鋁合金搭接接頭焊接工藝設(shè)計

1、 畢業(yè)設(shè)計（論文）題 目 鋁合金搭接接頭焊接工藝設(shè)計專 業(yè) 班 級 學(xué) 生 學(xué) 號 指導(dǎo)教師 重慶交通大學(xué) 年目 錄摘 要IABASTRACTII前 言3第1章 鋁合金焊接必備知識51.1 鋁合金性能51.2 鋁合金分類51.3 鋁合金的焊接特點6第2章 有限元介紹72.1 有限元法概述72.2 有限元的發(fā)展82.3 有限元在焊接中的應(yīng)用及發(fā)展82.4 有限元軟件ABAQUS介紹92.4.1 ABAQUS簡介92.4.2 ABAQUS基本模塊及操作方法10第3章 焊接變形有限元分析理論113.1 焊接熱過程分析理論113.1.1 熱量傳遞三種基本方式113.1.2 焊接熱過程特點123.1.3

2、 熱傳導(dǎo)分析中的非線性133.1.4 非線性熱傳導(dǎo)有限元分析133.2 焊接殘余應(yīng)力和變形分析理論143.2.1 基本假設(shè)143.2.2 平衡方程153.3 ABAQUS熱應(yīng)力分析問題153.3.1 ABAQUS中的幾種熱邊界條件和熱載荷153.3.2 ABAQUS熱應(yīng)力分析類型16第4章 程序設(shè)計174.1 材料及焊件尺寸確定174.2 建立幾何模型174.3 材料定義及截面屬性的分配184.4 裝配194.5 定義分析步194.6 建立接觸204.7 創(chuàng)建載荷及預(yù)定義場214.8 劃分網(wǎng)格224.9 編寫子程序234.10 創(chuàng)建作業(yè)244.11 提交計算25第5章 計算結(jié)果分析265.1

3、溫度場計算結(jié)果及分析265.2 應(yīng)力應(yīng)變場計算結(jié)果分析325.2.1 應(yīng)力場計算結(jié)果及分析325.2.2 變形結(jié)果及分析34第6章 焊接方案37致 謝38參考文獻392016屆機械設(shè)計制造及其自動化專業(yè)論文摘 要焊接，作為一種重要的現(xiàn)代化加工手段，得到的焊件密封性好，結(jié)構(gòu)剛度大，且質(zhì)量相對較輕，可有效減輕產(chǎn)品結(jié)構(gòu)自重。但是，在焊接過程中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力和變形對焊件的影響非常巨大。本課題基于ABAQUS有限元軟件，同時考慮到材料非線性、幾何非線性和邊界條件非線性，采用熱-彈-塑性有限元法對焊接過程進行數(shù)值模擬。以4mm厚的6061-T6鋁合金搭接接頭為例，采用完全耦合熱應(yīng)力分析方法，同時進行溫度場

4、和應(yīng)力場的求解，得到焊件的溫度、應(yīng)力、應(yīng)變分布規(guī)律，并對結(jié)果進行分析，并根據(jù)最終結(jié)果得出工藝設(shè)計方案。關(guān)鍵字：焊接工藝，搭接接頭，殘余應(yīng)力，有限元，完全耦合，熱應(yīng)力分析ABASTRACTAs an important means of modern processing, Welding is used by various walks of life. With good sealing, good structural stiffness, and light weight, Weldment can effectively reduce the weight of the product

5、, and is good for energy conservation. But during the process of welding, residual stress and deformation of the weldment is very common, which have a big impact on weldment. Based on the finite element software ABAQUS, a thermal-elastic-plastic finite element method was applied in consider of mater

6、ial non-linearity, geometric non-linearity and boundary conditions non-linearity, to simulate welding process. Focus on 4mm thick 6061-T6 aluminum alloy lap joint, Fully coupling method was adopted. we made heat transfer analysis and thermal stress analysis at the same time, so we obtained temperatu

7、re, stress, strain distribution, which is exactly what we need to analyse.After that,we can get the welding process.Keywords：Welding process, lap joint，Residual stress, Finite element method, Fully coupling, Thermal stress analysis39前 言焊接，是指以加熱、加壓或兩者并用的方式使工件達到原子間的鍵和從而形成永久性連接的一種制造工藝及技術(shù)。共件，采用焊接連接方式，密封

8、性好，結(jié)構(gòu)剛度大，整體性好，且焊接產(chǎn)品比鑄件、鉚接件和鍛件重量輕，將其運用到汽車、高鐵、飛機等動力性機械上，可減輕產(chǎn)品自重，節(jié)約能量。因而焊接已成為現(xiàn)代工業(yè)中不可缺少的一種工藝手段，已廣泛運用到機械、電力、軍工、航天、高鐵、汽車等各個領(lǐng)域，作用日益重要。鋁合金具有較高的比強度、優(yōu)良的耐腐蝕性能和良好的工藝成形性，在近年得到越來越廣泛的運用。焊接作為一種高效的連接方式，在鋁合金的加工過程中占有重要地位。焊接過程其實就是一系列復(fù)雜的熱量傳遞過程，焊縫及焊接熱影響區(qū)的熱量分布直接關(guān)系到焊件的焊接性能和使用性能。熱量不足，焊縫區(qū)熔化不充分；熱量太多，將會導(dǎo)致熱影響區(qū)的過度軟化；熱量不均勻，焊后變形大。

9、在焊接過程中，熱源相對于工件在不停地移動，在某一時刻，工件只有局部受熱，故工件的加熱和傳熱過程是極不均勻的，這種不均勻溫度場是產(chǎn)生殘余應(yīng)力和焊后變形的關(guān)鍵因素。對焊接結(jié)構(gòu)而言，殘余應(yīng)力和焊后變形的影響是非常關(guān)鍵的。殘余應(yīng)力的大小和分布情況直接影響到焊件的脆性斷裂、應(yīng)力腐蝕開裂以及疲勞斷裂，焊接變形直接關(guān)系到焊接結(jié)構(gòu)的尺寸公差和形狀公差。所以對焊接溫度場、焊接殘余應(yīng)力和焊后變形的正確評估是非常重要的。而焊接是一個包括電弧物理、傳熱、冶金和力學(xué)的復(fù)雜過程，若采用傳統(tǒng)實驗法研究，由于影響因素太多會導(dǎo)致結(jié)果缺乏規(guī)律性，且用時長、成本高。而采用有限元法的熱結(jié)構(gòu)耦合功能分析焊接過程，能夠克服實驗法的缺點，

10、是研究焊接變形與殘余應(yīng)力變化規(guī)律的有效方法，為合理選擇焊接方式和工藝參數(shù)提供了依據(jù)。有限元單元法（Finite Element Method），簡稱有限元法，其核心思想是結(jié)構(gòu)的離散化，就是將實際結(jié)構(gòu)假想地離散為有限數(shù)目個規(guī)則單元的組合體，通過對離散體進行一系列分析，再進行整體分析，得到工程精度范圍內(nèi)的近似結(jié)果來替代對實際結(jié)構(gòu)的分析，這種方法可以解決很多理論分析無法解決的復(fù)雜問題。有限元法誕生于20世紀(jì)中葉，經(jīng)過幾十年的發(fā)展，有限元理論日趨完善，計算方法日趨成熟。同時伴隨著近幾十年來計算機技術(shù)的迅猛發(fā)展，基于計算機平臺的有限元軟件層出不窮、不斷完善，現(xiàn)世界各大公司已經(jīng)開發(fā)出了一大批通用和專用有限

11、元軟件，這些軟件的出現(xiàn)解決了眾多工程領(lǐng)域的計算難題，大大地減少了先期成本和風(fēng)險，實現(xiàn)了巨大的經(jīng)濟效益。ABAQUS是由世界知名的有限元分析軟件公司ABAQUS公司（2005年被法國達索公司收購，2007年公司更名為SIMULIA）于1978年推出，是一種通用有限元軟件，其最大的優(yōu)勢在于其強大的非線性分析系統(tǒng)，它能自動選擇合適的載荷增量和收斂準(zhǔn)則，在分析過程中對這些參數(shù)進行調(diào)整，保證結(jié)果的精確性。它擁有高達433種單元的豐富的單元庫，可以用于模擬各種復(fù)雜的幾何形狀，并且擁有豐富的材料模型庫，可用于模擬絕大多數(shù)的常見工程材料，如金屬、聚合物、橡膠、復(fù)合材料、鋼筋混凝土、可壓縮的彈性泡沫以及各種地質(zhì)

12、材料等。此外，ABAQUS使用起來非常簡便，很容易建立復(fù)雜問題的模型。對于大多數(shù)數(shù)值模擬，用戶只需要提供結(jié)構(gòu)的幾何形狀、邊界條件、材料性質(zhì)、載荷等工程數(shù)據(jù)即可。故ABAQUS已經(jīng)在世界范圍內(nèi)得到了廣泛的應(yīng)用，涉及機械、土木、水利、船舶、航空、電器、汽車等各個領(lǐng)域。焊接中的熱問題主要包括兩方面的內(nèi)容：傳熱問題（確定溫度場）和熱應(yīng)力問題（確定應(yīng)力應(yīng)變場）。本課題運用ABAQUS有限元軟件，采用完全耦合分析方法，同時進行溫度場和應(yīng)力場的求解，對6061-T6鋁合金搭接接頭的焊接過程進行數(shù)值模擬與分析，對搭接接頭焊接過程中溫度場變化問題、殘余應(yīng)力、焊接變形進行模擬，并對結(jié)果進行分析。第1章 鋁合金焊接

13、必備知識1.1 鋁合金性能鋁的比重是2.7，熔點為660，具有面心立方結(jié)構(gòu)，故具有很高的塑性，易于加工，可制成各種型材、板材。但是純鋁的強度和硬度很低，難以滿足工程結(jié)構(gòu)設(shè)計要求，常通過在鋁中加入一定的合金元素以得到強度和硬度更高的鋁合金。鋁合金是以鋁為基的合金系總稱，主要的合金元素為鋅、銅、鎂、硅、錳，次要元素有鎳、鋯、鈦、鋰、鐵等。按添加的合金元素和成材方式，鋁合金可以分為：變形鋁合金和鑄造鋁合金。按時效強化方式可分為：時效強化鋁合金、非時效強化鋁合金和鑄造鋁合金。與傳統(tǒng)的鋼鐵材料相比，鋁合金不僅具有較高的比強度、比模量、斷裂韌度、疲勞強度和優(yōu)良的耐腐蝕性能，而且還具有良好的工藝成形性，目前

14、已廣泛應(yīng)用于機械、化工、電力、軍工、航天、高鐵、汽車等各個領(lǐng)域。采用鋁合金代替鋼板材料的焊接，結(jié)構(gòu)重量可減輕50%以上。1.2 鋁合金分類在工業(yè)上，以4位數(shù)規(guī)格編號表示鋁合金材質(zhì)，對其進行分類：1系：含鋁99%以上，價格便宜，是最常用的一個系列；2系：銅鋁合金，硬度較高；3系：錳鋁合金，防銹功能較好；4系：硅鋁合金，低熔點，耐熱、耐磨性好；5系：鎂鋁合金，密度低，抗拉強度高，延伸率高，疲勞強度好；6系：鎂硅鋁合金，抗腐蝕、抗氧化性好，加工性好；7系：鋅鋁合金，耐磨性好，具有良好焊接性能。鋁合金的狀態(tài)代號，根據(jù)鋁合金熱處理狀態(tài)劃分，用一個英文大寫字母表示：O：退火狀態(tài)，適用于經(jīng)完全退火獲得最低強

15、度的加工產(chǎn)品F：制造狀態(tài)，適用于在成型過程中，對于加工硬化和熱處理條件無特殊要求的產(chǎn)品，H：加工硬化狀態(tài)，適用于通過加工硬化提高強度的產(chǎn)品，產(chǎn)品在加工硬化后可經(jīng)過（也可不經(jīng)過）使強度有所降低的附加熱處理。T：熱處理狀態(tài)，適用于熱處理后，經(jīng)過（或不經(jīng)過）加工硬化達到穩(wěn)定的產(chǎn)品。1.3 鋁合金的焊接特點 焊接是對于鋁合金結(jié)構(gòu)的一種重要加工工藝。常見的鋁合金焊接方法分為三類：熔化焊、壓力焊和釬焊。其中各種電弧焊、激光焊和電子束焊都屬于熔化焊；電阻焊和摩擦焊屬于壓力焊；應(yīng)用于電子行業(yè)及散熱器件的鋁合金多采用釬焊。其中，熔化焊是目前應(yīng)用最廣也是最重要的鋁合金焊接技術(shù)。然而，由于鋁合金材料具有熱導(dǎo)性好（約

16、是鋼鐵材料的3倍）、線膨脹系數(shù)大（約是鋼鐵材料的2倍）等特點，焊接時存在以下問題：（1）常溫常壓下鋁合金極易氧化，在表面生成一層附著力很強且難熔的氧化膜（Al2O3，其熔點為2060，遠高于純鋁熔點），氧化膜的存在不僅阻礙了電弧能量的傳遞，使得焊接過程的穩(wěn)定性變差，而且易形成焊縫夾渣和氣孔等缺陷；（2）鋁合金母材、焊件表面、保護氣、大氣環(huán)境和保護氣套管壁等都含有一定量的水分和氫，由于氫的溶解度在固液狀態(tài)下差別比較大，導(dǎo)致熔池中氫呈現(xiàn)出過飽和狀態(tài)，為焊縫形成氣孔提供了條件；（3）鋁合金屬于典型亞共晶合金，具有較寬的脆性溫度區(qū)間，而且線膨脹系數(shù)也大，熔池在快速凝固過程中容易在固相線高溫區(qū)附近形成熱

17、裂紋；（4）鋁合金的線膨脹系數(shù)較大，凝固收縮率約為6.6%，焊件的變形和殘余應(yīng)力比較大，而熱裂紋和殘余應(yīng)力正是影響焊接結(jié)構(gòu)疲勞性能的重要因素之一；（5）合金元素Mg的沸點（1090）遠遠低于鋁的沸點（2467），焊接時易發(fā)生嚴(yán)重的蒸發(fā)燒損，降低了其在焊縫中的組成，不利于強化相顆粒的形成，另外，合金元素Li的氧化性極強，是高強度Al-Li合金焊接時的一大問題；（6）由于鋁合金的熱導(dǎo)率和比熱容較大，相同板厚時，需要能量更集中、功率更大的熱源，有時還需要對焊件進行恰當(dāng)?shù)念A(yù)熱處理，這必然會導(dǎo)致鋁合金接頭的過度軟化，制造成本也會大幅提高；（7）鋁合金對光和熱的反射能力很強，在融化和冷卻凝固時，沒有明顯的

18、色澤變化，給焊接操作和熔池檢測帶來很大困難。第2章 有限元介紹2.1 有限元法概述有限元法（Finite Element Method,FEM）,從數(shù)學(xué)角度看，其基本思想是通過離散化的手段，將偏微分方程或者變分方程變換成代數(shù)方程求解。從力學(xué)角度看，其基本思想是通過離散化的手段，將連續(xù)體劃分為有限個小的單元體，并使他們在有限個節(jié)點上相互連接，在一定精度要求下，用有限個參數(shù)來描述每個單元的力學(xué)性能，整個連續(xù)體的力學(xué)性能可認為是這些小單元體力學(xué)特性的總和。由于大多數(shù)實際問題難以得到準(zhǔn)確解，而有限元不僅計算精度高，而且能適應(yīng)各種復(fù)雜形狀，因而成為非常有效的工程分析手段。對于不同物理性質(zhì)和數(shù)學(xué)模型的問題

19、，有限元法的基本步驟是一樣的，僅是具體的公式推導(dǎo)和求解運算不同。有限元法求解的基本步驟一般為：第一步：問題和求解域的定義：根據(jù)實際要求的問題近似確定求解域的物理性質(zhì)和幾何區(qū)域。第二步：將求解域離散化：將求解域等效為有限個大小和形狀相似，且彼此相連的單元組成的離散域，一般稱之為有限元網(wǎng)格劃分。單元越小，網(wǎng)絡(luò)越細，離散域的近似程度越好，計算結(jié)果也越精確，但增加了計算量，誤差也將增大。因此正確、合適的離散化是有限元法的核心技術(shù)之一。第三步：狀態(tài)變量和控制方法的確定：通常，一個具體的物理問題可以用一組包含狀態(tài)變量邊界條件的微分方程式表示，為利于有限元求解，一般將微分方程化為等效等價的泛函形式。第四步：

20、單元推導(dǎo)：為有限元單元構(gòu)造一個合適的近似解，即推導(dǎo)有限單元的列式，包括選擇合理的單元坐標(biāo)系、建立單元試函數(shù)、給出單元各狀態(tài)變量的離散關(guān)系，從而形成單元矩陣，即單元剛度矩陣。為保證問題的解能夠得到收斂，單元推導(dǎo)過程中要遵循很多原則。對工程應(yīng)用而言，重要的是注意每種單元的解題性能與約束。例如，劃分單元應(yīng)該盡量規(guī)則，因為畸形單元不僅精度低，而且有缺秩的危險，可能會導(dǎo)致無解。第五步：總裝求解：將單元剛度矩陣聯(lián)合形成離散域的總矩陣方程，即整體剛度矩陣。離散域要滿足近似求解域的要求，則各個單元函數(shù)的連續(xù)性需要滿足特定的連續(xù)條件，因為總裝是在各個單元相鄰結(jié)點上進行的，故狀態(tài)變量及其導(dǎo)數(shù)的連續(xù)性建立在結(jié)點處。

21、第六步：聯(lián)立求解方程組和檢驗結(jié)果：有限元法最終求解結(jié)果是總體聯(lián)立方程組?？赏ㄟ^直接法、選代法和隨機法求解方程組，求解得到的結(jié)果是各個單元結(jié)點處狀態(tài)變量的近似值。所以對于計算結(jié)果的質(zhì)量，需要通過設(shè)計要求提供的允許值范圍來比較、評價并確定是否需要重復(fù)計算?？偠灾?，有限元分析大致可分為三個階段：前處理、分析計算和后處理。前處理階段主要是定義物理問題的有限元模型，完成單元網(wǎng)格的劃分；分析計算階段則是求解一系列方程組，由單元剛度矩陣推導(dǎo)求解整體剛度矩陣；后處理階段則是對分析結(jié)果進行處理，使用戶能夠方便地提取計算信息，了解計算結(jié)果。2.2 有限元的發(fā)展有限元的概念早在幾個世紀(jì)前就已產(chǎn)生并得到了應(yīng)用，例如

22、用多邊形（有限個直線單元）逼近圓來求得圓的周長，但作為一種方法而被提出，則是最近的事。1943年courant在論文中取定義在三角形域上分片連續(xù)函數(shù)，利用最小勢能原理研究St.Venant的扭轉(zhuǎn)問題。1960年clough的平面彈性論文中用“有限元法”這個名稱。1965年馮康發(fā)表了論文“基于變分原理的差分格式”，這篇論文是國際學(xué)術(shù)界承認我國獨立發(fā)展有限元方法的主要依據(jù)。有限元法最初被稱為矩陣近似方法，應(yīng)用于航空器的結(jié)構(gòu)強度計算，并由于其方便性、實用性和有效性而引起從事力學(xué)研究的科學(xué)家的濃厚興趣。經(jīng)過短短數(shù)十年的努力，隨著計算機技術(shù)的快速發(fā)展和普及，有限元的理論日趨完善，有限元方法迅速從結(jié)構(gòu)工程

23、強度分析計算擴展到幾乎所有的科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，成為一種豐富多彩、應(yīng)用廣泛并且實用高效的數(shù)值分析方法?，F(xiàn)已開發(fā)了一批通用和專用有限元軟件，這些軟件的出現(xiàn)解決了眾多領(lǐng)域的工程計算難題，大大地減少了先期成本和風(fēng)險，實現(xiàn)了巨大的經(jīng)濟效益。2.3 有限元在焊接中的應(yīng)用及發(fā)展焊接是一個非平衡快速凝固結(jié)晶的特殊熱力學(xué)過程，基體金屬的迅速融化和急速冷卻導(dǎo)致膨脹與收縮，在焊后結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生殘余應(yīng)力與焊接變形。這種不均勻的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)會嚴(yán)重影響接頭性能。為揭示殘余應(yīng)力和變形的分布規(guī)律，首先需要確定焊接溫度場。然而要準(zhǔn)確測定局部區(qū)域內(nèi)三維動態(tài)熱應(yīng)力應(yīng)變和溫度，不僅需要昂貴復(fù)雜的專業(yè)設(shè)備，而且難以得到信息的原位反饋。自從19

24、66年Wilson和Nickell將有限元法應(yīng)用于固體熱傳的分析計算后，有限元法分析的優(yōu)勢便迅速在焊接溫度場的求解中得到認可。1975年加拿大的Paley編制了可分析非矩形截面的單道、雙道U和V型開坡口的焊接溫度場的分析程序，確立了有限單元法應(yīng)用于焊接溫度場的地位。美國的Krutzy在其1976年的博士論文中專門研究利用焊接溫度場預(yù)測接頭的強度問題，獲得了非線性溫度場。而對于三維焊接過程分析，國內(nèi)外也是近20年才開始研究。1994年，上海交通大學(xué)汪建華等人和日本大阪大學(xué)合作對三維焊接溫度場進行了一系列的研究，探究了焊接溫度場的特點及提高分析精度的若干途徑。有限元數(shù)值模擬不但可快速得到焊接件在焊

25、接過程中的瞬時熱應(yīng)力變化，而且可以直接獲得最后的殘余應(yīng)力分布于焊接變形，已經(jīng)成為工程設(shè)計和分析必不可少的工具。對于焊接生產(chǎn)技術(shù)的研究，已由之前的“理論試驗生產(chǎn)”模型，朝著“理論數(shù)值模擬生產(chǎn)”模型轉(zhuǎn)變。但是，運用有限元進行焊接分析仍然存在一些問題：例如，要用有限元法控制實際復(fù)雜焊接結(jié)構(gòu)的殘余應(yīng)力尚存在很多問題，目前一個比較重要的問題是材料性能，特別是高溫時材料性能數(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。其次，由于焊接應(yīng)力場計算是屬于包括相變、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)

26、該充分考慮到相變作用的影響。事實上，已有的數(shù)值模擬研究成果已經(jīng)使我們對復(fù)雜的焊接過程有了深入的了解，為解決焊接殘余應(yīng)力帶來了新思路和新方法。因此，我們有理由相信，隨著人們對焊接殘余應(yīng)力認識的深入和計算機技術(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。2.4 有限元軟件ABAQUS介紹2.4.1 ABAQUS簡介ABAQUS是由世界知名的有限元分析軟件公司ABAQUS公司（2005年被法國達索公司收購，2007年公司更名為SIMULIA）于1978年推出，經(jīng)過三十幾年的不斷發(fā)展和完善，現(xiàn)不僅能進行有效的靜態(tài)和準(zhǔn)靜態(tài)分析、模態(tài)分析、瞬態(tài)分析、彈塑性分析、接觸分析、碰撞和沖擊分析、爆炸分

27、析、斷裂分析、屈服分析、疲勞和耐久性分析等結(jié)構(gòu)和熱分析，而且可以進行流固耦合分析、壓電和熱電耦合分析、聲場和聲固耦合分析、熱固耦合分析、質(zhì)量擴散分析等。ABAQUS基于其高達433 種單元的單元庫，可以用于模擬各種復(fù)雜的幾何形狀，并且擁有豐富的材料模型庫，可用于模擬絕大多數(shù)的常見工程材料，如金屬、聚合物、復(fù)合材料、橡膠、可壓縮的彈性泡沫、鋼筋混凝土以及各種地質(zhì)材料等。此外，ABAQUS使用非常簡便，很容易建立復(fù)雜問題的模型。對于大多數(shù)數(shù)值模擬，用戶只需要提供結(jié)構(gòu)的幾何形狀、邊界條件、材料性質(zhì)、載荷等工程數(shù)據(jù)。ABAQUS最大的優(yōu)勢在于其強大的非線性分析系統(tǒng)，它能自動選擇合適的載荷增量和收斂準(zhǔn)則

28、，在分析過程中對這些參數(shù)進行調(diào)整，保證結(jié)果的精確性。目前，ABAQUS在很多國家得到了廣泛的應(yīng)用，涉及機械、土木、水利、船舶、航空、電器、汽車等各個領(lǐng)域。近年來，我國的ABAQUS用戶也迅速增長，使得ABAQUS在大量的高科技產(chǎn)品的研發(fā)中發(fā)揮了巨大的作用。2.4.2 ABAQUS基本模塊及操作方法ABAQUS/CAE劃分為一系列功能模塊，每個模塊只包含有與模擬作業(yè)的某一指令部分相關(guān)的一些工具，模塊列表中的次序與創(chuàng)建一個分析模型的邏輯次序是一樣的，分別為：1）部件：在ABAQUS/CAE環(huán)境下用圖形工具生成或從第三方軟件導(dǎo)入幾何模型；2）屬性：定義材料性質(zhì)和截面幾何形狀，為部件分配截面屬性；3）

29、裝配：創(chuàng)建部件實例，使所有實例相對于其他部件定位于總體坐標(biāo)系中，構(gòu)成一個裝配件；4）分析步：構(gòu)建分析步驟和輸出需求；5）相互作用：指定模型各區(qū)域之間或與周圍環(huán)境間的力學(xué)或者熱力學(xué)方面的相互作用；6）載荷：指定載荷、邊界條件和場變量及其所在分析步；7）網(wǎng)格：利用各層次上的自動劃分和控制工具生成滿足需要的網(wǎng)格；8）作業(yè)：提交、管理并監(jiān)控分析作業(yè)；9）可視化：以簡單、動態(tài)的圖像顯示有限元模型及分析結(jié)果。第3章 焊接變形有限元分析理論3.1 焊接熱過程分析理論3.1.1 熱量傳遞三種基本方式熱量傳遞主要有三種方式：熱傳導(dǎo)、熱對流和熱輻射。這三種熱量傳遞方式的物理本質(zhì)是不一樣的，實際工程中的熱傳遞現(xiàn)象一

30、般是三種方式的綜合作用結(jié)果。（1）熱傳導(dǎo)熱傳導(dǎo)，指直接接觸的物體或同一物體各部分之間的熱量傳遞現(xiàn)象。其機理是不同溫度的物體或同一物體不同溫度的各部分之間，分子動能的相互傳遞，即動能較大的分子把能量傳給鄰近動能較小的分子。從宏觀上表現(xiàn)為熱量由高溫物體傳遞給低溫物體，但不存在物質(zhì)的宏觀移動。均質(zhì)固體中的熱傳導(dǎo)遵循傅里葉定律： 式（3-1）：熱流密度（w/m2）,單位時間內(nèi)通過單位面積的熱量； ：溫度梯度(K/m)，溫度場中任意點溫度沿等溫面法線n方向的增加率；：導(dǎo)熱系數(shù)(w/(mK)，指單位厚度的材料兩側(cè)表面在單位溫差下及單位時間內(nèi)，通過單位面積傳遞的熱量，主要取決于物質(zhì)種類、結(jié)構(gòu)、物理狀態(tài)以及溫

31、度、濕度、密度等，其中溫度對導(dǎo)熱系數(shù)的影響尤為重要。（2）熱對流熱對流，是由于流體的宏觀運動使不同溫度的流體發(fā)生相對位移而引起的熱量轉(zhuǎn)移現(xiàn)象。熱對流只能發(fā)生在流體中，常常在工程上遇到的不是單純的對流方式，而是對流和導(dǎo)熱聯(lián)合作用的方式，這種方式稱為對流換熱。對流換熱既具有流體分子間的微觀導(dǎo)熱作用，也具有流體宏觀位移的熱對流作用，所以對流換熱過程必然受到導(dǎo)熱規(guī)律和流體流動規(guī)律的支配。換句話說，它與流體的流動物性和換熱壁面的幾何尺寸、形狀有密切關(guān)系，因而是一個復(fù)雜的傳熱過程，遵循牛頓冷卻公式： 式（3-2）qwc：熱流密度（w/m2）,單位時間內(nèi)通過單位面積的熱量；Tw：固體壁面溫度（K）；Tf：流

32、體溫度(K)；hc：對流換熱系數(shù)（w/(m2K)，指單位面積上，流體與壁面之間在單位溫差下及單位時間內(nèi)所能傳遞的熱量,其與物體的熱導(dǎo)率、密度、比熱容、形狀、尺寸，及其流動形態(tài)、成因等有關(guān)。（3）熱輻射熱輻射，是一種是在能量傳遞過程中伴隨有能量形式轉(zhuǎn)化（熱能與輻射能之間轉(zhuǎn)化）的非接觸式傳遞能量的方式，區(qū)別于導(dǎo)熱、對流這兩種需要物質(zhì)傳遞熱量的方式，熱輻射不需要傳熱介質(zhì)，即使是在真空中，熱輻射也照常能進行。從微觀角度講，物體之所以產(chǎn)生輻射熱交換，是由于物體中的分子、原子、電子等微粒的能級發(fā)生變化時，以光子的形式對外發(fā)射能量，光線照射到物體上,光子把能量傳遞給分子,加劇分子的無規(guī)則熱運動。輻射能投射到

33、物體上時，其中一部分被物體吸收，一部分被物體反射，另一部分透過物體。影響熱輻射線吸收和反射的主要因素是物體的表面粗糙度，表面粗糙度越大，物體對熱射線的吸收能力也越大。對于灰體(即黑度為)，其熱輻射規(guī)律可用斯蒂芬波茲曼定律表示為： E=0T4 式（3-3）E：輻射密度(w/m2)，物體單位表面積單位時間內(nèi)發(fā)射的一切波長射線所攜帶的能量；：輻射率，即黑度系數(shù)，在0-1之間，表面越光，則越小；0 : 波茲曼常數(shù)，約為5.6710-8 w/(m2k4)；T：熱力學(xué)溫度（K）。3.1.2 焊接熱過程特點（1）焊接熱過程具有瞬時性，因為在高度集中的熱源作用下，加熱時間極短，速度極快，即要在很短的時間內(nèi)迅速

34、把熱量傳遞給焊件；（2）焊接過程中，熱源相對焊件是運動的，焊接時焊件受熱區(qū)域不斷的變化，使得焊接傳熱過程極不穩(wěn)定；（3）焊接熱過程發(fā)生在局部，焊件的加熱并不是整體，而是熱源直接作用的附近區(qū)域，所以加熱極不均勻；（4）焊接熔池中的熔融金屬并非靜止不動，而是在強烈的運動著，同時發(fā)生一系列復(fù)雜的物化反應(yīng)。在熔池內(nèi)部，熱量傳遞以流體對流為主，熔池外部以固體導(dǎo)熱為主。除此之外，在焊件的外表面上還發(fā)生著與與空氣的對流換熱和輻射換熱。因此，焊接過程涉及到上述三種基本傳熱方式，屬于復(fù)合傳熱問題。3.1.3 熱傳導(dǎo)分析中的非線性1）材料非線性: a.導(dǎo)熱系數(shù)是溫度的函數(shù)；b.比熱容是溫度的函數(shù)；c.潛熱效應(yīng)，是

35、一種很強的非線性。2）邊界條件非線性:a.具有輻射邊界條件，有時也是一種很強的非線性；b.換熱系數(shù)是溫度的函數(shù)；c.任何熱流邊界條件中，熱流是溫度的函數(shù)。3.1.4 非線性熱傳導(dǎo)有限元分析焊接過程溫度場分析問題是典型的非線性瞬態(tài)熱傳導(dǎo)問題，因此，在進行有限元分析時，假定一個單元內(nèi)節(jié)點溫度呈線性分布狀態(tài)，然后再根據(jù)變分原理推導(dǎo)出節(jié)點溫度的一階常系數(shù)微分方程組。然后在時間域上用有限差分法把它化成節(jié)點溫度線性代數(shù)方程組的遞推公式，然后把每個單元矩陣疊加起來形成節(jié)點溫度線性方程組，從而求得節(jié)點溫度值。用有限元分析熱傳導(dǎo)過程，其實是把一個熱傳導(dǎo)微分問題轉(zhuǎn)化為了變分問題，對實體結(jié)構(gòu)進行有限元分割，把變分問

36、題近似表達為線性方程，然后求解線性方程組，把所得到的解作為熱傳導(dǎo)問題的近似解。 （1） 空間域的離散 式（3-4）這樣包含空間域和時間域的偏微分方程問題在空間域被離散成有 N 個節(jié)點的常微分初值解問題。其中，K為傳導(dǎo)矩陣，包括熱導(dǎo)系數(shù)、熱對流、對流系數(shù)及輻射率和形狀系數(shù)，C為比熱矩陣，考慮系統(tǒng)內(nèi)能的增加和減少，T為節(jié)點溫度列向量，T為溫度對時間的導(dǎo)數(shù)，Q為節(jié)點熱流率向量，包含熱生成。如果材料熱物理性能隨溫度變化，如K(t),C(r)等，則為非線性熱分析，稱為材料非線性。非線性熱分析的熱平衡矩陣方程為： 式（3-5）（2）時間域的離散離散方程包含對時間的一階微分方程，對時間離散較為簡單，假定時間

37、域用等時間間距t離散，并且tn時刻空間域 V 內(nèi)各點溫度值已知，邊界條件也給定，這樣就有 式（3-6）式中為加權(quán)系數(shù)，將離散方程代入上式得： 式（3-7）一旦給定初值，就可以用上述公式求出時間域內(nèi)任意時刻tn時空間域 V 內(nèi)的溫度分布。3.2 焊接殘余應(yīng)力和變形分析理論殘余應(yīng)力指當(dāng)所有外載荷卸載后仍然殘留在物體內(nèi)部的應(yīng)力。焊接殘余應(yīng)力是由于在焊接過程中局部熱源的加載產(chǎn)生的局部熔化而引起的不均勻溫度分布，同時不均勻的溫度分布也會導(dǎo)致熱應(yīng)變和局部的塑性變形。焊接殘余應(yīng)力源于受阻收縮過程、淬火過程和相變過程。受阻收縮占主導(dǎo)因素，它可以通過熱膨脹系數(shù)和溫度差來計算。由其他兩個因素導(dǎo)致的殘余應(yīng)力通常與由

38、收縮導(dǎo)致的殘余應(yīng)力同時存在。焊件的殘余應(yīng)力狀態(tài)主要取決于產(chǎn)生的溫度梯度的嚴(yán)重性和限制焊件熱變形的約束的自由度，并且它以平衡內(nèi)部殘余應(yīng)力和焊接變形的組合為主要特征。 按照殘余應(yīng)力的定義，平衡條件下截面內(nèi)的殘余應(yīng)力可以用如下公式來表示 式（3-8）在任何一個截平面內(nèi)， 式（3-9） 其中,為 Cauchy應(yīng)力，可以表示為 式（3-10） 分別是沿 X、Y、Z 平面的應(yīng)力分量，分別是切變應(yīng)力分量，A 是截面面積，M 是殘余應(yīng)力力矩。3.2.1 基本假設(shè)如前所述，焊接應(yīng)力應(yīng)變分析的過程中存在著一系列材料非線性、幾何非線性以及邊界條件非線性等問題，因此要準(zhǔn)確模擬焊接過程是一個十分復(fù)雜的課題。所以，在進行

39、焊接數(shù)值模擬時，通常將焊接熱應(yīng)力場簡化為材料非線性瞬態(tài)問題，選用彈塑性力學(xué)模型和增量理論來進行模擬計算。在熱彈塑性理論的基礎(chǔ)上做如下假定： （1）材料的屈服行為服從米賽斯屈服準(zhǔn)則； （2）塑性區(qū)內(nèi)材料的行為服從流動準(zhǔn)則和強化準(zhǔn)則； （3）材料的彈性應(yīng)變、塑性應(yīng)變和熱應(yīng)變是可分的； （4）與溫度有關(guān)的力學(xué)性能和應(yīng)力應(yīng)變，在微小的時間增量里呈線性變化。3.2.2 平衡方程針對結(jié)構(gòu)的某一個單元，平衡方程可以表述為： 式（3-11）式中，為單元節(jié)點上外載荷的增量；為溫度引起的單元初應(yīng)變等效節(jié)點力增量；為節(jié)點位移增量；為單元剛度矩陣。 式（3-12）式中，為彈性矩陣，為單元應(yīng)變轉(zhuǎn)換矩陣。單元平衡方程建立

40、了單元節(jié)點力與節(jié)點位移之間的關(guān)系。對每個單元都可以建立單元平衡方程，將所有的單元平衡方程集合在一起，就得到了整個焊件的整體平衡方程： 式（3-13）式中，為結(jié)構(gòu)的整體剛度矩陣，為整個結(jié)構(gòu)上節(jié)點力分量列陣，其中，。通常認為，焊接過程中無外力作用，圍繞每個節(jié)點的單元對應(yīng)節(jié)點的力是自平衡的力系，則，因此有。3.3 ABAQUS熱應(yīng)力分析問題3.3.1 ABAQUS中的幾種熱邊界條件和熱載荷1）在某些節(jié)點上預(yù)設(shè)溫度；2）在某些點上或者某些表面上或者體積內(nèi)預(yù)設(shè)熱率；3）在某些點上或者某些表面上的邊界層（薄膜）條件；4）在某些點上或者某些表面上的輻射條件；5）自然邊界條件(默認)。3.3.2 ABAQUS

41、熱應(yīng)力分析類型根據(jù)傳熱問題的分類和邊界條件的不同，可以將熱分析分成幾種類型：與時間無關(guān)的穩(wěn)態(tài)熱分析和與時間有關(guān)的瞬態(tài)熱分析；材料參數(shù)和邊界條件不隨溫度變化的線性傳熱，材料和邊界條件對溫度敏感的非線性傳熱。 ABAQUS 提供三種熱應(yīng)力分析程序：1）順序耦合熱應(yīng)力分析：是最常用的方法。該類分析中應(yīng)力應(yīng)變場取決于溫度場，但溫度場不受應(yīng)力應(yīng)變影響，需要跑兩個分析: 先進行熱傳導(dǎo)分析，再將所求得的溫度場作為輸入，進行熱應(yīng)力分析，得到應(yīng)力應(yīng)變場。2）完全耦合熱應(yīng)力分析：常用方法。該類分析應(yīng)力依賴于溫度場，并且溫度也依賴于應(yīng)力應(yīng)變場。溫度場與應(yīng)力應(yīng)變場之間相互作用，只需要跑一個分析，同時求解。3）絕熱分析

42、：該類分析中模型溫度場不受應(yīng)力應(yīng)變場的影響，這個分析的目的是模擬機械的變形產(chǎn)生局部的熱量，但是時間很短，熱傳導(dǎo)不明顯. 第4章 程序設(shè)計本課題基于ABAQUS軟件，對搭接接頭焊接進行有限元模擬分析。在ABAQUS/CAE環(huán)境中，建立鋁合金搭接接頭的有限元模型，包括搭接接頭材料模型的建立、有限元網(wǎng)格劃分、定義邊界條件等，現(xiàn)在結(jié)合本課題具體闡述以上內(nèi)容。4.1 材料及焊件尺寸確定所選焊件母材為6061-T6鋁合金，密度為2730 kg/m，泊松比為0.33，其物理性能參數(shù)和力學(xué)性能參數(shù)隨溫度變化情況如表4-1所示；兩塊工件尺寸都為100504mm。表4-1 6061-T6鋁合金物理性能與力學(xué)性能參

43、數(shù)隨溫度變化情況溫度/彈性模型/GPa導(dǎo)熱系數(shù)/wm-1-1比熱容/Jkg-1-1熱膨脹系數(shù)/10-6-1屈服強度/MPa256916789623.62761006617090024.026020060190105024.513530056205110025.22540040220115025.91050022230120027.076002260125028.054.2 建立幾何模型打開ABAQUS軟件，進入part模塊，點擊工具區(qū)“創(chuàng)建部件”命令，使用默認名“part-1”，選擇類型為“三維、可變形、實體、拉伸”，在草圖模塊下創(chuàng)建部件模型,如圖4.1所示。圖4.1 生成部件在菜單欄點擊mo

44、del，選擇edit attribute，設(shè)置絕對零度-273.15，波茲曼常數(shù)5.6710-8。4.3 材料定義及截面屬性的分配隨著焊接的進行，焊件溫度不停地發(fā)生變化，焊件材料的物理性能參數(shù)和力學(xué)性能參數(shù)也隨溫度的變化而變化。點擊“創(chuàng)建材料”，命名為“AL”，設(shè)置各項參數(shù)時勾選“使用與溫度相關(guān)數(shù)據(jù)”，將不同溫度下的各項參數(shù)輸入表格中，包括導(dǎo)熱系數(shù)、比熱容、彈性模量、熱膨脹系數(shù)、屈服強度，完成材料創(chuàng)建,如圖4.2所示。然后點擊“創(chuàng)建截面”,命名使用默認值“section-1”，選擇“實體、均勻”，將材料“AL”賦于改截面。點擊“分配截面”，選擇整個部件，將截面“section-1”賦于部件。圖

45、4.2 創(chuàng)建材料4.4 裝配進入assembly模塊，點擊“將部件實例化”,選擇“part-1”，形成統(tǒng)一坐標(biāo)下的裝配件。在一個ABAQUS/CAE模型中，有且只能有一個裝配件。4.5 定義分析步進入step模塊。焊接主要包括加熱和冷卻兩個過程，故創(chuàng)建兩個分析步，分別命名為“heating”、“cooling”，類型都為“溫度-位移耦合”，打開“幾何非線性”。heating代表加熱過程，時間長度為50秒， cooling代表冷卻過程，時間長度為500秒。具體設(shè)置如圖4.3所示。（a）分析步（b）heating分析步（c）cooling分析步圖4.3 創(chuàng)建分析步4.6 建立接觸如前所述，焊接過程

46、中的熱量傳遞不僅僅是熱傳導(dǎo)，同時還存在著熱對流及熱輻射，故在heating分析步中創(chuàng)建熱對流及熱輻射邊界條件,選擇整個實體，如圖4.4所示。（a） 定義熱對流邊界條件（b） 定義熱輻射邊界條件圖4.4 創(chuàng)建接觸4.7 創(chuàng)建載荷及預(yù)定義場在初始分析步中創(chuàng)建預(yù)定義場，選擇整個實體，設(shè)置初始溫度為20，如圖4.5。圖4.5 創(chuàng)建預(yù)定義場創(chuàng)建邊界條件，模擬焊接過程中的邊界約束，具體約束情況如圖4.6所示。圖4.6 創(chuàng)建邊界約束在heating分析步下創(chuàng)建一個體熱流載荷，選擇整個實體，分布類型選擇用戶自定義,大小設(shè)置為1，如圖4.7所示。圖4.7 創(chuàng)建體熱流載荷4.8 劃分網(wǎng)格由于靠近焊縫附近所受到的熱

47、作用更明顯，為重點研究區(qū)域，為保證精度，對該區(qū)域加密網(wǎng)格劃分，遠離焊縫區(qū)域的網(wǎng)格可適當(dāng)劃分稀疏。因此在為邊布種時，采用“單向、按數(shù)量”方式，從邊緣至焊縫依次加密。本課題采用的是完全耦合熱應(yīng)力分析法，故選擇族類型為“溫度-位移耦合”，默認的單元類型為8節(jié)點熱耦合單元C3D8T，單元形狀選擇六面體單元，然后點擊“mesh part”，完成網(wǎng)格劃分。點擊檢查網(wǎng)格，選擇整個部件進行檢查，得到的數(shù)據(jù)為：節(jié)點數(shù)9996，單元數(shù)7200，結(jié)果如圖4.8所示。圖4.8 劃分網(wǎng)格4.9 編寫子程序本課題使用橢球體熱源模擬焊接過程，熱流密度為2000 J/(m2s)，焊接速度為0.01m/s，（x0，y0，z0）

48、代表熱源起始點坐標(biāo)，a、b、c代表熱源的半軸長度，（0,0,0）為起點熱源中心坐標(biāo)，將其命名為“reyuan”,具體子程序如下： SUBROUTINE DFLUX(FLUX,SOL,JSTEP,JINC,TIME,NOEL,NPT,COORDS,JLTYP, 1 TEMP,PRESS,SNAME)C INCLUDE ABA_PARAM.INC parameter(one=1.d0) DIMENSION COORDS(3),FLUX(2),TIME(2) CHARACTER*80 SNAMEq=2000v=0.01d=v*TIME(2)x=COORDS(1)y=COORDS(2)z=COORDS

49、(3)x0=0.0015y0=0.003z0=0a=0.01b=0.02c=0.002PI=3.1415heat=6*sqrt(3.0)*q/(a*b*c*PI*sqrt(PI)shape=exp(-3*(y-y0)*2/c*2-3*(z-z0-d)*2/b*2-3*(x-x0)*2/a*2)C JLTYP1，表示為體熱源JLTYP=1if (JSTEP. eq. one) then FLUX(1)=heat*shape endif RETURN END4.10 創(chuàng)建作業(yè)點擊“創(chuàng)建作業(yè)”，將其命名為“job-1”，點擊“繼續(xù)”，在“通用”欄下面點擊“用戶子程序文件”右邊的按鈕，選擇上一步編輯的

50、“reyuan.for”子程序文件，點擊“ok”，如圖4.9所示。在作用管理器里面，點擊“創(chuàng)建作業(yè)”，輸出名為“job-1”的inp文件。圖4.9 提交計算4.11 提交計算將輸出的job-1.inp文件和reyuan.for子程序文件放入同一個文件夾下，在abaqus command窗口提交，具體輸入內(nèi)容如圖4.10所示。圖4.10 提交計算第5章 計算結(jié)果分析5.1 溫度場計算結(jié)果及分析焊接開始、焊接中、焊后散熱和散熱結(jié)束后，不同時刻的溫度場云圖如圖5.1所示。(a) 加熱0s時的溫度場云圖(b) 加熱10s時的溫度場云圖(c) 加熱50s時的溫度場云圖(d) 冷卻5s時的溫度場云圖(e)

51、 冷卻100s時的溫度場云圖(f) 冷卻220s時的溫度場云圖(g)冷卻500s時的溫度場云圖圖5.1 不同時刻的溫度場云圖可見，隨著熱源沿著焊縫的移動，搭接接頭上各節(jié)點溫度隨時間不停地發(fā)生變化，由于焊接加熱是瞬態(tài)溫度，所以在開始時刻，溫度較低，且不太穩(wěn)定。隨著焊接繼續(xù)進行，溫度逐漸趨于穩(wěn)定，形成準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)溫度場，此時溫度場內(nèi)等溫線呈橢圓形分布。根據(jù)高速移動焊接熱源特有的準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)及熱飽和現(xiàn)象，可以判定之前時間增量步的設(shè)置和網(wǎng)格的劃分達到了精度要求，故溫度場的模擬是比較準(zhǔn)確的。圖（a）至圖（c）表示焊接加熱過程。圖（a）表示焊接即將開始時的溫度分布，很明顯可以看出，此時搭接接頭各個部位的溫度一致，都為環(huán)境溫度20；圖（b）表示焊接進行到第10s時的溫度分布，可以看出，熱源直接作用的部位溫度達到最高，高溫從焊縫熱源中心向周圍成梯度橢圓狀擴散，周圍區(qū)域的溫度逐漸升高，離焊縫越近，溫度越高；圖（c）表示加熱過程剛剛結(jié)束時的溫度分布，從圖中可以看出，此時代表最高溫度的紅色區(qū)域溫度已經(jīng)達到701，同時，起點位置由于最先接受熱源的作用，此時溫度已明