鋼結(jié)構(gòu)十字形節(jié)點固有應變的

第1章課題的研究歷史與現(xiàn)狀1.1課題研究背景20世紀40年代，前蘇聯(lián)的奧凱爾勃洛姆就對焊接變形與應力的起因和分類進行了研究，建立了確定焊接變形和應力的理論方法。但是焊接涉及的諸多現(xiàn)象和參數(shù)都是瞬時、不均勻分布和強烈非線性的，因而無法對焊接過程給出精確描述。早期的研究都進行了很大程度的簡化，以溫度場為基礎，對材料、幾何和工藝參數(shù)進行一定假設，在特定的條件下進行分析，并通過試驗對理論分析的結(jié)果進行修正。多年來，國內(nèi)外學者和專家對焊接變形與應力進行了大量的研究。特別是近年來隨著數(shù)值方法和計算機技術(shù)的發(fā)展，許多原來難以解決的問題有了實現(xiàn)的可能，也取得了不少研究成果。從最初的解析法，到現(xiàn)在常用的熱彈塑性法、固有應變法，都離不開計算機和有限元理論的發(fā)展。理論上對焊接過程進行有限元分析可以采用更復雜的理論和模型，并考慮多種過程的耦合效應，其中所涉及的參數(shù)也可更加接近生產(chǎn)實際，從而分析復雜的焊接結(jié)構(gòu)和動態(tài)的焊接過程，得到相當精確的數(shù)值解。對焊接變形的控制也取得了較大的進展，盡管實際生產(chǎn)中仍以經(jīng)驗性的工藝措施為主，但是已經(jīng)出現(xiàn)了一些理論性的研究，并且取得了較為精確的數(shù)值模擬成果。1.2焊接變形預測焊接中常用的電弧焊是一個不均勻的、以一定速度移動的加熱和冷卻過程。在此過程中，在不同的瞬時，有些點有著不同的溫度分布，既不同的焊接熱循環(huán)。這種情況使物體產(chǎn)生熱脹冷縮這一簡單的物理現(xiàn)象，在被焊的結(jié)構(gòu)中，產(chǎn)生了復雜的熱力學過程:在構(gòu)件截面是出現(xiàn)了彈性區(qū)、彈塑性區(qū)、塑性區(qū)。由于在加熱過程中有塑性的壓縮變形，因此在焊接過程終了溫度恢復到原來的溫度時，結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生了焊接應力，同時結(jié)構(gòu)也發(fā)生了畸變，即焊接變形。早在20世紀20年代，有限元方法就開始用于預測焊接變形。有限元理論經(jīng)過了50年特別是近30年的發(fā)展，它的基本理論和方法已經(jīng)比較成熟，成為當今工程技術(shù)領域中應用最為廣泛，成效最為顯著的數(shù)值分析方法。在焊接領域中，有限元方法不僅可以用來預測焊接變形，還可以用于模擬焊接溫度場、焊接殘余應力和影響區(qū)組織等的預測。以下是常用的幾種分析焊接變形的有限元理論：1.2.1熱彈塑性有限元理論這是應用最為廣泛的焊接過程計算方法，涵蓋了焊接過程的各個方面。包括不同的焊接類型、焊接材料和接頭形式，既用于對焊接變形的分析，也用于分析殘余應力、裂紋、疲勞和斷裂等。分析中的熱源通常簡化為點、線、面熱源。常用的熱源類型有高斯函數(shù)、半球狀分布函數(shù)、橢球形分布函數(shù)、雙橢球形分布函數(shù)等。材料的熱物理性能參數(shù)都設為溫度的函數(shù)，具體的函數(shù)關(guān)系由試驗確定。熱彈塑性有限元分析的缺點是運算量很大，特別是對大型構(gòu)件和復雜結(jié)構(gòu)，有些即使能夠分析也很不經(jīng)濟，有些則不得不采用其他的簡化方法。1.2.2考慮相變與各種耦合效應的有限元理論[6]等在焊接應變場分析的總應變率中計入了相變應變率。提出了一個改進的點焊有限元模型，綜合了傳熱、電場、熱彈塑性、接觸、相變等特征以及各特征的相互作用，并進行了試驗驗證，得到了與實際非常吻合的結(jié)果。1.2.3粘彈塑性有限元理論HANied[6]采用粘塑性以及對應變率敏感的材料模型建立了有限元方程，根據(jù)Prandtl2Reuss流動法則和VonMises屈服條件建立了粘彈塑性有限元方程，用于計算奧氏體鋼的焊接熱應力和變形，所得結(jié)果與試驗吻合很好。YUeda導出了指數(shù)和冪函數(shù)蠕變應變率下粘彈塑性有限元分析的各個表達式。如果考慮蠕變現(xiàn)象，采用熱粘彈塑性有限元方法，提出一個評價局部焊后熱處理效果的直接方法，研究表明蠕變行為對局部焊后熱處理過程中的熱應力產(chǎn)生有著重要的影響。1.2.4殘余塑性應變有限元理論焊接時焊縫及其附近材料的熱膨脹受到附近低溫材料拘束，產(chǎn)生大量的壓縮塑性應變，冷卻后形成殘余塑性應變，其大小和分布決定了最終的殘余應力和變形。因此如果知道了殘余塑變的大小和分布，就可以通過一次彈性分析求得整個構(gòu)件的焊接應力和變形。問題的關(guān)鍵是如何確定殘余塑變。在殘余塑變法的基礎上發(fā)展的固有應變法，其最大的優(yōu)點在于可以避開運算量極大的熱彈塑性分析。近年來上海交通大學的汪建華教授運用該方法進行了大量的研究工作，取得了豐碩的成果。1.2.5利用相似理論運用相似理論可以將模型試驗和數(shù)值模擬方法結(jié)合起來，按照相似關(guān)系對焊接構(gòu)件進行一定轉(zhuǎn)換，減小復雜性后再進行數(shù)值計算。清華大學的蔡志鵬教授等研究了相似理論在焊接溫度場、應力應變場以及預測焊接變形等方面的應用。推導了溫度場和高斯熱源的相似準則，并得到模型與實際構(gòu)件焊接殘余變形的相似關(guān)系式。在實際生產(chǎn)中，因為受到焊接條件的限制，模型與實物間的相似準則很難同時滿足，而且對二者之間準確的對應關(guān)系還缺乏足夠的研究，因此應用受到很大限制。1.2.6人工神經(jīng)網(wǎng)絡理論大連理工大學的劉黎明[22]等采用BP網(wǎng)絡研究了軍用船舶高強鋼手工焊接過程中焊接變形的規(guī)律。所用網(wǎng)絡為4×6×2三層結(jié)構(gòu)，輸入層有4個節(jié)點，分別代表焊接電流、板材厚度、焊接順序和焊腳尺寸，中間層有6個節(jié)點，輸出層有2個節(jié)點，分別代表鋼結(jié)構(gòu)的凹、凸最大變形。使用45組數(shù)據(jù)，經(jīng)過50萬次以上訓練后，網(wǎng)絡趨于穩(wěn)定。隨后進行了試驗驗證，表明所建立網(wǎng)絡的可行性。1.3焊接變形產(chǎn)生的原因及影響因素影響焊接變形的主要因素[23]有焊接熱輸入量，焊接件板厚，熔深形狀及拘束條件等。大型焊接結(jié)構(gòu)在組裝中的變形還受焊接件之間產(chǎn)生的間隙、錯邊及焊接順序等因素的影響。在多層焊中，焊接變形還受到焊道順序，預熱溫度及層間溫度等因素的影響。影響焊接變形的因素很多，可以綜述為以下幾個方面：1、焊縫在結(jié)構(gòu)中的位置。焊縫在結(jié)購中布置的不對稱，是造成焊接結(jié)構(gòu)彎曲變形的主要因素。2、焊接結(jié)構(gòu)的剛性和幾何尺寸。3、焊接結(jié)構(gòu)的裝配順序。4、影響焊接變形的因素還包括焊接工藝、焊接方法和材料特性等。1.4課題當前研究中存在的問題1.4.1焊接變形數(shù)值模擬目前在焊接變形數(shù)值模擬中還存在幾個主要的問題[4]：1、材料的熱物理性數(shù)據(jù)不足。許多材料的熱物理性質(zhì)數(shù)據(jù)在高溫特別是在接近熔化態(tài)時還是空白，某些材料僅有室溫數(shù)據(jù)，這就給非線性計算帶來了困難。2、熱源分布參數(shù)的確定。電弧熱流通常采用高斯分布的形式，A.Goldak則提出了一個雙橢球的模型。此外對于角焊縫、坡口焊縫、多層焊縫等的熱源分布形式也須進一步地研究。3、焊接熱源熱效率和有效半徑的選取。電弧的有效加熱半徑及熱量分布形式與焊接方法和參數(shù)有關(guān)，其選取也是提高計算精度的問題之一。目前這方面的資料比較分散，出入較大，須根據(jù)實際焊接情況慎重選擇。4、焊接熔池的處理。焊接熱傳導分析一般基于固體導熱微分方程，沒有考慮焊接熔池內(nèi)部液態(tài)金屬的對流傳熱特點。通常這種方法對于焊接冶金分析以及焊接力學行為的分析已經(jīng)有一定的精度。但如果需要精確地研究熔池的形狀和尺寸以及內(nèi)部的熱傳導過程，那么必須進行焊接熔池中流體力學狀態(tài)的分析。1.4.2焊接力學模型如何精確的反映真實的結(jié)構(gòu)特性是科學預測變形的關(guān)鍵之一。焊接模型的建立除了考慮精確的因素外，經(jīng)濟性也是不容忽視的。Masubuch[4]指出，雖然有限元技術(shù)能夠模擬焊接工藝中的大部分過程，但是在研究實際結(jié)構(gòu)焊接殘余應力和變形時仍然存在著許多缺點。Painter等指出，通常使用數(shù)值模擬的目的是過程模擬和過程理解，然而這兩個不同的研究目標也影響了整個的模擬的戰(zhàn)略典型過程，模擬趨向于迅速、交互和大約的方法，過程理解則要求復制整個過程的物理現(xiàn)象，后一過程的時間、成本和復雜程度多于前者。在船舶制造、航空航天和車輛制造中存在大量結(jié)構(gòu)復雜和尺寸較大的焊接構(gòu)件，采用熱彈塑性法時為保證計算精度和迭代的收斂性，需要對網(wǎng)格的劃分和時間步長的選取進行最優(yōu)化設計，對于大型復雜結(jié)構(gòu)，計算用時和數(shù)據(jù)處理量的大大增加對計算機的速度和容量也提出了更高的要求，往往超出了實際能夠承受的程度，因而在實際結(jié)構(gòu)分析中并不實用。例如[8]：一個900mm長的T型梁焊接結(jié)構(gòu)劃分為7000個單元時用ANSYS軟件進行熱彈塑性分析，當計算步長為0.1秒時，整個熱分析和結(jié)構(gòu)分析需要240小時的計算時間，而對于更大尺寸和采用更小單元的焊接結(jié)構(gòu)進行分析將需要更多的計算時間。因此焊接預測方法的選擇不僅要考慮計算精度，而且也要考慮運算時間和模擬的復雜程度?；诂F(xiàn)有的計算機硬件條件，如何對模型優(yōu)化設計也是一個重要的研究方向。為此，面向工程應用的焊接力學模型逐漸被一些研究者重視起來。本文采取了多種措施，包括分層網(wǎng)格稀疏化，步長加大等，最終計算過程持續(xù)了6小時。1.5國內(nèi)外研究成果近二十年來，國內(nèi)外在焊接數(shù)值模擬領域取得了許多的成果。國際上有，大阪大學的上田辛雄[5]教授在焊接熱彈塑性理論方面的豐碩成果，并創(chuàng)建了“計算焊接力學”的新興學科。美國MIT的K.Masubuchi教授在焊接殘余應力和變形以及焊接結(jié)構(gòu)分析方面有深入的研究。日本的A.Matsunawa和M.Ushio教授在焊接熔池和電弧物理方面有深入分析。國內(nèi)在焊接傳熱、熱彈塑性應力分析、輔助熱源影響焊縫應變規(guī)律的數(shù)值分析、組織性能預測和氫擴散方面進行了許多的研究。今后焊接發(fā)展要考慮以下新的研究方向：先進的新型材料的連接問題，這種先進材料不是常規(guī)冶金方法生產(chǎn)，而是用特殊工藝制造，如急冷非平衡合金的非晶態(tài)材料、納米材料、金屬間化合物、工程陶瓷以及復合材料等。上述材料不能用熔焊方法，而需要用特殊連接方法解決，這要求技術(shù)創(chuàng)新，難度很大，有很多科研工作要做；另一方面，現(xiàn)有的焊接變形的控制方法多是被動式的，也就是在出現(xiàn)變形以后再想辦法消除。因此，發(fā)展焊接過程的檢測技術(shù)、開展對焊接過程的實時監(jiān)控，對焊接變形實施主動控制是一個重要的研究方向。目前在單元開發(fā)技術(shù)、網(wǎng)格劃分技術(shù)、并行計算和分布式并行處理方面的研究也是一個熱點。1.6本論文的主要工作本文主要是采用ANSYS10.0軟件，建立熱彈塑性有限元模型，采用固有應變理論來預測鋼結(jié)構(gòu)十字形節(jié)點的固有應變。以此來驗證軟件和理論的有效性。所做的具體工作有：1、查閱熱彈塑性有限元法及固有應變法資料，學習熱力學知識。2、學習矩陣位移法及有限元程序ANSYS。3、通過有限元的方法對鋼結(jié)構(gòu)十字形節(jié)點的三維溫度場進行模擬分析得到其溫度場分布。4、根據(jù)溫度分布計算焊接熱應力。5、計算得到最終的焊接變形。6、計算固有應力。7、與同類研究作比較，找出相同和不同之處并做小結(jié)。1.7本章小結(jié)研究固有應變的最終目的是為了預測焊接變形、控制變形，將其盡量減少甚至完全消除。從目前的情況以及發(fā)展的趨勢來看，僅靠經(jīng)驗型的變形控制方法是無法滿足生產(chǎn)需要的，只有進行深入和系統(tǒng)性的理論研究，才能有根本的改觀。數(shù)值模擬在焊接領域的運用，為解決焊接殘余應力和變形這一難題帶來了新思路和新方法。已有的研究成果使我們對復雜的焊接變形規(guī)律和本質(zhì)有了進一步深入的認識。隨著計算機硬件環(huán)境的不斷提高、軟件技術(shù)和數(shù)值模擬方法的改進、大型復雜結(jié)構(gòu)焊接殘余應力和變形的數(shù)值模擬技術(shù)全面運用于實際生產(chǎn)，并用來指導設計，制定最優(yōu)焊接工藝的愿望在不久的將來定會得以實現(xiàn)。第2章熱彈塑性有限元理論2.1熱彈塑性有限元法概述2.1.1有限元法介紹把物理結(jié)構(gòu)分割成不同大小、不同類型的區(qū)域，這些區(qū)域就稱為單元。根據(jù)不同分析方法，推導出每一個單元的作用力方程，組集成整個結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)方程，最后求解該系統(tǒng)方程，就是有限元法。簡單地說，這有限元法是一種離散化的數(shù)值方法。離散后的單元與單元間只通過節(jié)點相聯(lián)系，所有力和位移都通過節(jié)點進行計算。對每個單元，選取適當?shù)牟逯岛瘮?shù)，使得該函數(shù)在子域內(nèi)部、自語分界面上以及子域與外界分界面上都滿足一定的條件，然后把所有單元的方程組合起來，就得到了整個結(jié)構(gòu)的方程。求解該方程，就可以得到結(jié)構(gòu)的近似解。離散化是有限元方法的基礎。必須依據(jù)結(jié)構(gòu)的實際情況，決定單元的類型、數(shù)目、形狀、大小以及排列方式。這樣做的目的是將結(jié)構(gòu)分割成足夠小的單元，使得簡單位移模型能夠足夠近似地表示精確解。同時又不能太小，否則計算量很大。2.1.2有限元分析的步驟有限元分析的主要步驟[24]如下：1、連續(xù)體的離散化。將給定的物理系統(tǒng)分割成等價的有限單元系統(tǒng)。一維結(jié)構(gòu)的有限單元為線段，二維連續(xù)體的有限單元為三角形、四邊形，三維連續(xù)體的有限單元可以是四面體、長方體或六面體。各種類型的單元有其不同的優(yōu)缺點。根據(jù)實際應用，發(fā)展出了更多的單元，最典型的區(qū)分就是有無中節(jié)點。應用時必須決定單元的和排列方式，以便能夠合理有效地表示給定的物理系統(tǒng)。2、選擇位移模型。假設的位移函數(shù)或模型只是近似地表示了真實位移分布。通常假設位移函數(shù)為多項式，最簡單情況為線性多項式。實際中沒有一種多項式能夠與實際位移完全一致。用戶所要做的是選擇多項式的階次，以使其在可以承受的計算時間內(nèi)達到足夠的精度。此外，還需要選擇表示位移大小的參數(shù)，它們通常是節(jié)點的位移，但也可能包括節(jié)點位移的導數(shù)。3、用變分原理推導單元剛度矩陣。單元剛度矩陣是根據(jù)最小位能原理或者其它原理，由單元材料和幾何性質(zhì)導出的平衡方程系數(shù)構(gòu)成的。單元剛度矩陣將節(jié)點位移和節(jié)點力聯(lián)系起來，物體受到的分布力變換為節(jié)點處的等價集中力。剛度矩陣、節(jié)點力向量和節(jié)點位移向量的平衡關(guān)系表示為線性代數(shù)方程組：4、集合整個離散化連續(xù)體的代數(shù)方程。也就是把各個單元的剛度矩陣集合成整個連續(xù)體的剛度矩陣，把各個單元的節(jié)點力矢量集合為總的力和載荷矢量。集合的原則是要求節(jié)點能互相連接，即要求所有與某節(jié)點相關(guān)聯(lián)的單元在該節(jié)點處的位移相同。但是最近研究表明，該原則在某些情況下并不是必需的。總剛度矩陣、總載荷向量以及整個物體的節(jié)點位移向量之間構(gòu)成整體平衡，其聯(lián)立方程為：。這樣得出物理系統(tǒng)的基本方程后，還需要考慮其邊界條件或初始條件，才能夠使整個方程封閉。5、求解位移矢量。即求解上述代數(shù)方程。這種方程可能簡單，也可能很復雜，比如非線性問題，在求解的每一步都要修正剛度和載荷矢量。6、由節(jié)點位移計算出單元的應力和應變。視具體情況可能還需要計算出其它一些導出量。2.1.3ANSYS軟件ANSYS軟件是美國ANSYS公司研制的大型通用有限元分析軟件。能夠進行包括結(jié)構(gòu)、熱、聲、流體、電磁場等科學的研究。在核工業(yè)、鐵道、石油化工、航空航天、機械制造、能源、汽車交通、國防軍工、電子、土木工程、造船、生物醫(yī)學、輕工、地礦、水利、日用家電等領域有著廣泛的應用[3]。ANSYS包括100多個單元，提供了對各種物理場量的分析功能。ANSYS的設計優(yōu)化功能允許優(yōu)化任何方面的設計變量和約束變量，如形狀、應力、自然頻率、重量、費用、溫度、磁勢、壓力、速度或離散量等，可進行參數(shù)、形狀、拓撲優(yōu)化。2.1.4ANSYS軟件結(jié)構(gòu)軟件主要包括三個部分:前處理模塊，分析計算模塊和后處理模塊。前處理模塊提供了一個強大的實體建模及網(wǎng)格劃分工具，用戶可以方便地建立有限元模型；分析計算模塊包括結(jié)構(gòu)分析、流體動力學分析、電磁場分析、聲場分析、壓電分析以及多物理場的藕合分析，可模擬多種物理介質(zhì)的相互作用，具有靈敏度分析及優(yōu)化分析能力；后處理模塊可將計算結(jié)果以彩色等值線顯示、梯度顯示、矢量顯示、粒子流跡顯示、立體切片顯示、透明及半透明顯示等圖形方式顯示出來，也可將計算結(jié)果以圖表、曲線形式顯示或輸出。2.2熱彈塑性有限元分析的基本關(guān)系2.2.1應力應變關(guān)系熱彈塑性分析包括如下四個基本關(guān)系：1、應變—位移關(guān)系（相容性條件）2、應力—應變關(guān)系（本構(gòu)關(guān)系）3、平衡條件4、相應邊界條件在焊接熱彈塑性分析時通常有如下假定：材料的屈服服從米塞斯屈服準則、塑性區(qū)內(nèi)的行為服從流變法則并顯示出應變硬化、彈性應變、塑性應變與溫度應變是可分的和與溫度有關(guān)的機械性能、應力應變在微小的時間增量內(nèi)線性變化。2.2.2平衡方程材料處于彈性或塑性狀態(tài)的應力應變關(guān)系為：(2-1)式中：D為彈性或彈塑性矩陣；C為與溫度有關(guān)的向量。在彈性區(qū)：D=De(2-2)式中：為線性膨脹系數(shù)；T為溫度。在塑性區(qū)，設材料屈服條件為：(2-3)式中：為屈服函數(shù)，為與溫度和塑性應變有關(guān)的屈服應力的函數(shù)。根據(jù)塑性流動法則，塑性應變增量可表示為：(2-4)此時，(2-5)(2-6)塑性區(qū)的卸載由值判別，<0時為卸載過程。考慮結(jié)構(gòu)的某一單元，有如下平衡方程(2-7)式中：為單元節(jié)點上力的增量；為溫度引起的單元初應變等效節(jié)點力增量；為節(jié)點位移增量，為單元剛度矩陣(2-8)(2-9)式中：B為聯(lián)系單元中應變向量與節(jié)點位移向量的矩陣。根據(jù)單元處于彈性或塑性區(qū)，分別用、或、代替上式中的D、C，形成單元剛度矩陣和等效節(jié)點荷載，然后用集成總剛度矩陣K，總荷載向量，求得整個構(gòu)件的平衡方程組(2-10)其中：，?？紤]到焊接過程一般無外力作用，環(huán)繞每個節(jié)點的單元相應節(jié)點的力是自相平衡的力系，即可取，故有。2.2.3求解過程熱彈塑性應力有有限元分析析的求解過過程是：首首先把構(gòu)件件劃分為有有限個單元元，然后逐逐步加上溫溫度增量（焊焊接時的溫溫度場預先先算出）。每每次溫度增增量加上后后，由式((2-7))可求得各各節(jié)點的位位移增量。每每個單元內(nèi)內(nèi)的應變增增量和單元元節(jié)點位移移增量的關(guān)關(guān)系為：(2-11)再根據(jù)式(2--1)的應應力應變關(guān)關(guān)系，可以以求得各個個單元的應應力增量。這這樣就可以以了解整個個焊接過程程中動態(tài)應應力應變的的變化過程程和最終的的殘余應力力和變形的的狀態(tài)。2.3提高高計算精度度和穩(wěn)定性性的若干途途徑焊接時的局部溫溫度超過熔熔點，材料料性能隨溫溫度劇烈變變化。由于于熱源的移移動，整個個構(gòu)件的溫溫度、應力力應變隨時時間和空間間急劇的變變化，同一一時刻存在在加熱和冷冷卻，加載載和卸載的的現(xiàn)象。此此外還需要要對焊接坡坡口、填充充金屬和多多層焊做特特殊處理。因因此焊接問問題包含著著高溫塑性性、材料性性能隨溫度度急劇變化化和大變形形等高度非非線性等影影響因素。為盡可能得到較高高的計算精精度和保證證解的收斂斂，可利用用如下解決決措施[44]：1、采用穩(wěn)定可靠的的計算方法法，保證焊焊接溫度場場的計算精精度。本文文計算計算算程序的編編寫注重循循環(huán)的合理理和簡潔，經(jīng)經(jīng)過多次運運用小模型型的焊接模模型的運算算后，程序序穩(wěn)定，改改參數(shù)后可可運用到大大模型的焊焊接預測。2、采用修正的彈性性到塑性的的加權(quán)系數(shù)數(shù)。單元在某一時刻刻從彈性階階段過渡到到塑性階段段時引入加加權(quán)系數(shù)，并并把該階段段分為彈性性階段和塑塑性階段兩兩個部分。當當考慮到屈屈服應力隨隨溫度變化化時，不能能采用一般般常溫彈塑塑性問題的的加權(quán)系數(shù)數(shù)，而必須須加以修正正。此時可可導出修正正的加權(quán)系系數(shù)為：(2-112)式中：、分別為為前一時刻刻的等效應應力和屈服服應力；、分別為當當前時刻的的等效應力力和屈服應應力。3、材料在高溫時的的處理。在十分高溫的階階段往往缺缺乏材料準準確的實驗驗數(shù)據(jù)，此此時常假定定材料的彈彈性模量和和屈服應力力數(shù)值均很很小，如本本課題在研研究的時候候遇到過這這種問題，在2000時設置一個近似于1000MPa的彈性模量值，但是求解的過程卻很長，經(jīng)老師指點后改為一個數(shù)值為10MPa后求解過程沒有出現(xiàn)問題。然而，如果假設步匹配，可能產(chǎn)生卸載時應力反而增大的不合理現(xiàn)象。為防止該現(xiàn)象，可考慮彈性模量隨溫度改變而導致的應力變化小于熱膨脹引起的變化，即（2-13）4、合理的計算步長長和網(wǎng)格劃劃分。計算時的溫度步步長不能太太長，通常常應控制在在10以下。網(wǎng)網(wǎng)格劃分應應考慮到焊焊接接頭處處較細，焊焊縫遠處較較粗的原則則，以適應應溫度和應應力的計算算精度，同同時兼顧到到計算機的的容量。本試驗模型采用用的是兩種種劃劃分尺尺寸，熱源源核心部位位的劃分采采用的是邊邊長1mmm的單元網(wǎng)網(wǎng)格，其他他部位采用用的是4mmm和8mm的網(wǎng)網(wǎng)格，劃分分時不采用用自由網(wǎng)格格過度，遠遠端計算機機自動識別別劃分為11mm×4mm和4mm×8mm大小小的單元，這這樣便可使使的單元順順利銜接。這這樣既保證證了必要的的精度又方方便劃分，同同時也節(jié)省省計算時間間。5、采用縮減積分分法防止“閉鎖”現(xiàn)象。三維塊體單元用用于某些較較薄且承受受彎矩的地地方，會引引起所謂的的“閉鎖”現(xiàn)象。此此時由于對對剛度的過過分估計，使使計算所得得變形偏小小。為防止止該現(xiàn)象，可可采用縮減減積分法。2.4本章章小結(jié)本章主要對有限限元法進行行了簡述，給給出了分析析思路和基基本的理論論第3章固有應變法的理理論基礎3.1固有有應變的概概念焊接過程中焊縫縫附近的熱熱輸入使焊焊接區(qū)域發(fā)發(fā)生熱收縮縮、熱膨脹脹，當引發(fā)發(fā)的應力超超過彈性極極限時，會會產(chǎn)生塑性性應變。當當焊接完畢畢，構(gòu)件完完全冷卻后后，最終的的殘余塑性性應變等于于溫度上升升時產(chǎn)生的的壓縮性塑塑性應變與與溫度下降降時產(chǎn)生的的拉伸性塑塑性應變的的和，這就是焊焊接固有應應變。固有應變首先是是日本學者者提出和應應用的概念念。焊接問問題的固有有應變是塑塑性應變、溫溫度應變和和相變應變變?nèi)咧秃?。焊接?gòu)構(gòu)件經(jīng)過一一次焊接熱熱循環(huán)后溫溫度應變?yōu)闉榱恪？紤]到焊焊接的實際際情況，焊件局部部加熱到很很高溫度時時，周圍溫溫度較低的的部位不能能自由伸長長，對加熱部部分的熱膨膨脹產(chǎn)生約約束作用，致使焊縫縫及其附近近的高溫區(qū)區(qū)累積了壓壓縮塑性變變形。此外外可以認為為固有應變變僅存在于于焊縫及其其附近。固固有應變是是產(chǎn)生殘余余應力和焊焊接裂紋的的原因。若若已知固有有應變,也可通過熱彈彈塑性有限限元彈性分分析計算出出殘余應力力和變形。3.2焊接接固有應變變的確定3.2.1固有應變變的表達式式在力學分析中，一一般應力應應變都有六六個分量。在在焊接過程程中，焊件件中任何一一點的總應應變(即變形應應變)由彈性應應變、塑性性應變、熱熱應變和相相變應變組組成，即(3-1)定義固有應變?yōu)闉樗苄詰冏?、熱應變變和相變應應變之和，?3-2)于是有((3-3)于是引起的彈性性應變?yōu)?3-4)3.2.2固有應變變的分類固有應變可分為為縱向固有有應變、橫橫向固有應應變和角變變形固有應應變。焊接接區(qū)域內(nèi)某某點的固有有應變在板板件的長厚厚比很大的的情況下，縱縱向固有應應變和橫向向固有應變變最大，起起到?jīng)Q定性性作用。這這兩種固有有應變導致致了常見的的焊接變形形：縱向收收縮、橫向向收縮和角角變形。3.2.3焊接縱向向應變用一梁的單位縱縱向變形為為例。如果果已知單位位長度上縱縱向殘余塑塑變的總和和，則有(3-5)(3-6)(3-7))式中：為縱向單單位收縮；；為曲率；；為彎曲撓撓度；為梁梁的截面積積；為截面面慣性矩；；為中心到截截面中心的的距離。圖3.1單位縱縱向變形3.2.4焊接橫向向應變用一平板表面堆堆焊的橫向向變形為例例。如果已已知單位長長度上橫向向殘余塑變變的總和（又又稱橫向收收縮單位體體積），則有(3-8)(3-9)(3-10)((3-11)式中：為平均橫橫向縮短；；為彎曲角角；為的偏心距距；為板厚厚。圖3.2表面堆堆焊時的橫橫向變形3.2.5角變形由于焊縫的橫向向固有應變變的作用使使焊縫產(chǎn)生生一定的轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)角，也就就是角變形形。如下圖圖所示。例例如對的板板材角變形形由預測變變形增加到到。圖3.3焊接角角變形示意意圖3.3TeendonnForrceTendonForcce是Whitte于1980年提出的的概念，其其定義為縱縱向固有應應變的積分分值乘以材材料室溫時時的彈性模模量E，即((3-12)式中：TenddonFForcee，可以看到到它的概念念與前面提提到的縱向向固有應變變的總和是是一致的，只只是乘上了了材料室溫溫時的彈性性模量E，可以理理解為室溫溫時引起工工件縱向焊焊接變形的的縱向收縮縮力。在一一些實驗分分析基礎上上得到TenddonFForcee與焊接線線能量的如如下公式：：(3-13)式中：TenddonFForcee，為焊接線能能量?？梢砸钥吹胶附咏泳€能量要要超過2885.6JJ/cm這這個門檻值值才會引起起TenddonFForcee。將公式式除以彈性性模量E（取低碳碳鋼室溫值值），同樣樣可以得到到縱向固有有應變的總總和與焊接接線能量的的關(guān)系：(3-14)同時由于實際生生產(chǎn)中，焊焊接線能量量都較大，遠遠遠超過所所謂門檻值值，因此由由3.2..3節(jié)與3.3節(jié)的計算算結(jié)果是十十分接近的的。3.4固有有應變法的的計算與應應用在ANSYS中，由由于固有應應變不能直直接作為荷荷載賦予焊焊縫及其附附近的單元元，但軟件件提供的各各向異性的的熱膨脹系系數(shù)功能使使焊縫在縱縱向和橫向向的不同收收縮得以實實現(xiàn)。因此此可以利用用軟件提供供的各向異異性的熱膨膨脹系數(shù)和和單位溫度度荷載來實實現(xiàn)應變的的施加。根根據(jù)給定單單位溫度荷荷載，熱膨膨脹系數(shù)的的數(shù)值即可求得應變變的數(shù)值：：(3-15)以長寬高分別為為500mmm、60mmm和50mmm，厚度為為5mm的T型梁為例，施加兩兩道角焊縫縫，對于該該模型用固固有應變法法分析焊接接變形。首首先將T型梁簡化化為彈性板板單元有限限元模型。在在焊縫附近近的單元中中施加大小小等于固有有應變的初初始應變，經(jīng)經(jīng)過一次簡簡單的彈性性板單元有有限元計算算就可以得得到焊接變變形。3.5本章章小結(jié)本章介紹了固有有應變的理理論，為后后面的分析析做基礎。第4章十字形節(jié)點的計計算實例4.1有限限元研究方方法綜述焊接過程的數(shù)值值模擬是一一個高度非非線性的求求解過程，ANSYYS提供了了三種進行行熱力學分分析的方法法：1、在結(jié)構(gòu)應力分分析中直接接定義節(jié)點點的溫度2、間接法3、直接法本論文選取的是是間接法，首首先進行熱熱分析，然然后將求得得的節(jié)點溫溫度作為體體荷載施加加在結(jié)構(gòu)應應力分析中中。這個過過程分為加加熱和冷卻卻兩個過程程。對于大大多數(shù)問題題，間接法法可以使用用所有熱分分析的功能能和結(jié)構(gòu)分分析的功能能。對焊接接來講，應應力場和溫溫度場是相相互耦合的的，不過這這種耦合效效果除個別別特殊情況況外，一般般都很小，而而且焊縫附附近的溫度度場變化很很大，材料料的各種物物理性能也也變化很大大，這種影影響與上述述耦合效應應相比要大大得多，所所以采用間間接法是比比較科學可可行的。結(jié)構(gòu)分析采用的的是非線性性靜力[225]分析析，因此對對材料處理理為與應變變率無關(guān)的的塑性，塑塑性應變假假定為瞬間間建立。在在與率無關(guān)關(guān)的塑性理理論中涉及及三個準則則：屈服準準則、流動準則則和強化準準則。本論論文采用的的是雙線性性隨動強化化準則，它它使用一個個雙線性來來表示應力力應變曲線線，有兩個個斜率，彈彈性斜率和和塑性斜率率，需要輸輸入的量有有屈服強度度和剪切模模量，本文文定義了5條不同溫溫度下的曲曲線。4.2計算算模型綜述述4.2.1熱源模型型的基本特特征對于焊接而言，焊焊接熱源是是實現(xiàn)焊接接過程的基基本條件。由于焊接接熱源的局局部集中熱熱輸入，致致使焊件存存在十分不不均勻、不不穩(wěn)定的溫溫度場，進進而導致焊焊接過程中中和焊后出出現(xiàn)較大的的焊接應力力和變形。因因此，焊接接熱源模型型選取是否否適當，對對焊接溫度度場和應力力變形的模模擬精度，特特別是在靠靠近熱源的的地方，會會有很大的的影響。在焊接過程的數(shù)數(shù)值模擬研研究中，人人們提出了了一系列的的熱源計算算模式。以下簡要要加以介紹紹：在用有限元求解解時，原則則上允許考考慮任何復復雜的情況況，但實際際經(jīng)濟上的的條件給予了了限制。所有模型型共同的一一點是：焊接熔池池中復雜的的熱過程用用導熱連續(xù)續(xù)體中的焊焊接熱源加加以近似?；跓醾鲗Щ竟绞降臏囟葓鰣鲇嬎阈枰恍┓从秤巢牧系臒釤嵛锢硇再|(zhì)質(zhì)的參數(shù)，包括導熱熱系數(shù)，比比熱容，密密度，綜合考慮慮熱對流和和熱輻射帶帶來熱損失失的換熱系系數(shù)等，這這些系數(shù)是是溫度場的的特征值。在焊接過過程中這些些特征值均均隨溫度變變化，在研研究溫度場場時應區(qū)分分材料的特特征值隨溫溫度變化的的瞬時值和和在一定溫溫度范圍內(nèi)內(nèi)的平均值值，前者更適適合于有限限元求解，后后者可供函函數(shù)解析求求解。4.2.2高斯函數(shù)數(shù)分布的熱熱源模型焊接時，電弧熱熱源把熱能能傳給焊件件是通過一一定的作用用面積進行行的，這個個面積稱為為加熱斑點點。加熱斑斑點上熱量量分布是不不均勻的，中中心多而邊邊緣少。費費里德曼將將加熱斑點點上熱流密密度的分布布近似地用用高斯數(shù)學學模型來描描述，如圖圖4.1。離熱源源中心距離離r地點的熱熱量計算公公式如下：((4-1)((4-2)(4-3)式中：為熱源的的有效功率率，為熱源源的集中系系數(shù)。表示示圓形熱源源內(nèi)某點到到中心的距距離，也表表示帶狀熱熱源內(nèi)某點點在橫向到到中心線的的距離。熱熱量分布的的集中系數(shù)數(shù)表明熱源源集中的程程度，即高高斯分布曲曲線的寬度度。圖4.1高斯熱源源熱流密度度分布簡圖圖本文是以十字形形節(jié)點板角角接焊為研研究對象。輸輸入熱量模模型利用了了高斯模型型。由于以以式(4-1)描述的的高斯分布布曲線在無無限遠處趨趨近于零，因因此本文分分析過程假假設焊接熱熱量的755%集中在有有效半徑的的圓形區(qū)域域內(nèi)。集中中系數(shù)一般般可由式((4-4)求出。((4-4)本論文為簡便計計算時電弧弧集中系數(shù)數(shù)和有效半半徑根據(jù)參參考文獻[15]進行選取取的。有效效半徑取為為7mm，電電弧熱效率率取為0.755。4.2.3選用高斯斯函數(shù)分布布的熱源模模型的意義義采用有限元和有有限差分法法，應用高高斯分布的的表面熱源源分布函數(shù)數(shù)計算，可可以引入材材料性能的的非線性，可可進一步提提高高溫區(qū)區(qū)的準確性性，但仍未未考慮電弧弧挺度對熔熔池的影響響。對于通通常的焊接接方法如手手工電弧焊焊、鎢極氫氫弧焊，采采用高斯分分布的函數(shù)數(shù)可以得到到較滿意的的結(jié)果，一一般符合工工程應用需需求。4.2.4十字形節(jié)節(jié)點模型尺尺寸選取如圖4.22所示的加加勁板結(jié)構(gòu)，沿沿X軸焊接加加勁板。采用用簡化的對對稱模型。這種簡化化需要明確確的是焊前前的構(gòu)件是是對稱的，基基于這樣的的假定意味味著焊縫材材料是同時時加上去的的，即十字字形節(jié)點板板的四條焊焊縫同時施施焊。由于于結(jié)構(gòu)的對對稱，可以以取構(gòu)件的1/4模型來研研究。圖4.3是有限元元模型，由由母材面板板和加勁板組成。應用ANSYYS分析時采采用的單元元是八節(jié)點點六面體的的單元，網(wǎng)格格劃分采用用的是、和三種規(guī)格格尺寸。采用映射網(wǎng)網(wǎng)格劃分方方式，由內(nèi)內(nèi)到外逐漸漸稀疏。圖4.2幾何模模型圖4.3有限元元模型本論文采用的模模型數(shù)據(jù)為為：面板尺尺寸為，加加勁板尺寸為為焊件材料為鋼，焊焊接方法為為埋弧自動動焊。焊接規(guī)范范為：電流流180，電壓20，熱源源熱效率0.755，焊速，四四邊焊縫同同時施焊。因為考慮到建模的原因，采用統(tǒng)一的單位有、、和，將收集到的數(shù)據(jù)按一定比例轉(zhuǎn)換到以這幾個單位為基準的數(shù)值，見下表4.1。在本文的寫作過程中，單位的換算逐漸被重視起來，針對一些論文上的單位出入，本文集中給出了換算后的單位。4.2.5材料特性性進行焊接溫度場場的分析必必須要確定定的熱物理理性能參數(shù)數(shù)有導熱系系數(shù)、對流流換熱系數(shù)數(shù)、密度、比比熱容以及及焊件的初初始溫度。而而對應力場場的分析必必須還要定定義的參數(shù)數(shù)有泊松比比、彈性模模量、線膨膨脹系數(shù)和和屈服強度度。4.2.6邊界條件件焊接過程的邊界界條件包括括溫度場分分析的邊界界條件和應應力應變分分析的邊界界條件。本本論文采用用的邊界條條件是在節(jié)節(jié)點上施加加約束，選選取了兩個個外側(cè)面，分分別選取兩兩個面上所所有節(jié)點施施加向和向約束束，再選取取軸向上一一點施加X向約束，使使構(gòu)件無整整體剛性位位移即可。為為簡便，忽忽略了其它它的邊界條條件。表4-116Mn鋼鋼隨溫度變變化的部分分物理參數(shù)數(shù)和力學參參數(shù)溫度/℃20500100015002000線膨脹系數(shù)//℃-11.26E-551.30E-551.34E-551.38E-551.42E-55彈性模量/MPa2.1E51.65E50.7E50.05E510屈服應力/MPa235120801010導熱系數(shù)/kg.mmm.s-11.℃-14.7E34.0E33.0E33.7E31.2E4比熱容/mmm2.s-2.℃4.7E76.5E77.3E78.1E79.0E7對流系數(shù)/kg.mmm.s-22.℃11泊松比0.2880.2900.2930.3000.306密度/kgg.mm--37850E-994.3APPDLA參數(shù)化程程序設計用來預測焊接變變形的方法法應當能夠夠考慮不同同的焊接參參數(shù)、不同同的模型形形狀，并且且能夠反映映出在裝配配過程中的的形狀變化化，同時由由于預測變變形量和確確定余量是是個重復的的分析過程程，所以在在計算時間間方面要有有效率，還還要能保證證合理的精精度。為此此設計一套套適合的程程序是很必必要的。焊接熱源為正態(tài)態(tài)分布，以以熱流密度度的形式施施加，焊件件表面離熱熱原中心為為的某點的的熱流密度度按公式(4-11)計算，對對于焊接熱熱源的移動動可以通過過ANSYYS軟件的APDL語言來實實現(xiàn)。具體方法是：沿沿焊接方向向?qū)⒑缚p長長度等分，將將各點的后后節(jié)點作為為熱源中心心，每段加加載后計算算，當進行行下一段加加載時，需需消除上一一段所加的的熱流密度度，把上一一次加載所所計算得到到的各節(jié)點點溫度作為為下一步計計算的初始始條件，依依次沿焊縫縫各點加載載即可模擬擬熱源的移移動。除了了電弧掃過過的核心區(qū)區(qū)域施加熱熱流密度外外，其它表面為對對流換熱面面。用表參數(shù)數(shù)組表表示的整面面熱流密度度的加載算算法流程如如圖4.9.圖4.9表參數(shù)數(shù)數(shù)組表示示的熱流加加載算法流流程圖4.4有限限元計算結(jié)結(jié)果4.4.1溫度場計計算結(jié)果如圖4.10所所示，在10s時溫度場場的分布域域比較狹小小，主要是是因為焊接接的速度較較快，傳導熱系數(shù)數(shù)有限。最高溫度度達到22977，位于紅紅色的區(qū)域域。圖4.10焊接接10s時溫度場場分布圖4.11焊接接30s時溫度場場分布如圖4.11所所示，在30s時溫度場場的分布明明顯擴大，焊焊接已經(jīng)走走過了1880mm的的距離，最最高溫度達達22988，比較10s時的最高高溫度只上上升了1，此時的的藍色區(qū)域域雖較多，但但是表示的的溫度已是是22733了，熱量量已經(jīng)擴散散到了整個個焊件，與與實際是很很接近的。圖4.12焊接接40s時溫度場場分布圖4.13焊接接90s時溫度場場分布如圖4.14，到到了180s時溫度已已經(jīng)降低到到了41，藍色色區(qū)域的溫溫度已達33，溫度度梯度很小小，整個構(gòu)構(gòu)件可以近近似看做溫溫度均勻的的，根據(jù)對對流的特點點，只要達達到一定的的時間，焊焊件的溫度度場分布是是絕對均衡衡的。圖4.15X軸軸向節(jié)點溫溫度時間歷歷程圖如圖4.15，選選取的是X軸向節(jié)點點坐標為550mm,,100mmm,150mmm和200mmm的A、B、C、D四個特征征點記錄每每個點的溫溫度隨時間間變化的歷歷程圖。A、B、C依次滯后后達到16600℃，D點只達到到50℃左右，因因為D處于最右右端，熱量量總是從左左傳來，不不同于A、B、C點，熱量量可以從左左右傳來，故故存在一個個比D點搞的極極值溫度。4.4.2應力場計計算結(jié)果應力場是焊接分分析中重要要的一項，焊焊接應力場場的計算是是一個涉及及材料的彈彈塑性、非非線性和其其他許多因因素影響的的復雜問題題。在鋼結(jié)結(jié)構(gòu)的學習習中，知道道了受力構(gòu)構(gòu)件由于幾幾何形狀、外外形尺寸發(fā)發(fā)生突變而而引起局部部范圍內(nèi)應應力集中。由由此推測焊焊接容易引引起較大應應力的區(qū)域域。圖4.161990s時的等效效應力云圖圖如圖4.16，1990s時的等效效應力場分分布的區(qū)域域較大，最最大應力達達到了248MMPa，紅色區(qū)區(qū)域分布較較少。圖4.172110s時的等效效應力云圖圖圖4.182440s時的等效效應力云圖圖如圖4.17和圖44.18，焊接應力力迅速分布布到了加勁勁板，而在在面板上擴擴散的較慢慢。圖4.192775s時的等效效應力云圖圖從上面幾幅圖片片可以看出出，等效應應力的區(qū)域域逐漸擴大大，焊縫處和和腹板邊緣緣應力高度度集中，雖雖經(jīng)過冷卻卻但應力下下降不多，具具有不可恢恢復性。圖4.20X軸軸向節(jié)點等等效應力時時間歷程圖圖如圖，選取的是是X軸向節(jié)點點坐標為550mm,,100mmm,150mmm和200mmm的A、B、C、D四個特征征點記錄每每個點的等等效應力隨隨時間變化化的圖表。等等效應力的的離散性較較大，振蕩蕩幅度最大大的均在200s之前。4.4.3塑性應變變計算結(jié)果果圖4.21等效效塑性應變變圖4.22X軸軸向節(jié)點縱縱向應變時時間歷程圖圖對于塑性應變，本本文關(guān)心的的是X軸向塑性性應變，因因為后面的的縱向收縮力力的求解依依賴于它。A點的應變變峰值高于于其他點，從從圖中可以以看出，遠遠離約束部位的應變量大大于離約束束近的部位位。4.4.4變形計算算結(jié)果圖4.23最終終變形圖圖4.23表示了了焊接后的的最終變形形圖。從中中可以看出出，焊件的的變形有彎彎曲、歪曲曲和扭轉(zhuǎn)。其其中面板中中部上凸，兩兩端下?lián)稀＜蛹觿虐逯胁坎棵黠@收縮縮。比較同同類研究論論文，模擬擬后的變形形與實際較較接近，證證明計算結(jié)結(jié)果具有一一定的可行行性。實際上焊件的變變形也與邊邊界條件有有關(guān)，本文文采用的約約束是兩個個外側(cè)面分分別加上Y和Z方向舵約約束，再選選取一點時時間愛上X軸向的約約束，這樣樣就與實際際情況比較較接近。圖4.24是節(jié)點點位移的時時間歷程。從從圖上可以以看出，遠遠離約束端端的點位移移大于接近近約束點，D點因為被被約束，位位移為零，A點離約束束最遠，位位移最大。圖4.24X軸軸向節(jié)點位位移時間歷歷程圖4.5計算算結(jié)果分析析課題研究究背景通過計算，程序序得到的結(jié)結(jié)果有TeendonnForrce和橫向收收縮。由于于采用的模模型是對稱稱的，角變變形為零。計算結(jié)果如下：：TendonForcce=-1120555.43922N橫向收縮=0..062331mm通過公式(3--13)計計算所得TTendoonFoorce的理論值值為-122279N，兩者的的誤差為1.822%，兩者的結(jié)結(jié)果相近，與與先前小模模型計算的的TenddonFForcee值相當，進進一步證明明了TenndonForcce值只與輸輸入的線能能量有關(guān)，說說明模擬可可行。根據(jù)參考文獻[[23]介紹的計計算固有應應變的的方方法，變形數(shù)值值除以焊接接熱輸入線線能量就得得到了固有有應變，本本文的熱輸輸入線能量量E為，因此可可這樣表示示TenddonFForcee和橫向收收縮：TendonForcce=2668.000E(4-5)橫向收收縮=0..0001138477E(4-6)式中：E前面的的數(shù)值即為為固有應變變。依據(jù)文文獻[23]，對于簡簡單的焊接接節(jié)頭可以以通過熱彈彈塑性有限限元法求得得固有應變變，但是對對于復雜的的節(jié)頭很難難獲得，為為此必須要要建立一個個龐大的固固有應變數(shù)數(shù)據(jù)庫，通通過長期的的積累才能能完成這個個工作，本本文的試驗驗還是遠遠遠不夠的，只只是給出了了一個求固固有應變的的思路。4.6本章章小結(jié)在大型焊接結(jié)構(gòu)構(gòu)中基于固固有應變方方法是將各各條焊縫的的變形以固固有變形的的方式直接接加載到焊焊縫位置，從從而不必經(jīng)經(jīng)過冗長的的過程跟蹤蹤計算，從從而大大的的縮減計算算時間。因因此對大型型焊接結(jié)構(gòu)構(gòu)進行變形形預測首先先需要了解解各種典型型焊接接頭頭的固有應應變，從而而方便大型型焊接結(jié)構(gòu)構(gòu)的預測。本章詳細的介紹了了一個有限限元算例，然然后用后處處理器得到到一些形象象的數(shù)據(jù)云云圖、表格格圖，實體體圖，從而而對十字形形型接頭的的固有應變變做了一定定的探討。第5章展望綜述5.1本課課題的研究價值焊接技術(shù)已經(jīng)成成為現(xiàn)代制制造工業(yè)的的關(guān)鍵工藝藝之一。全全新的焊接接工藝，不不但可以提提高焊接質(zhì)質(zhì)量和外形形美觀，而而且保證了了裝配中的的無余量裝裝配。這樣樣一來，質(zhì)質(zhì)量提高，生生產(chǎn)成本降降低，大大大提高了產(chǎn)產(chǎn)品競爭力力。作為處處于基礎地地位的節(jié)點點焊接研究究課題，可可以探索焊焊接變形的的基本規(guī)律律，為深入入研究打下下基礎，同同時也可以以學習到科科學研究的的基本思想想和研究方方法。5.2結(jié)論論及啟示本文對焊接過程程產(chǎn)生的溫溫度場、應應力場以及及焊后的變變形進行了了三維實時時動態(tài)模擬擬，并通過過實例計算算提出了基基于ANSYYS軟件的的焊接溫度度場、應力力和固有應應變的模擬擬分析方法法。通過本文的研究究可以得出出下述結(jié)論：1、本文利用的溫溫度場和應應力場間接接計算法在在一定范圍圍內(nèi)能較準準確地模擬擬出焊接溫溫度場和應應力場，對對解決熱--結(jié)構(gòu)耦合的焊接接分析有一一定參考意意義。2、通過高斯熱源源的移動加加載，與實實際的焊接接熱源更加加接近。并并采用ANSYYS的APDL語言編寫寫了一套模模擬焊接過過程中溫度度、應力和和變形的三三維動態(tài)模模擬程序，方便后面的固有應變分析。3、利用本程序?qū)负附铀俣取⒂杏行峁β事屎碗娀〖蛹訜岚霃降鹊炔煌蛩厮剡M行模擬擬是可以對焊焊接工藝優(yōu)優(yōu)化設計，從而減少試驗數(shù)量。4、雖然文中的實實例分析只只是較小尺尺寸的模擬擬，但只要要存儲空間間和計算機機內(nèi)存足夠夠，本文所所提出的模模擬分析方方法可以推廣到到各種尺寸寸規(guī)格、各各種接頭形形式的焊接接過程的計計算分析中中去。5.3今后后的工作展展望作為本文的延伸伸，在今后后的研究工工作中還需需完成以下下工作：1、將十字形節(jié)點點的計算模模型更好的的與實際結(jié)結(jié)合，使之之能夠精確確的完成對對實際十字字形節(jié)點的的焊接變形形預測。2、在角接焊的基基礎上，實實現(xiàn)對對接接焊焊接溫溫度場的分分析，通過過試驗等方法法實現(xiàn)對多多道對接焊焊焊接溫度度場的瞬態(tài)態(tài)模擬，得得到溫度分分布，為預測對接接焊的焊接接變形打下下基礎。3、與鋼結(jié)構(gòu)生產(chǎn)產(chǎn)企業(yè)的實實際相結(jié)合合，進一步步積累不同同板厚、不不同焊接條條件、不同同結(jié)構(gòu)形式式的固有應應變數(shù)據(jù)，為精確預測大型焊接節(jié)點的變形打下基礎。4、將復雜的空間間節(jié)點與平平板焊接變變形研究方方法結(jié)合起起來，實現(xiàn)現(xiàn)對復雜構(gòu)構(gòu)件的焊接接變形預測測，并進一一步簡化計計算過程，并并實現(xiàn)其程程序化。5、為實現(xiàn)十字形形節(jié)點的焊焊接變形精精確預測，還還有大量具具體的工作作要做，特特別是理論論計算要與與試驗相結(jié)合合，才能進進一步解決決對不同焊焊接形式，不不同材料，不不同結(jié)構(gòu)形形式的焊接接變形預測測。第6章APDL命令令流語言!---------------------------------------------------------------------------------------!!鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)十字形節(jié)節(jié)點固有應應變的研究究通用化程程序!---------------------------------------------------------------------------------------!FINISH/CLEAR/CONFIGG,NREES,30000/FILENAAME,WWORKSS1!!設置工作作文件名和和工作標題題/TITLE,,InheerenttStrrainReseearchhofCrosss-shhapeddJoiintiinStteelStruucturre/PREP7ET,1,SOOLID770!定義單元元類型MPTEMP,,1,200,5000,10000,15500,22000!5個溫度數(shù)數(shù)據(jù)點MPDATA,,C,1,,1,4770E5,,650EE5,7330E5,,810EE5,9000E5MPDATA,,KXX,,1,1,,47E22,40EE2,300E2,337E2,,120EE2MP,DENSS,1,77850EE-9!--------------------------------建立幾何何模型----------------------------------------!ETA=0.775!!熱源效率U=20!!電壓I=180!電流Q=(ETA))*U*II*1000000!!熱源瞬時時給焊件的的熱能RADIUS==7!RADIIUS——熱有效半半徑qmax=(((Q*3//RADIIUS***2)/33.141159266)!加加熱中心最最大熱流值值V=6!焊接速速度LX=200LY=10LY1=-4LY2=15LY3=50LZ=-4LZ2=10LZ3=15LZ4=30BLOCK,00,LX,,0,LYY,LZ,,0!定義幾何何模型BLOCK,00,LX,,LY1,,0,LZZ,0BLOCK,00,LX,,LY1,,0,0,,LZ2BLOCK,00,LX,,LY,LLY2,LLZ,0BLOCK,00,LX,,LY1,,0,LZZ2,LZZ3BLOCK,00,LX,,LY2,,LY3,,LZ,00BLOCK,00,LX,,LY1,,0,LZZ3,LZZ4VSEL,ALLL!!面粘貼FLST,2,,7,6,,ORDEE,2FITEM,22,1FITEM,22,-7VGLUE,PP51X!---------------------------------建立有限限元模型--------------------------------!ESIZE,11,0,FLST,5,,3,6,,ORDEE,3FITEM,55,1FITEM,55,8FITEM,55,11VSEL,,,,,,P51XXVMESH,AALLESIZE,44,0,FLST,5,,2,6,,ORDEE,2FITEM,55,9FITEM,55,-100VSEL,,,,,,P51XXVMESH,AALLESIZE,88,0,FLST,5,,2,6,,ORDEE,2FITEM,55,12FITEM,55,-133VSEL,,,,,,P51XXVMESH,AALLALLSELFINISH/SOLUL=LXNUM_TIMME=L//V+1++150NUM_TIMME1=LL/V+11NUM_X=LL+1!--------------------------------------定義數(shù)組FLUXX2---------------------------------------!*DIM,FLLUX2,,TABLLE,NUUM_TIIME,NNUM_XX,LY++1,TIIME,XX,Y*DO,K,11,LY++1,1*DO,I,11,NUMM_TIMME,1!定義TIME坐標值值FLUX2(II,0,KK)=I--1*ENDDO!定義X坐標值*DO,J,11,NUMM_X,11FLUX2(00,J,KK)=J--1*ENDDO!定義Y坐標值FLUX2(00,0,KK)=K--1*ENDDO*DO,ANTTIME,,1,NUUM_TIIME,11*DO,W,11,RADDIUS++1,1*DO,N,11,NUMM_X,11XDIST=AABS(((ANTIIME-11)*V--(n-11))*IF,ANTTIME,,LE,NNUM_TTIME11,THEEN*IF,SQRRT((XXDISTT)**22+(W--1)***2),LLE,RAADIUSS,THEENGAUSS2==qmaxx/EXPP((3//RADIIUS***2)*(((XDIIST)***2+((W-1))**2)))FLUX2(AANTIMME,N,,W)=GGAUSSS2*ELSEFLUX2(AANTIMME,N,,W)=00*ENDIF*ELSEFLUX2(AANTIMME,N,,W)=00*ENDIF*ENDDO*ENDDO*ENDDO!---------------------------------------定義數(shù)組FLUXX3-------------------------------------!!*DIM,FLLUX3,,TABLLE,NUUM_TIIME,NNUM_XX,LZ22+1,TTIME,,X,Z*DO,I,11,LZ22+1,11*DO,J,11,NUMM_TIMME,1!定義TIME坐標值值FLUX3(JJ,0,II)=J--1*ENDDO!定義X坐標值*DO,K,11,NUMM_X,11FLUX3(00,K,II)=K--1*ENDDO!定義Z坐標值FLUX3(00,0,II)=I--1*ENDDO*DO,ANTTIME,,1,NUUM_TIIME,11*DO,W,11,RADDIUS++1,1*DO,N,11,NUMM_X,11XDIST=AABS(((ANTIIME-11)*V--(n-11))*IF,ANTTIME,,LE,NNUM_TTIME11,THEEN*IF,SQRRT((XXDISTT)**22+(W--1)***2),LLE,RAADIUSS,THEENGAUSS2==qmaxx/EXPP((3//RADIIUS***2)*(((XDIIST)***2+((W-1))**2)))FLUX3(AANTIMME,N,,W)=GGAUSSS2*ELSEFLUX3(AANTIMME,N,,W)=00*ENDIF*ELSEFLUX3(AANTIMME,N,,W)=00*ENDIF*ENDDO*ENDDO*ENDDO!----------------------------------------熱求解-------------------------------------!ANTYPE,,TRANNS!熱分析求求解TUNIF,220!設置參考考溫度TOFFST,,273!定義溫度度偏移量KBC,1!將載荷選選擇階越施施加方式*SET,DEELT,11TIMINT,,ON!!打開結(jié)構(gòu)構(gòu)分析時間間積分選項項FLST,2,,1,5,,ORDEER,1FITEM,22,2/GOSFA,P511X,1,,HFLUUX,%FFLUX22%!施加熱流流密度面荷荷載FLST,2,,1,5,,ORDEER,1FITEM,22,55/GOSFA,P511X,1,,HFLUUX,%FFLUX33%!施加熱流流密度面荷荷載ASEL,ALLL!施加對流流系數(shù)ASEL,U,,AREAA,,2ASEL,U,,AREAA,,555SFA,ALLL,1,CCONV,,11,220ASEL,ALLL*DO,TM,,1e-66,NUMM_TIMME,2TIME,TMM!定義求解解時間AUTOTS,,ONDELTIM,,1,0..05,22!時間步控控制KBC,0!設置為斜斜坡載荷TSRES,EERASEEALLSELOUTRES,,NSOLL,LASSTSOLVE/PSF,HFFLUX,,2/REPLOTT*ENDDOSAVEFINISHSAVE!------------------------------單元轉(zhuǎn)換換，定義實實常數(shù)---------------------------!/PREP7!重新進入入前處理，改改變單元，定定義實常數(shù)數(shù)熱應力分分析TREF,200!定義參考考溫度ETCHG,TTTSMPTEMP,,1,200,5000,10000,15500,22000MPDATA,,EX,11,1,22.1E55,1.665E5,,0.7EE5,0..05E55,10MPDATA,,PRXYY,1,11,0.2288,00.29,,0.2993,0..300,,0.3006MPDATA,,ALPXX,1,11,1.2262E--5,1..308EE-5,11.3466E-5,,1.3883E-55,1.4425E--5TB,BKINN,1,55!定義屈服服強度TBTEMP,,20TBDATA,,1,2335,5TBTEMP,,500TBDATA,,1,1220,5TBTEMP,,10000TBDATA,,1,800,5TBTEMP,,15000TBDATA,,1,100,5TBTEMP,,20000TBDATA,,1,100,5!----------------------------------選擇節(jié)點點并施加約約束------------------------------!ALLSELNSEL,S,,LOC,,Z,LZZD,ALL,,0,,,,UZ,,,,,,,,!D,ALL,,UZ,00ALLSELNSEL,S,,LOC,,Y,LYY1D,ALL,,0,,,,UY,,,,,,,,ALLSELNSEL,S,,LOC,,X,LXXNSEL,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