.2.2定義單元屬性 本文所用同種接頭焊接殘余應(yīng)力分析程序是建立在一般二維熱彈塑性有限元程序 基礎(chǔ)上。程序中考慮材料常數(shù)隨溫度發(fā)生變化，并直接輸入計(jì)算所需各種不同材料常 數(shù)隨溫度變化的實(shí)驗(yàn)曲線，因而更符合實(shí)際情況金屬材料的熱物理性能(如比熱 c、密 度 q、導(dǎo)熱系數(shù) k 等)隨溫度變化而變化，焊接時(shí)局部加熱到很高溫度，其熱物理性 質(zhì)隨溫度變化很大，如果不考慮材料的熱物性隨溫度變化，那么計(jì)

29、算結(jié)果將與真實(shí)情 況產(chǎn)生一定的偏差，所以必須在前處理中建立材料隨溫度變化的熱物理性參數(shù)庫(kù)。在 焊接過程的數(shù)值模擬中，進(jìn)行溫度分析必須確定下列參數(shù)：導(dǎo)熱系數(shù)、密度、比熱容； 應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)分析則必須確定彈性模量、熱膨脹系數(shù)、密度和屈服極限等參數(shù)23。 材料 攝氏 溫度 彈性模 量 pa 屈服強(qiáng) 度 pa 切變模 量 pa 材料密 度 kg/m3 泊松 比 傳熱系數(shù) w/(m) 線膨脹 系數(shù) 1/ 比熱容 j/(kg) q235 鋼 20 500 1000 1500 2000 2.12e1 1 1.75e1 1 1.39e1 1 1.07e1 1 0.83e1 1 0.33e9 0.213e9 0.1

30、53e9 0.073e9 0.013e9 2.12e10 1.75e10 1.39e10 1.07e10 0.83e10 78600.29341.48e-5983 表2.1 材料物理性能參數(shù)表 從表中可以看出計(jì)算中所用材料的彈性模量、屈服強(qiáng)度、線膨脹系數(shù)和切變模量 均隨溫度變化而變化。 2.2.3創(chuàng)建實(shí)體模型 圖2.2 簡(jiǎn)化二維對(duì)接接頭模型 幾何模型的形狀不僅由焊件的形狀、尺寸大小決定，還取決于載荷施加的方式及 熱源在焊件內(nèi)的傳導(dǎo)方式。在移動(dòng)熱源條件下，這里不考慮厚度方向溫度場(chǎng)分布時(shí)， 將模型簡(jiǎn)化成二維平面模型。模型如圖所示。 2.2.4劃分網(wǎng)格 眾所周知，對(duì)于有限元分析來說，網(wǎng)格劃分是其中最

31、關(guān)鍵的一個(gè)步驟，網(wǎng)格劃分 的好壞直接影響到解算的精度和速度，在這里，首先應(yīng)當(dāng)確定采用自由網(wǎng)格還是映射 網(wǎng)格。顧名思義，自由網(wǎng)格對(duì)于形狀單元無限制，三排列不規(guī)則。映射網(wǎng)格對(duì)包含的 單元形狀有限制，而且必須滿足特定的規(guī)則。映射面網(wǎng)格只包含四邊形或三角形單元， 映射體網(wǎng)格只包含六面體單元。而且，映射網(wǎng)格具有規(guī)則形狀，明顯成排的單元。這 對(duì)載荷的施加和收斂的控制是相當(dāng)有利的。 鋼 20 500 1000 1500 2000 1.93e1 1 1.5e11 0.7e11 0.1e11 0.01e1 1 1.2e9 0.933e9 0.435e9 0.07e9 0.007e9 1.93e10 1.5e10

32、 0.7e10 0.1e10 0.01e10 80300.2916.31.78e-6502 圖 2.3 分網(wǎng)格模型 2.3 加載計(jì)算 焊接過程是一個(gè)加熱非常不均勻的過程，在焊縫處溫度剃度變化很大，劃分網(wǎng)格 時(shí)一般不采取均勻的網(wǎng)格，而是在焊縫及其附近的部分用加密的網(wǎng)格，在遠(yuǎn)離焊縫的 區(qū)域，溫度分布梯度變化相對(duì)較小，這時(shí)可以忽略細(xì)節(jié)，劃分均勻且相對(duì)稀疏的單元 網(wǎng)格?？傊?，在保持精度的同時(shí)減少網(wǎng)格的數(shù)量。要獲得一個(gè)良好的瞬態(tài)焊接溫度場(chǎng)， 焊縫處的單元網(wǎng)格最好為 2.5mm24，遠(yuǎn)離焊縫區(qū)域的單元網(wǎng)格為 5mm。 網(wǎng)格劃分需要如下步驟： 1 設(shè)置單元尺寸； 2 激活焊縫材料的屬性； 3 設(shè)定網(wǎng)格劃分方

33、式； 4 儲(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)； 5 生成網(wǎng)格。 2.3.1 設(shè)置求解選項(xiàng)，并施加約束 在求解處理器中定義分析類型為瞬態(tài)分析，求解方式為完全法，對(duì)焊件的底邊和 側(cè)邊分別約束 y 向與 x 向位移并施加初始溫度荷載。施加約束后的模型如圖所示。 圖 2.4 施加約束后的模型 其具體步驟是： （1）設(shè)定分析類型，選擇瞬態(tài)分析； （2）選擇左邊節(jié)點(diǎn)； （3）施加約束； （4）選擇左右兩邊的節(jié)點(diǎn)； （5）施加溫度約束； （6）選擇所有實(shí)體。 2.3.2 載荷的施加 對(duì)于焊接熱源載荷，在 ansys 中可以熱流密度或生熱率兩種形式施加。對(duì)于開 坡口的對(duì)接焊縫或填角焊縫等，應(yīng)將熱源作為焊縫單元內(nèi)部生熱處理，以生熱率的形

34、 式施加載荷，同時(shí)考慮金屬的填充作用，運(yùn)用生死單元的方法，逐步將填充焊縫轉(zhuǎn)化 為生單元參與計(jì)算中。 圖 2.5 施加約束后的第一級(jí)顯示圖 圖 2.6 施加約束后的第二級(jí)焊縫顯示圖 對(duì)本課題研究模型加載過程具體步驟是： （1）設(shè)置輸出選項(xiàng)； （2）對(duì)整體施加初始溫度值（20） ； （3）設(shè)置時(shí)間積分控制； （4）殺死焊縫上半部單元； （5）選擇焊縫處的激活的單元和節(jié)點(diǎn)； （6）對(duì)焊縫處施加溫度約束（1500） ； （7）設(shè)置時(shí)間步選項(xiàng)并按步驟寫入載荷，結(jié)構(gòu)如圖所示。 2.3.3 載荷步的確定 在進(jìn)行非線性的瞬態(tài)分析過程中，我們要設(shè)置載荷步。載荷步是為了表達(dá)隨時(shí)間 變化的載荷，也就是說把載荷時(shí)間曲

35、線分成載荷步，分析時(shí)對(duì)于每一個(gè)載荷步都要 定義載荷值和對(duì)應(yīng)的時(shí)間值，每計(jì)算一個(gè)載荷步時(shí)，都要?jiǎng)h掉上一個(gè)載荷步的溫度， 每個(gè)載荷步需要多個(gè)載荷子步。時(shí)間步長(zhǎng)的大小關(guān)系到計(jì)算的精度。步長(zhǎng)越小，計(jì)算 精度越高，同時(shí)計(jì)算的時(shí)間越長(zhǎng)。根據(jù)線性傳導(dǎo)熱傳遞，可以按如下公式估計(jì)初始時(shí) 間步長(zhǎng)： its 2 4 其中為沿?zé)崃鞣较驘崽荻茸畲筇幍膯卧拈L(zhǎng)度，為導(dǎo)溫系數(shù)，它等于導(dǎo)熱系 數(shù)除以密度與比熱的乘積（)。 kc 在本課題，受到硬件條件的限制，簡(jiǎn)化將焊接過程設(shè)置為 7 個(gè)載荷步。 2.3.4 單元的生死 大型構(gòu)件的焊接常用手工電弧，若焊接方法為多道焊，因?yàn)楹附舆^程中，焊縫金 屬是隨層逐漸熔敷上去的，熔池區(qū)金屬處

36、與融化狀態(tài)，既進(jìn)入零力學(xué)性能狀態(tài)，其所 有應(yīng)力應(yīng)變將消失，這時(shí)就需要采用生死單元技術(shù)25。在 ansys 軟件中，并不是將 “釘死”的單元從模型中刪除而達(dá)到“單元死”的效果，而是將其剛度矩陣乘以一個(gè) 很小的因子。同樣，單元的“出生”也不是將其加入到模型中，而是先生成再全部殺 死，然后在合適的載荷步中重新激活它。這又涉及到單元的“殺死”或“出生”的指 定準(zhǔn)則問題及相關(guān)問題。 為了模擬多層焊縫的焊接過程，本課題采用兩級(jí)焊縫，建模時(shí)已經(jīng)以圓弧形式將 各級(jí)焊縫區(qū)分，當(dāng)?shù)谝粚雍缚p開始焊接時(shí)，該層單元處于“活”的狀態(tài)，其余焊縫則 處于“死”的狀態(tài)，對(duì)溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)的計(jì)算不起作用，第 2 層焊縫開始焊接時(shí)，

37、該 層焊縫的單元“復(fù)活” 。焊接熱源隨著焊縫單元的“復(fù)活”逐漸加到焊縫單元上。本 課題將第二層焊縫殺死后的效果如下圖所示： 圖 2.7 一級(jí)焊縫效果圖 2.3.5 分析選項(xiàng)的確定 焊接溫度場(chǎng)的分析是典型的非線性瞬態(tài)熱傳導(dǎo)問題，如果分析選項(xiàng)設(shè)置不當(dāng)，通 常會(huì)導(dǎo)致計(jì)算難收斂。為此，需作如下設(shè)置:采用 full newton- raphson(牛頓-拉普森) 方法，每進(jìn)行一次平衡迭代，就修正一次剛度矩陣，同時(shí)激活自適應(yīng)下降功能；打開 自動(dòng)時(shí)間步長(zhǎng)；打開時(shí)間步長(zhǎng)預(yù)測(cè)；時(shí)間步長(zhǎng)的設(shè)置通常對(duì)計(jì)算精度產(chǎn)生很大的影響， 步長(zhǎng)越小，計(jì)算越精確，但過小的時(shí)間步長(zhǎng)需要很大的計(jì)算機(jī)容量和很長(zhǎng)的計(jì)算時(shí)間。 在焊接過程中

38、一般時(shí)間步長(zhǎng)應(yīng)控制在 0.5 左右，在冷卻過程中，可逐步增大時(shí)間步長(zhǎng)。 本文在確保焊縫處單元網(wǎng)格足夠細(xì)小的情況下，試選幾個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)進(jìn)行計(jì)算。每次計(jì) 算將前一次的時(shí)間步長(zhǎng)逐步減小的方法進(jìn)行，當(dāng)相鄰兩次計(jì)算結(jié)果的溫度場(chǎng)相籌不大 時(shí)可以認(rèn)為時(shí)間步長(zhǎng)足夠小26。 ansys 中提供了 5 種求解器，選用哪種求解器可依據(jù)求解的自由度數(shù)量、所花 費(fèi)的時(shí)間和要求的內(nèi)存而定。對(duì)于焊接一般采用程序自動(dòng)選擇求解器的方法可得到比 較好的計(jì)算效果。ansys 的方程求解器計(jì)算多個(gè)聯(lián)立線性方程來預(yù)測(cè)工程系統(tǒng)的響 應(yīng)，然而非線性結(jié)構(gòu)的行為不能直接用多個(gè)線性方程表示，而需要多個(gè)帶校正的線性 近似求解。 3 模擬結(jié)果及分析

39、ansys 后處理就是查詢計(jì)算結(jié)果并對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行處理，用以判斷網(wǎng)格是否精 確、分析結(jié)果是否正確。ansys 軟件的后處理包括通用后處理 posti 和時(shí)間歷程后 處理 post26 兩大模塊。 在后處理中，可查看整個(gè)模型在某一載荷步或子步的計(jì)算值，如某一時(shí)間點(diǎn)焊件 上各點(diǎn)的各種應(yīng)力、應(yīng)變值和溫度值。而時(shí)間歷程后處理則查看某點(diǎn)的值隨時(shí)間變化 的狀況，如整個(gè)焊接過程中，某點(diǎn)的應(yīng)力、應(yīng)變值和溫度隨時(shí)間如何變化。若要查看 整個(gè)焊件在整個(gè)焊接過程中溫度和應(yīng)力的動(dòng)態(tài)變化，可用ansys中的動(dòng)畫顯示技術(shù)。 在后處理中可通過列表和繪圖的形式顯示查詢結(jié)果。ansys中的誤差估計(jì)是基于能量 分布的，它主要考慮了

40、單元網(wǎng)格的尺寸精度。一般計(jì)算結(jié)果中能量誤差值應(yīng)低于 10%，否則需將網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)化27。 3.1溫度場(chǎng)模擬 圖 3.1 t=0.001s 時(shí)的溫度場(chǎng) 圖 3.2 t=0.002 s 時(shí)的溫度場(chǎng) 圖 3.3 t=5.002s 時(shí)的溫度場(chǎng) 圖 3.4 t=10s 時(shí)的溫度場(chǎng) 圖 3.5 冷卻 5000 秒后的的溫度場(chǎng) 溫度場(chǎng)的數(shù)值模擬是應(yīng)力應(yīng)變數(shù)值模擬的基礎(chǔ)，同時(shí)溫度場(chǎng)的分布對(duì)應(yīng)力應(yīng)變的 分布有著極大的影響。圖(3.1)-圖（3.5）是各個(gè)溫度的瞬態(tài)變化圖，依次描繪了各個(gè) 關(guān)鍵時(shí)刻的溫度場(chǎng)，能夠反映在焊接過程中焊縫的融合區(qū)的金屬通過加熱，然后熔化 和隨后冷卻凝固的全部的過程。可以說明焊接熱過程具有的

41、基本特點(diǎn)（1）加熱區(qū)域 小，加熱溫度高。它造成焊件上各個(gè)點(diǎn)間出現(xiàn)很大的溫度梯度，這可以從圖片中兩種 的顏色的突變看出。 （2）加熱時(shí)間短，溫度分布不穩(wěn)定；對(duì)于焊件的某一點(diǎn)而言，受 到的加熱作用時(shí)間極短，可視為一個(gè)瞬間28。即當(dāng)焊接熱源接近焊件上某一點(diǎn)的時(shí)候， 熱源的熱量將使該點(diǎn)迅速加熱升溫，隨著熱源的離去，熱量將導(dǎo)出而使其溫度降低。 可見，焊件上的傳熱過程是一個(gè)非穩(wěn)定狀態(tài)的傳熱過程。圖(3.1)和圖（3.2）是進(jìn)行一 級(jí)焊時(shí)候的溫度場(chǎng)，可以看見焊縫區(qū)及其附近已達(dá)到融化狀態(tài)；圖(3.3)二級(jí)焊時(shí)的瞬 態(tài)溫度場(chǎng)，焊縫區(qū)的溫度都已達(dá)到1500，這是溫度梯度比較大，可以很明顯看出焊 件正在加熱，因?yàn)殡x

42、焊縫遠(yuǎn)的部位還處于室溫狀態(tài)；圖（3.5）是焊件的冷卻過程中的 溫度，可以看到焊縫區(qū)的溫度逐漸降低，非焊縫區(qū)的溫度逐漸上升，而且，隨離焊縫 的距離增大而減少，這表明焊接是熱傳導(dǎo)過程.由于是同種材料的焊接過程則通過圖 (3.4)和圖（3.5）可以發(fā)現(xiàn)，在焊縫兩側(cè)溫度分布是一樣的。 3.2 應(yīng)力場(chǎng)的模擬 圖 3.6 t=0.001s 時(shí)的應(yīng)力場(chǎng) 圖 3.7 t=0.002s 時(shí)的應(yīng)力場(chǎng) 圖 3.8 t=5.002s 時(shí)的應(yīng)力場(chǎng) 圖 3.9 t=10s 時(shí)的應(yīng)力場(chǎng) 圖 3.10 冷卻 5000 秒后的應(yīng)力場(chǎng) 圖 3.11 沿 x-軸橫向應(yīng)力分布情況 圖 3.12 沿厚度方向應(yīng)力分布情況 應(yīng)力場(chǎng)顯示如上

43、圖（3.6）至圖（3.10）：從圖中可以看到各個(gè)點(diǎn)的某一時(shí)刻的瞬 態(tài)內(nèi)應(yīng)力圖，還可以看到一些應(yīng)力集中的點(diǎn)（如圖片中紅色的位置） ，因?yàn)檫@些地方 的內(nèi)應(yīng)力比較大，而且比較集中。還可以看見焊件受溫差作用而引起的熱應(yīng)力，這種 瞬時(shí)熱應(yīng)力隨時(shí)間急劇變化，當(dāng)溫度梯度較大、隨時(shí)間的變化率較大時(shí)，這種瞬態(tài)內(nèi) 應(yīng)力作用在焊件的內(nèi)部。對(duì)比溫度場(chǎng)圖（3.1） 、圖（3.2）和應(yīng)力場(chǎng)圖（3.6） 、圖 （3.7）可以看出，此時(shí)第一層焊縫中心部位溫度已 1200 度以上，其焊縫中心區(qū)金屬 鋼受熱不均勻所引起的熱應(yīng)力在焊縫中心區(qū)達(dá)到或超過了鋼的屈服強(qiáng)度，則焊縫中心 區(qū)域產(chǎn)生塑性變形，并且焊縫周圍鋼的受熱膨脹受到兩側(cè)母材

44、的拘束，所以在焊縫周 圍也產(chǎn)生熱應(yīng)力；隨著第二道焊的進(jìn)行，由于對(duì)第一道焊加熱，使得第一道焊的殘余 應(yīng)力基本上被消除；在焊縫冷卻過程中，由于焊縫的收縮，在接近焊縫的一個(gè)較窄的 區(qū)域產(chǎn)生了拉伸應(yīng)力，如圖（3.8）和（3.9）所示；而通過圖（3.10）則可以發(fā)現(xiàn)，焊 接殘余應(yīng)力分布是不均勻的，并且殘余應(yīng)力只是存在焊縫和近焊縫區(qū)，則最大殘余應(yīng) 力出現(xiàn)在熔化區(qū)附近，隨著離焊縫的距離增大，殘余應(yīng)力逐漸變?yōu)榱?。圖(3.11)和圖 (3.12)分別表示沿 x 軸方向的橫向應(yīng)力分布情況和沿厚度方向的應(yīng)力分布情況，通過 圖可以得出:焊接殘余應(yīng)力分布是不均勻的，焊后收縮趨勢(shì)愈大的區(qū)域應(yīng)力值愈大，既 是在接近焊縫的一

45、個(gè)很窄的區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生了拉應(yīng)力，其最大值可達(dá)到材料的屈服強(qiáng)度值； 在其相鄰區(qū)域產(chǎn)生壓應(yīng)力。 圖 3.13 焊件銅上層表面的等效應(yīng)力分布 圖 3.14 焊件中間層的橫向應(yīng)力和等效應(yīng)力分布圖 圖 3.15 焊縫鋼下層表面的等效應(yīng)力分布圖 從圖（3.14）可以看出在曲線橫坐標(biāo) x=（0.3-0.7）這個(gè)區(qū)間為焊縫所在位置，其 應(yīng)力也最大，通過這個(gè)區(qū)間的應(yīng)力峰值比較及圖(3.13)與圖（3.15）兩表面層應(yīng)力分布 可以發(fā)現(xiàn)焊縫鋼的上下層得殘余應(yīng)力是一樣的，通過橫向應(yīng)力分布圖（3.14）還可以 看出在焊縫區(qū)其應(yīng)力值為正，表現(xiàn)為拉應(yīng)力，在其他區(qū)域正為負(fù)，表現(xiàn)為壓應(yīng)力。 理論上在焊接過程中，焊接區(qū)以遠(yuǎn)高于周圍區(qū)

46、域的速度被急劇加熱并局部熔化。 焊接區(qū)材料受熱膨脹，熱膨脹受到周圍較冷的區(qū)域的約束，并造成熱應(yīng)力，受熱區(qū)域 溫度升高后屈服強(qiáng)度極限下降，熱應(yīng)力可部分超過該屈服極限，這樣焊接區(qū)形成了塑 性的熱壓縮。冷卻后，焊接區(qū)比周圍區(qū)域相對(duì)縮短，變窄或減小，因此，這個(gè)區(qū)域就 呈現(xiàn)拉伸殘余應(yīng)力，周圍區(qū)域承受壓縮殘余應(yīng)力。由圖(3.6)至圖(3.15)，可看出應(yīng)力 變化規(guī)律和理論上基本上是一致的。 4 全文總結(jié)與展望 4.1 全文總結(jié) 本文對(duì) q235 鋼對(duì)接接頭焊接過程產(chǎn)生的溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)及焊后的殘余應(yīng)力進(jìn)行 了模擬研究，提出了基于 ansys 軟件的焊接溫度場(chǎng)和應(yīng)力的模擬分析方法，通過本 文研究，可以得出以下

47、結(jié)論。 （1）通過本文的實(shí)例的數(shù)值模擬，得出該種接頭的溫度場(chǎng)和焊縫應(yīng)力的分布情 況，得到殘余應(yīng)力在試件上的連續(xù)分布規(guī)律：在接近焊縫一個(gè)較窄的區(qū)域產(chǎn)生了拉應(yīng) 力，在其相鄰區(qū)域產(chǎn)生壓應(yīng)力。 （2）本文應(yīng)用彈塑性熱應(yīng)力理論，并且考慮材料熱物理性能及力學(xué)性能隨溫度 變化，用 ansys 軟件分析 q235 鋼、鋼的對(duì)接焊縫的殘余應(yīng)力，掌握影響接頭殘余 應(yīng)力的主要因素。并提出了一些預(yù)防和減小殘余應(yīng)力的措施。 本文的工作還存在以下幾點(diǎn)不足，有待于今后進(jìn)一步改進(jìn)： （1）受到硬件條件的限制，本文采用的是二維模擬，不能夠完全真實(shí)的反映各 個(gè)方向的溫度分布和應(yīng)力分布； （2）由于材料物理性能數(shù)據(jù)的缺乏，本文認(rèn)為

48、兩種材料的線膨脹系數(shù)、熱導(dǎo)率 和比熱容是定值，這給最后分析結(jié)果帶來一定的誤差； （3）沒有考慮熱源問題，在某一層施焊時(shí)，即認(rèn)為給該層施加溫度約束，而不 是以熱流密度加載熱量，這也會(huì)給結(jié)果帶來一定誤差； （4）本文的方法還沒有很好的解決計(jì)算時(shí)間、存儲(chǔ)空間與計(jì)算精度的矛盾； （5）本文的方法沒有考慮高溫蠕變和輻射； （6）本文的方法沒有考慮熔池的流動(dòng)對(duì)焊接溫度場(chǎng)和應(yīng)力的影響； （7）本文沒有考慮對(duì)接接頭的焊接順序，認(rèn)為是在正反兩面同時(shí)施焊； （8）本文的實(shí)例計(jì)算結(jié)果沒有進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。 4.2 未來的展望 如何調(diào)整和控制焊接殘余應(yīng)力一直是工程界廣泛關(guān)注的問題，這是因?yàn)樗鼈兊拇?在直接關(guān)系到焊接結(jié)構(gòu)的

49、安全可靠性2930。但是目前對(duì)焊接的殘余應(yīng)力的研究還不是 很多，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者都越來越關(guān)注在焊接過程中所產(chǎn)生的殘余應(yīng)力的研究。在計(jì)算 機(jī)日益發(fā)展的今天，采用數(shù)值模擬方法預(yù)測(cè)焊接殘余應(yīng)力已經(jīng)取得了豐碩的成果。如 極厚板焊接殘余應(yīng)力分析以及為降低和調(diào)整管道結(jié)構(gòu)焊后內(nèi)表面殘余拉應(yīng)力所提出的 許多焊接工藝與方法已經(jīng)得到了應(yīng)用。這些都是采用過去常規(guī)的解析手段難以實(shí)現(xiàn)的。 但這還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足科學(xué)研究和實(shí)際工程的需要。例如，要用數(shù)值分析的方法控制實(shí) 際復(fù)雜焊接結(jié)構(gòu)的殘余應(yīng)力尚存在很多問題，目前一個(gè)比較重要的問題是材料性能， 特別是高溫時(shí)材料性能數(shù)據(jù)還很缺乏，給焊接殘余應(yīng)力數(shù)值分析帶來了許多困難。因 此，建立

50、相應(yīng)的材料特性數(shù)據(jù)庫(kù)，也會(huì)促進(jìn)焊接殘余應(yīng)力數(shù)值模擬技術(shù)的發(fā)展。其次， 由于焊接應(yīng)力場(chǎng)計(jì)算是屬于包括相變、塑性、非線性等多方面因素影響的熱彈塑性 問題，尤其是焊后冷卻過程中發(fā)生的相變體積膨脹，嚴(yán)重影響殘余應(yīng)力的分布。因此， 在關(guān)于焊接殘余應(yīng)力數(shù)值分析中應(yīng)該充分考慮到相變作用的影響。由于焊接應(yīng)力場(chǎng)計(jì) 算是屬于包括相變、塑性、非線性等多方面因素影響的熱彈塑性問題，尤其是焊后 冷卻過程中發(fā)生的相變體積膨脹，嚴(yán)重影響殘余應(yīng)力的分布。因此，在關(guān)于焊接殘余 應(yīng)力數(shù)值分析中應(yīng)該充分考慮到相變作用的影響31。 本文提出的對(duì)焊接對(duì)接接頭殘余應(yīng)力的模擬分析方法將能得到很大的發(fā)展，具有 廣闊的應(yīng)用前景。焊接熱應(yīng)力、殘

51、余應(yīng)力和變形的分析將會(huì)是定量的精確分析；通過 焊后殘余應(yīng)力、應(yīng)變的精確模擬，可以為后續(xù)的焊接接頭的強(qiáng)度、疲勞及裂紋等問題 的研究打下基礎(chǔ)，焊接溫度場(chǎng)的分析也可為后續(xù)的焊接過程和焊后顯微組織的分析做 前提的條件；焊接溫度場(chǎng)的分析方法可推廣運(yùn)用到熱處理的模擬分析中去3233。此外， 隨著各項(xiàng)技術(shù)的深入研究和發(fā)展，本文提出的模擬方法可利用有限元軟件的參數(shù)化語 言編寫程序，將各種焊接形式的模擬計(jì)算程序進(jìn)行封裝，建立一套焊接溫度場(chǎng)、應(yīng)力 和變形的數(shù)值模擬系統(tǒng)，通過計(jì)算機(jī)系統(tǒng)指導(dǎo)實(shí)際工作和生產(chǎn)，促進(jìn)焊接過程模擬技 術(shù)在工程中的應(yīng)用。 事實(shí)上，已有的數(shù)值模擬研究成果已經(jīng)使我們對(duì)復(fù)雜的焊接過程有了深入的了解，

52、 為解決異種接頭焊接殘余應(yīng)力帶來了新思路和新方法。因此，我們有理由相信，隨著 人們對(duì)焊接殘余應(yīng)力認(rèn)識(shí)的深入和計(jì)算機(jī)技術(shù)的高度發(fā)展，焊接殘余應(yīng)力數(shù)值模擬技 術(shù)具有廣闊的應(yīng)用前景，由異種接頭殘余應(yīng)力引起的接頭的失效問題也將得到很好的 解 致謝 本文能夠順利完成，與導(dǎo)師余海洲的悉心指導(dǎo)和精心的培養(yǎng)分不開的。對(duì)導(dǎo)師半 年來在學(xué)業(yè)、科研上的指導(dǎo)、關(guān)懷和幫助，作者表示衷心的感謝。導(dǎo)師嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài) 度、一絲不茍的工作作風(fēng)、謙和的待人方式以及自由的學(xué)術(shù)氛圍，無不給作者以深刻 的印象，必將對(duì)作者以后的發(fā)展產(chǎn)生重要的影響。導(dǎo)師的親切關(guān)懷和熱忱指導(dǎo)，作者 將銘刻在心。 在學(xué)習(xí)期間，還得到王杰、劉龍偉、王長(zhǎng)庚等同學(xué)的

53、大力幫助。在這里作者也深 深地感謝他們。 最后，衷心地感謝所有關(guān)心和幫助過我的老師和同學(xué) 參考文獻(xiàn) 1蔣滄如, 袁海慶. 有限單元法的理論與工程應(yīng)用. 武漢工業(yè)大學(xué)出版社, 1997. 2蔣滄如. 多孔工程材料極其力學(xué)行為. 武漢工業(yè)大學(xué)出版社, 1996. 3手勖成. 有限單元法.清華大學(xué)出版社, 2004. 4gb50205-2001. 鋼結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)鼉驗(yàn)收規(guī)范. 5中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)焊接學(xué)會(huì), 焊接手冊(cè)一焊接結(jié)構(gòu). 北京機(jī)械工業(yè)出版社, 2001. 6勒永強(qiáng), 伍明生. 鍋爐再熱器穿頂密封結(jié)構(gòu)焊開裂原因分析. 安全分析, 2005,22(9):47-49. 7游敏, 鄭小玲編著. 連接結(jié)

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