工字梁焊接的有限元分析畢業(yè)設(shè)計論文

工字梁焊接的有限元分析遼寧工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）PAGE54PAGE53前言焊接是被焊工件的材質(zhì)（同種或異種），通過加熱或加壓或兩者并用，并且用或不用填充材料，使工件的材質(zhì)達到原子間的鍵和而形成永久性連接的工藝過程。它廣泛應(yīng)用于造船、壓力容器制造、石油化工等鋼結(jié)構(gòu)制造領(lǐng)域[1]。焊接現(xiàn)象包括焊接時的電磁、傳熱過程、金屬的熔化和凝固、冷卻時的相變、焊接應(yīng)力和變形等。鋁合金由于具有質(zhì)量輕、力學(xué)性能好、抗腐蝕等優(yōu)點而得到廣泛應(yīng)用[2]。鋁合金工字梁作為基本鋁合金構(gòu)件,其受力特性研究具有十分重要意義。在焊接結(jié)構(gòu)中主要特點之一是構(gòu)件在焊接過程中和焊后容易產(chǎn)生應(yīng)力和變形。焊接殘余應(yīng)力和焊接殘余變形不但可能降低結(jié)構(gòu)的抗脆斷能力、疲勞強度、抗應(yīng)力腐蝕性，而且在一定條件下影響結(jié)構(gòu)的承載能力和安全性。因此在設(shè)計和生產(chǎn)時必須充分考慮焊接應(yīng)力和焊接變形問題。焊接溫度場通常是一個動態(tài)溫度場?；『笩徇^程決定了焊縫的宏觀質(zhì)量與微觀質(zhì)量，在焊接質(zhì)量控制的研究中，表征弧焊熱過程溫度場的實時檢測具有重要的意義。如果能夠?qū)附拥倪^程做一個動態(tài)的模擬分析，將對實際的焊接具有重要的參考意義。而近年來，焊接數(shù)值模擬技術(shù)的應(yīng)用加快了研究的進程，利用有限元模擬的方法可以快速并準確的預(yù)測焊接殘余應(yīng)力和構(gòu)件的變形[3-6]。有限元方法也叫“有限單元法”或“有限元素法”，英文是：“Finite

Element

Method”。這種方法最初起源于結(jié)構(gòu)分析，由結(jié)構(gòu)力學(xué)的位移法發(fā)展而來的，其核心思想就是分片逼近[7]。有限元方法誕生于20世紀中葉，隨著計算機技術(shù)和計算方法的不斷發(fā)展，已成為計算力學(xué)和計算工程學(xué)領(lǐng)域里最有效的計算方法，經(jīng)過40年的發(fā)展不僅使有限元方法的理論日趨完善，而且已經(jīng)開發(fā)了一批通用和專用的有限元軟件，使用這些軟件已經(jīng)成功地解決了眾多領(lǐng)域的大型科學(xué)和工程計算難題，并且取得了巨大的經(jīng)濟效益以及社會效益[8]。隨著力學(xué)理論、計算數(shù)學(xué)和計算機技術(shù)等相關(guān)學(xué)科的發(fā)展，有限元理論也得到不斷完善，成為工程分析中應(yīng)用十分廣泛的數(shù)值分析工具，特別是在現(xiàn)代機械工程、車輛工程、航空航天工程、土建工程中發(fā)揮著越來越大的作用，是現(xiàn)代CAE技術(shù)的核心內(nèi)容之一[9]。MARC軟件具有較為先進的接觸分析功能。一方面，MARC仍保留了傳統(tǒng)的間隙摩擦單元來模擬結(jié)構(gòu)兩點之間的接觸，其接觸約束是通過拉氏乘子或罰函數(shù)方法施加的。另一方面，MARC軟件提供了基于直接約束法的接觸迭代算法，可自動分析變形體之間、變形體與剛體以及變形體自身的接觸。當(dāng)發(fā)生接觸時，使用邊界條件直接約束運動體，兩者的運動約束轉(zhuǎn)化成了節(jié)點自由度的約束和節(jié)點力的約束。在MARC程序中，不用提前指定參考單元，可以模擬復(fù)雜的接觸，特別是對大面積接觸，以及事先無法預(yù)知接觸發(fā)生區(qū)域的接觸問題，程序能根據(jù)物體的運動約束和相互作用自動探測接觸區(qū)域，施加接觸約束[10]。

隨著計算機及有限元軟件技術(shù)的發(fā)展，焊接有限元模擬技術(shù)將不斷完善，其模擬結(jié)構(gòu)也向著三維化、整體化、精密化方向發(fā)展，焊接有限元模擬技術(shù)，相當(dāng)于一個虛擬焊接過程，可以優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計和工藝設(shè)計，便于采取必要和合理的工藝措施來控制、調(diào)整和減小焊接殘余應(yīng)力以及變形，從而提高焊接接頭的質(zhì)量，也可省去費時耗資的焊后熱處理以及變形矯正等工序，因此可降低生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)效率。一旦能夠?qū)崿F(xiàn)對各種焊接現(xiàn)象的計算機模擬，我們就可以通過計算機系統(tǒng)來確定焊接各種結(jié)構(gòu)和材料的最佳設(shè)計、最佳工藝方法和焊接參數(shù)[11]。近幾年來，隨著經(jīng)濟的不斷發(fā)展對橋梁等交通設(shè)施的需求以及鋼材、焊接、計算機、施工和制造等技術(shù)水平的不斷改進，大跨徑鋼橋在我國得到了高速的發(fā)展。根據(jù)國內(nèi)外文獻資料，在對接接頭的應(yīng)力集中系數(shù)的有限元分析方面研究最多[12-14]

。T型接頭和十字型接頭應(yīng)力集中系數(shù)的有限元分析方面也有研究[15-17]。

在建筑工程中，工字形鋼板梁應(yīng)用十分廣泛，但焊接時由于加熱冷卻不均，應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生改變，容易出現(xiàn)焊接殘余應(yīng)力的問題。焊接殘余應(yīng)力的存在，會直接影響到鋼結(jié)構(gòu)的承載能力，為了保證焊接的安全可靠，準確的推斷焊接過程中的力學(xué)行為和殘余應(yīng)力是十分重要的課題，目前對殘余應(yīng)力的研究理論分析方法尚不成熟，對于焊接殘余應(yīng)力，以往多是采用切割、鉆孔等試驗測量方法，不但費時費力，還要受到許多條件的限制，結(jié)果數(shù)據(jù)誤差也會很大，隨著有限元計算技術(shù)的日趨完善，應(yīng)用數(shù)值模擬方法計算焊接殘余應(yīng)力克服了試驗測量方法等缺點，并且在結(jié)構(gòu)的設(shè)計階段，則可以通過有限元方法來模擬結(jié)構(gòu)的細部受力狀態(tài)，研究結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)對應(yīng)力集中的影響，從而能更好地為技術(shù)人員設(shè)計焊接工藝參數(shù)。本課題設(shè)計在總結(jié)前人的工作基礎(chǔ)上結(jié)合數(shù)值計算的方法，采用MSC.Marc軟件對工字梁焊接進行了有限元模擬的研究。對工字梁焊接過程中的溫度場變化問題、焊接應(yīng)力以及殘余應(yīng)力問題、焊接變行問題進行模擬，并對這個模擬的結(jié)果進行分析。1工字梁焊接有限元模擬的相關(guān)知識1.1鋁及鋁合金的性能鋁屬有色金屬，比重小，約為鋼的三分之一，而鋁合金的比強度卻很大；鋁的熔點低，但導(dǎo)熱性強，熱容量與熔化潛熱也較大故焊接時要求熱源的熱量集中，才能保證焊透；鋁的線膨脹系數(shù)大，約為鋼的2倍，焊接時易產(chǎn)生焊接應(yīng)力與變形；另外，鋁的導(dǎo)電性好，與氧具有很強的親合力，在空氣中極易氧化。根據(jù)化學(xué)成分與加工方法的不同，純鋁可分為高純鋁、工業(yè)高純鋁和工業(yè)純鋁；鋁合金可分為變形鋁合金和鑄造鋁合金，而形變鋁合金又可分為熱處理可強化與熱處理不可強化兩類，前者如鍛鋁、硬鋁和超硬鋁，后者如鋁錳合金、鋁鎂合金（通稱防銹鋁）[18]。1.2鋁及鋁合金焊接時存在的主要問題和鋼相比，鋁的導(dǎo)熱率高，焊接時就需要高的熱量輸入。對大型截面焊接時，需要進行預(yù)熱。當(dāng)使用電阻焊時，和焊鋼件相比，因鋁具有高的導(dǎo)電率，所以需要較大的電流和較短的焊接時間以精確地控制焊接參數(shù)。由于鋁是無磁性的，當(dāng)用直流電焊接時，電弧不會有吹偏。因此，它可以用作焊接擋板和夾具。鋁及鋁合金，暴露在空氣中時，會很快形成一種黏著力強且耐熱的氧化薄膜，由于氧化膜密度與鋁的密度接近，也可成為焊縫金屬的夾雜物。同時，氧化膜（特別是有MgO存在的不很致密的氧化膜）可吸收較多水分成為焊縫氣孔的重要原因之一。在焊接前，必須仔細清除這層氧化膜，才能在焊接時保證基體和填充金屬熔合良好；在釬焊時，釬料有很好的流動性。氧化膜可用溶劑去除，也可在惰性氣氛下，由焊接電弧的作用去除，或者用機械的或化學(xué)的方法去除。由于其線膨脹系數(shù)較大，焊接變形及裂紋傾向也較大，焊接時需采取相應(yīng)的有效措施。由于焊鋁時的溫度變化不會引起焊件顏色的變化，故焊接時操作有一定難度，需提高焊工的技術(shù)熟練程度。鋁及多數(shù)防銹鋁合金焊接性好，但不少高強度鋁合金焊接性不良，特別是容易在焊接過程中產(chǎn)生焊接裂紋現(xiàn)象。一般鋁及鋁合金的焊接常采用鎢極氬弧焊（TIG焊）以及熔化極氬弧焊（TIG焊、MIG焊）等[19]。1.3鎢極氬弧焊（TIG焊）1.3.1鎢極氬弧焊的原理TIG焊是在惰性氣體的保護下，利用鎢極與焊件間產(chǎn)生的電弧熱熔化母材和填充焊絲（也可以不加填充焊絲），形成焊縫的焊接方法。焊接時保護氣體從焊槍的噴嘴中連續(xù)噴出，在電弧周圍形成保護層隔絕空氣，保護電極和焊接熔池以及臨近熱影響區(qū)，以形成優(yōu)質(zhì)的焊接接頭。TIG焊分為手工和自動兩種。焊接時，用難熔金屬鎢或鎢合金制成的電極基本上不熔化，故容易維持電弧長度的恒定。填充焊絲在電弧前方添加，當(dāng)焊接薄焊件時，一般不需開坡口和填充焊絲；還可采用脈沖電流以防止燒穿焊件。焊接厚大焊件時，也可以將焊絲預(yù)熱后，再添加到熔池中去，以提高熔敷速度。TIG焊一般采用氬氣作保護氣體，稱為鎢極氬弧焊。在焊接厚板、高導(dǎo)熱率或高熔點金屬等情況下，也可采用氦氣或氦氬混合氣作保護氣體。在焊接不銹鋼、鎳基合金和鎳銅合金時可采用氬-氫混合氣作保護氣體。1.3.2鎢極氬弧焊的特點TIG焊與其他焊接方法相比有如下特點：1）可焊金屬多氬氣能有效隔絕焊接區(qū)域周圍的空氣，它本身又不溶于金屬，不和金屬反應(yīng)；TIG焊過程中電弧還有自動清除焊件表面氧化膜的作用。因此，可成功地焊接其他焊接方法不易焊接的易氧化、氮化、化學(xué)活潑性強的有色金屬、不銹鋼和各種合金。2）適應(yīng)能力強鎢極電弧穩(wěn)定，即使在很小的焊接電流下也能穩(wěn)定燃燒不會產(chǎn)生飛濺，焊縫成形美觀；熱源和焊絲可分別控制，因而熱輸入量容易調(diào)節(jié)，特別適合于薄件、超薄件的焊接；可進行各種位置的焊接，易于實現(xiàn)機械化和自動化焊接。3）焊接生產(chǎn)率低鎢極承載電流能力較差，過大的電流會引起鎢極熔化和蒸發(fā)，其顆?？赡苓M入熔池，造成夾鎢。因而TIG焊使用的電流小，焊縫熔深淺，熔敷速度小，生產(chǎn)率低。4）生產(chǎn)成本較高由于惰性氣體較貴，與其他焊接方法相比生產(chǎn)成本高，故主要用于要求較高產(chǎn)品的焊接。1.3.3鎢極氬弧焊的應(yīng)用TIG焊幾乎可用于所有鋼材、有色金屬及其合金的焊接，特別適合于化學(xué)性質(zhì)活潑的金屬及其合金。常用于不銹鋼、高溫合金、鋁、鎂、鈦及其合金以及難熔的活潑金屬（如鋯、鉭、鉬鈮等）和異種金屬的焊接。TIG焊容易控制焊縫成形，容易實現(xiàn)單面焊雙面成形，主要用于薄件焊接或厚件的打底焊。脈沖TIG焊特別適宜于焊接薄板和全位置管道對接焊。1.4有限元法1.4.1有限元法的發(fā)展有限元方法也叫“有限單元法”或“有限元素法”，英文是：“FiniteElementMethod”。是一種將連續(xù)體離散化為若干個有限大小的單元體的集合，以求解連續(xù)體力學(xué)問題的數(shù)值方法。1）有限元法原理將連續(xù)的求解域離散為一組單元的組合體，用在每個單元內(nèi)假設(shè)的近似函數(shù)來分片的表示求解域上待求的未知場函數(shù)，近似函數(shù)通常由未知場函數(shù)及其導(dǎo)數(shù)在單元各節(jié)點的數(shù)值插值函數(shù)來表達。從而使一個連續(xù)的無限自由度問題變成離散的有限自由度問題。2）有限元法的發(fā)展有限元分析法是對于結(jié)構(gòu)力學(xué)分析迅速發(fā)展起來的一種現(xiàn)代計算方法。近50年來有限元方法已經(jīng)有了巨大的發(fā)展，其應(yīng)用領(lǐng)域已從單一的結(jié)構(gòu)分析擴展到溫度場分析、電磁場分析、流體流速場分析及聲場分析等許多領(lǐng)域。其分析問題的類型已從最初的線性穩(wěn)態(tài)問題，如：平衡問題、特征值問題等，發(fā)展到順態(tài)響應(yīng)問題、非線性問題及多介質(zhì)的耦合問題，如：振動響應(yīng)問題、碰撞問題、塑性成形問題、聲固偶合問題及流體與固體偶合問題等等。有限元方法雖誕生于20世紀中葉，但隨著計算機技術(shù)和計算方法的不斷發(fā)展，已成為計算力學(xué)和計算工程學(xué)領(lǐng)域里最有效的計算方法，經(jīng)過40年的發(fā)展不僅使有限元方法的理論日趨完善，而且已經(jīng)開發(fā)了一批通用和專用的有限元軟件，使用這些軟件已經(jīng)成功地解決了眾多領(lǐng)域的大型科學(xué)和工程計算難題，并且取得了巨大的經(jīng)濟效益和社會效益。但是有限元法也存在一些缺點，它的計算量很大，計算周期比較長[20]。1.4.2有限元軟件MSC.MarcMSC.Marc/Mentat是國際上通用最先進非線性有限元分析軟件，它是MSC.SoftwareCoordination（簡稱MSC）公司的產(chǎn)品。MSC公司創(chuàng)建于1963年，總部設(shè)在美國洛杉磯，是享譽全球最大的工程校驗、有限元分析和計算機方針預(yù)測應(yīng)用軟件（CAE）供應(yīng)商，也是世界最著名、最權(quán)威、最可靠的大型通用有限元軟件MSC.Nastran的開發(fā)者。30多年來，MSC公司始終領(lǐng)導(dǎo)著世界CAE領(lǐng)域的發(fā)展方向。其產(chǎn)品作為世界公認的CAE工業(yè)標準，覆蓋了工程仿真分析的各個方面，用戶遍及世界100多個國家和地區(qū)的主要設(shè)計制造工業(yè)公司和研究機構(gòu)。Marc公司一貫倡導(dǎo)用非線性有限元技術(shù)更為準確的模擬真實自然現(xiàn)象，解決從簡單到復(fù)雜的工程實際問題。自1971年推出第一個版本以來，在三十多年中，Marc公司產(chǎn)品已歷經(jīng)幾十次的版本升級。每一次版本的更新都溶入了當(dāng)時最先進的非線性有限元分析技術(shù)和成熟的工程經(jīng)驗，這使Marc軟件具有強有力的競爭力。Marc公司注重產(chǎn)品質(zhì)量，對軟件制定和實施了一整套嚴密和完善的質(zhì)量保證體系[21]。MSC.Marc的主要模塊有MSC.Marc和MSC.Mentat。MSC.Marc是高級非線性有限元分析模塊，而MSC.Mentat作為Marc的前處理器，完全支持MSC.Marc的所有功能。它是新一代的非線性有限元分析的前后處理圖形交互界面，與MSC.Marc求解器無縫結(jié)合，具有極強的結(jié)構(gòu)分析能力。在其中可以完成的功能包括：生成物理模型的幾何表象、給模型引入非幾何信息、控制數(shù)值分析和顯示所得結(jié)果。簡而言之，Mentat是Marc軟件的用戶操作界面，通過它可以實現(xiàn)有限元的前后處理，使有限元軟件的應(yīng)用更加人性化，同時，讓工程技術(shù)人員從繁瑣的數(shù)據(jù)準備、輸入工作中解放出來，從而大大加快了工作的進度。本設(shè)計采用Marc軟件不僅可以作出工字梁焊接的三維立體圖，直接選取焊接路徑、填充材料等，而且能夠動態(tài)的模擬出焊接過程，焊接溫度場的變化，焊接變形及殘余應(yīng)力及應(yīng)變值等，更加真實、直觀的展示出來。1.4.3有限元在焊接中的應(yīng)用現(xiàn)狀有限元進行分析時，首先將被分析物體離散成許多小單元，其次給定邊界條件、載荷和材料特性，再求解線性和非線性方程組，得到位移、應(yīng)力、應(yīng)變、內(nèi)力等結(jié)果，最后在計算機上，利用圖形技術(shù)顯示計算結(jié)果。有限元法作為一種研究各門學(xué)科的物理化學(xué)現(xiàn)象，在焊接過程的應(yīng)用中也相當(dāng)普遍，如焊接過程建模、焊接工藝設(shè)計等。整個焊接過程是一個極其復(fù)雜的熱彈塑性力學(xué)過程，要想精確的了解整個焊接過程中應(yīng)力應(yīng)變和位移的發(fā)生、發(fā)展的動態(tài)行為是十分困難的，因此必須以一定的方式建立簡化的計算模型。在早期的焊接熱過程的理論研究中，R.Senthallv移動熱源固體導(dǎo)熱模型和Rykalin最早提出焊接溫度場的解析模型，奠定了焊接熱過程研究的基礎(chǔ)。70年代初，日本的上田幸雄等以有限元法為基礎(chǔ)，提出考慮材料力學(xué)性能與溫度有關(guān)的焊接熱彈塑性分析理論，從而使復(fù)雜的動態(tài)焊接應(yīng)力應(yīng)變過程的分析成為可能。之后，有限元計算模型進一步豐富起來，諸如材料物理、力學(xué)性能隨溫度變化的影響等都加入了模型之中，并用外推法得到高溫區(qū)材料熱物理性能、力學(xué)性能，使得計算模型逼近實際情況。雖然有限元已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用于焊接結(jié)構(gòu)的分析計算中，但是用有限元進行焊接結(jié)構(gòu)分析時仍存在一些難點：1）焊接熱源高度集中，溫度場分布極不均勻，在焊縫附近應(yīng)采用足夠細密的網(wǎng)格劃分以達到必要的精度，結(jié)果造成自由度數(shù)目龐大，解題規(guī)范大；2）焊接溫度場、應(yīng)力應(yīng)變場是隨時間變化的動態(tài)場，在有限元計算中需要將連續(xù)變化的焊接過程離散為若干個時間增量步。但由于焊縫附近溫度場、應(yīng)力應(yīng)變場隨焊接過程發(fā)生急劇的變化，在計算中不得不用很多時間增量步體現(xiàn)這種快速變化，造成計算量非常大；3）焊接過程中材料力學(xué)性能隨溫度成高度非線性變化，尤其在熔池附近，材料的屈服強度、彈性模量等力學(xué)指標降低為很小值，影響了有限元的求解效率。2程序設(shè)計本課題應(yīng)用MSC.Marc軟件，對工字梁焊接進行有限元模擬。更加立體、直觀的展示出焊接時的溫度場變化、殘余應(yīng)力及應(yīng)變場的變化。在MSC.Marc中，建立鋁板MIG焊的有限元模型包括平板的有限元網(wǎng)格劃分、建立材料模型、焊接路徑及填充材料的定義、定義邊界條件、工況定義、作業(yè)定義和結(jié)果分析等主要步驟[22]。下面將結(jié)合本課題具體闡述以上幾方面內(nèi)容。2.1幾何模型的確定設(shè)計試樣材料為2A16鋁合金，腹板的長度為200mm，寬度100mm，厚度20mm，翼板的長度為200mm，寬度為100mm，厚度為20mm。所以焊縫長100mm。本課題使用（鎢極氬弧焊）焊接，焊縫為角接焊縫，不開坡口，焊絲的直徑為3.0mm，純鎢極直徑為3.2mm，焊接電流150A，焊接時的電壓20V，焊接速度5mm/s，熱效率為0.7。一般而言，在焊接過程中，焊接熔池、被焊工件與焊絲之間發(fā)生著劇烈的物理、化學(xué)反應(yīng)。因而，在進行模擬分析時，應(yīng)該弱化處理甚至不處理那些對溫度場、應(yīng)力應(yīng)變場影響微弱的因素。所以對模型進行如下假設(shè)：1）工件的初始溫度為室溫（20℃）；2）忽略熔池內(nèi)部的化學(xué)反應(yīng)和攪拌、對流等現(xiàn)象；3）建立一個總的熱輸入量，用熔池生熱的加載方法模擬焊接熱源，只考慮熔池與工件之間的熱傳遞。2.2定義材料性能參數(shù)在本文中，采用2A16鋁合金進行分段焊有限元模擬，進行焊接溫度場分析必須確定的熱物理性能參數(shù)和針對應(yīng)力應(yīng)變場模擬必須要確定的力學(xué)性能參數(shù)如表2-1和表2-2所示。工件的初始溫度取室溫為20℃。表2-12A16鋁合金力學(xué)性能參數(shù)列表Tab.2-12A16Tableofthemechanicalpropertiesofaluminumalloy牌號抗拉強度σb/MPa屈服強度σ0.2/MPa伸長率δ50/%疲勞極限σ-1/MPa硬度(10/500)(HBS)彈性模量E/GPa泊松比μ2A1640025012105110710.31表2-22A16鋁合金物理性能參數(shù)列表牌號密度γ/g·㎝-3熔化溫度范圍/℃線膨脹系數(shù)αL（20～100℃）/10-6·K-1比熱容C（20℃）/J·（㎏·K）-1熱導(dǎo)率λ（20℃）/W·（m·K）-1電導(dǎo)率k（20℃）/W·LACS電阻率ρ（20℃）/nΩ·m2A162.840583～68322.5864170，（130）44，（30）39，（57）Tab.2-2TableofphysicalpropertiesofAluminumparameter2.3建立有限元模型和網(wǎng)格劃分首先，由課題定義板材大小尺寸，建立三個矩形立方體。所建模型具體尺寸為腹板長度200mm，寬度100mm和厚度20mm。翼板尺寸為長度200mm，寬度100mm，厚度20mm。MSC.Mentat是MSC.Marc軟件的圖形界面，MSC.Mentat為建立有限元模型提供了兩種方法。其一是直接生成法，其二是生成實體模型，再通過劃分網(wǎng)格生成有限元模型。本課題采用生成實體模型生成有限元模型。進入MSC.Mentat用戶界面的MESHGENERATION（網(wǎng)格生成）菜單進行網(wǎng)格生成，如圖2-1所示，建模完畢。圖2-1生成網(wǎng)格Fig.2-1Generatedgrid2.4施加材料特性進入MSC.Mentat用戶界面的MATERIALPROPERTIES（材料特性定義）菜單中按照表2-1、表2-2中的參數(shù)對母材和填充材料進行施加材料性能。母材和填充材料使用同一種材料。如圖2-2、2-3所示，材料性能定義完畢。圖2-2施加力學(xué)材料性能Fig.2-2Imposedbythemechanicalmaterialproperties圖2-3施加熱傳遞材料性能Fig.2-3Imposedbytheperformanceofheattransfermaterials2.5建立焊接路徑進入MODELINGTOOLS（模型工具）菜單，定義焊接的路徑，我們利用節(jié)點法來確定輸入電弧的路徑和傳導(dǎo)方向，工字梁將分為四條路徑，按如圖2-4所示定義。圖2-4焊接路徑示意圖Fig.2-4Weldingpathdiagram分別對四條焊道定義填充金屬，如圖2-5所示。圖2-5填充金屬示意圖Fig.2-5Schematicdiagramofmetal-filled2.6定義邊界條件在MSC.Mentat用戶界面主菜單中單擊BOUNDARYCONDITIONS（邊界條件的定義）。首先加載焊接溫度場的邊界條件，熔池尺寸分別為熔池寬度5mm，熔池深度5mm，熔池前長4mm，熔池后長10mm，對四段焊接路徑分別定義邊界條件，如圖2-6所示為四條焊道的定義界面。圖2-6邊界條件定義Fig.2-6Definedboundaryconditions至此，溫度場邊界條件定義完畢，下面進行的是定義力學(xué)邊界條件。先后定義板材在X、Y和Z方向的節(jié)點受力方向，這是用來分析焊接應(yīng)力場所必須的條件，如圖2-7所示。圖2-7力學(xué)邊界條件定義Fig.2-7Mechanicalboundaryconditionsdefinition2.7定義載荷工況焊接過程的定義需要進入MSC.Mentat用戶界面的LOADCASES（載荷工況定義）菜單中進行。先定義每段路徑的焊接過程，進行計算收斂檢查，相對位移偏差一般為默認值就可以值越小，計算越精確。反之相反，不能超過0.2，本課題選取0.1。定義焊縫的焊接時間由焊道長度和焊接速率來決定，此處為20s。接下來定義冷卻過程，假設(shè)焊后冷卻時間定為1500s，這個值為估計值，有經(jīng)驗就估計比較準，冷卻時間可以多給，但是不能少給，工況定義如圖2-8所示。圖2-8載荷工況定義Fig.2-8Thedefinitionofloadconditions2.8定義作業(yè)參數(shù)并提交定義作業(yè)一般需要定義作業(yè)類型，和LOADCASES的類型必須一致，選擇輸出的結(jié)果，分析維數(shù)。運行結(jié)果如圖2-9所示。此處按照四道焊縫不同的焊接順序定義四個作業(yè)，job1的焊接順序是第一道焊縫，第二道焊縫，第三道焊縫，第四道焊縫；job2的焊接順序是第二道焊縫，第三道焊縫，第四道焊縫，第一道焊縫；job3的焊接順序是第三道焊縫，第二道焊縫，第一道焊縫，第四道焊縫；job4的焊接順序是第四道焊縫，第二道焊縫，第一道焊縫，第三道焊縫。這時候建模完畢，接下來將要利用軟件對模型計算分析。圖2-9作業(yè)參數(shù)定義結(jié)果Figure2-9Operatingparametersdefinedresults3計算結(jié)果及分析3.1溫度場的計算結(jié)果及分析工字梁有四條焊道，分析焊接順序為第一道，第二道，第三道，第四道。圖3-1到圖3-5分別為焊接中、焊后正在散熱和散熱過程結(jié)束的溫度場云圖。圖3-1第5個增量步時的溫度場云圖Fig.3-1Section5oftheincrementalsteptemperaturecloud圖3-2第27個增量步時的溫度場云圖Fig.3-2Section27oftheincrementalsteptemperaturecloud圖3-3第40個增量步時的溫度場云圖Fig.3-3Section40oftheincrementalsteptemperaturecloud圖3-1、3-2、3-3分別表示焊接進行10s、54s、80s時工字梁的過程中的溫度場分布，代表最高溫度的黃色區(qū)域溫度已達到660℃，焊接過程正常進行。從圖中可以看出，高溫從熔池向四周擴散，溫度逐漸降低。圖3-4第100個增量步時的溫度場云圖Fig.3-4Section100oftheincrementalsteptemperaturecloud圖3-4表示焊接980s后的溫度分布，這個時候整個板材正在散熱，溫度的降低已經(jīng)非常明顯，最高溫度為150℃。圖3-5第140個增量步時的溫度場云圖Fig.3-5Section140oftheincrementalsteptemperaturecloud圖3-5表示焊接過后1580s的溫度分布，各個顏色表示的區(qū)域，最高溫度為100℃左右，說明焊件已逐漸冷卻。MSC.Marc軟件能夠顯示整個焊接過程中溫度場的變化情況，隨著熱源的移動，模型上每個節(jié)點的溫度都隨時間的變化而變化。起弧后，焊接產(chǎn)生高溫，造成鋁板一直在升溫，而且焊道的周圍升溫迅速，經(jīng)過一段時間后，焊縫熔池溫度達到穩(wěn)定，直到焊接完成，最后散熱冷卻到室溫，溫度逐漸由焊道向周圍遞減。如圖3-6所示，提取焊道中心線上的點，焊道周圍的點以及遠離焊道上的點的溫度變化數(shù)據(jù)，通過MSC.Marc軟件，我們可以把云圖分布轉(zhuǎn)換成圖3-7所示的圖表形式，更便于對焊接溫度場進行分析。圖3-6焊件上的三點Fig.3-6Thethreewelded圖3-7焊道中心線上的點，焊道周圍的點以及遠離焊道上的點的溫度變化曲線圖Fig.3-7Weldcenterlineofthepoint,theweldspotsaroundthetrailandawayfromtheweldingpointofthetemperaturechangecurve由圖中可以看出，黃色曲線是焊到第四道焊縫時焊道中心線上的其中一點，圖中呈現(xiàn)出整個焊接過程的溫度變化。曲線在開始的時候溫度變化不明顯，是由于此時正在焊第一道和第二道。當(dāng)焊到第三道時，熱源與它的距離變近，溫度升高。當(dāng)熱源迅速移動到該點，溫度急劇升到熔池的最高溫度660℃。綠色曲線和紅色曲線是焊道周圍的點，從圖中可以看到隨著時間的增加，當(dāng)焊點越來越近時，溫度逐漸升高，焊完后逐漸緩慢冷卻。3.2焊接應(yīng)力場和殘余應(yīng)力場的計算及分析3.2.1焊接應(yīng)力場的計算及分析通過MSC.Marc軟件，可以觀察到焊件在焊接時應(yīng)力場的變化。圖3-8和圖3-9分別為第一道焊縫的第8個增量步焊接16s時焊接橫向和縱向應(yīng)力分布云圖。在本模型中，垂直于焊道中心線方向的應(yīng)力為橫向應(yīng)力，平行于焊道中心線方向的應(yīng)力為縱向應(yīng)力。圖3-8第8個增量步時的橫向應(yīng)力分布云圖Fig.3-8Section8ofincreasesteptimelateralstressdistributedcloudchart從圖3-8中可以觀察到橫向應(yīng)力的分布，焊縫上主要受拉應(yīng)力，最大的拉應(yīng)力出現(xiàn)在焊縫前端，最大的拉應(yīng)力值為0.3955MPa。離焊縫近的部分受較小的壓應(yīng)力和拉應(yīng)力。第一條焊縫的翼板上主要受壓應(yīng)力。腹板上大部分處于較小的拉應(yīng)力，應(yīng)力的變化不明顯。圖3-9第8個增量步時的縱向應(yīng)力分布云圖Fig.3-9Section8ofincreasesteptimeverticalstressdistributedcloudchart從圖3-9中可以觀察到縱向應(yīng)力的分布，焊件焊縫前端受到較大的拉應(yīng)力，最大拉應(yīng)力值為0.4689Mpa。焊縫后端受到壓應(yīng)力的作用，腹板上大部分受到的是壓應(yīng)力與拉應(yīng)力之間的力。圖3-10和圖3-11分別為焊接第90個增量步60s時焊接橫向和縱向應(yīng)力分布云圖。圖3-10第30個增量步時的橫向應(yīng)力分布云圖Fig.3-10Section30ofincreasesteptimelateralstressdistributedcloudchart從圖3-10中可以觀察到橫向應(yīng)力的分布，焊縫區(qū)主要受拉應(yīng)力，最大拉應(yīng)力值為0.3248Mpa。焊縫的中上部受較大的拉應(yīng)力，下部小部分區(qū)域受較小的拉應(yīng)力。腹板上大部分區(qū)域處于拉應(yīng)力。第一道和第二道焊縫處的翼板上受到較大的壓應(yīng)力。圖3-11第30個增量步時的縱向應(yīng)力分布云圖Fig.3-11Section30ofincreasesteptimeverticalstressdistributedcloudchart從圖3-11中可以觀察到縱向應(yīng)力的分布。焊縫區(qū)上部主要受拉應(yīng)力最大拉應(yīng)力值為0.6774Mpa。兩個翼板所受的壓應(yīng)力大小不同，第一、二焊縫出的翼板上所受的壓應(yīng)力較大，而第三、四焊縫出的翼板所受的壓應(yīng)力較小。腹板上大部分區(qū)域處于較小的拉應(yīng)力和壓應(yīng)力之間，翼板受較小的壓應(yīng)力。從以上四個圖中可以觀察到第8個增量步及第30個增量步時應(yīng)力場的分布云圖。由于焊件受熱后會膨脹，冷卻后會收縮，也就是說，溫度的變化會使物體焊件產(chǎn)生變形。變形受到約束，就在焊件內(nèi)部產(chǎn)生了應(yīng)力，即為溫度應(yīng)力或熱應(yīng)力。這種應(yīng)力主要是由構(gòu)件的不均勻受熱引起的。加熱焊道時使其受熱膨脹，由于焊道受到周圍板材的制約，膨脹不能自由進行，此時焊道就受到壓應(yīng)力，焊道周圍的腹板和翼板上就受到拉應(yīng)力。熔池位置的橫向應(yīng)力很小，這是由于此時材料軟化造成。電弧前端位置明顯受到較大的壓應(yīng)力，這是由于熔池金屬受熱膨脹，而使周圍材料受壓所致。3.2.2殘余應(yīng)力場的計算及分析本課題定義四道焊縫在40個增量步時焊接結(jié)束，進行散熱。直到第140個增量步，散熱結(jié)束焊件冷卻到室溫。如圖3-12和圖3-13為焊后1580s時橫向焊后殘余應(yīng)力場和縱向焊后殘余應(yīng)力場的分布云圖。圖3-12第140個增量步時的橫向應(yīng)力分布云圖Fig.3-12Section140ofincreasesteptimelateralstressdistributedcloudchart由圖3-12中可以觀察到橫向殘余應(yīng)力分布，四條焊縫上受較大的拉應(yīng)力，最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在焊縫中部，拉力值約為0.4560MPa。翼板上主要受壓應(yīng)力，應(yīng)力值變化較大，兩端受較大的壓應(yīng)力。最大的壓應(yīng)力出現(xiàn)在腹板的兩側(cè)及底部，壓力值約-0.2710MPa。腹板上處于壓應(yīng)力與拉應(yīng)力之間，離焊縫近的區(qū)域主要受較小的拉應(yīng)力。圖3-13第140個增量步時的縱向應(yīng)力分布云圖Fig.3-13Section140ofincreasesteptimeverticalstressdistributedcloudchart由圖3-13中可以觀察到縱向殘余應(yīng)力分布，焊縫部分受拉應(yīng)力，最大應(yīng)力值約為0.7406MPa，焊縫周圍受拉應(yīng)力與壓應(yīng)力之間。腹板上面處于較小的拉應(yīng)力與壓應(yīng)力，翼板上受到壓應(yīng)力的作用，最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在翼板兩端，其值約為-0.1346MPa。如圖3-14所示，提取焊道中心線的點的殘余應(yīng)力數(shù)據(jù)，通過MSC.Marc軟件，把云圖分布轉(zhuǎn)換成圖表形式，更便于對殘余應(yīng)力場進行分析，如圖3-15所示。圖3-14第一道焊縫中心線上的點Fig.3-14Thefirstpointofweldcenterline圖3-15焊接中心線上橫向殘余應(yīng)力和縱向殘余應(yīng)力變化曲線圖Fig.3-15Inweldingmiddlelinecrosswiseandlongitudinalresidualstresschangecurve圖中顯示了焊后焊件的殘余應(yīng)力分布情況，橫坐標為焊縫中線沿焊縫的長度，縱坐標為應(yīng)力。圖示為焊后1500S冷卻后，綠色曲線代表焊道中心線上各點的橫向殘余應(yīng)力，紅色代表各點的縱向殘余應(yīng)力。從圖中可知，在焊縫方向的縱向應(yīng)力中部很長一段拉應(yīng)力而且很大，而橫向應(yīng)力則先是過渡比較平緩的拉應(yīng)力，再逐漸減小。在理論上，在焊接過程中，焊接區(qū)以遠高于周圍區(qū)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區(qū)域的約束，并造成(彈性)熱應(yīng)力，受熱區(qū)域溫度升高后屈服極限下降，熱應(yīng)力可部分超過該屈服極限；結(jié)果，焊接區(qū)形成了塑性的熱壓縮；冷卻后，比周圍區(qū)域相對縮短。因此，這個區(qū)域就呈現(xiàn)拉伸殘余應(yīng)力，周圍區(qū)域則承受壓縮殘余應(yīng)力。在焊后的翼板表面中間垂直于焊道取一條路徑進行焊接應(yīng)力場分析，如圖3-16所示。圖3-16翼板表面中間垂直于焊道上的點Fig.3-16Flangesurfaceofthemiddleaisleofthepointsperpendiculartothewelding圖3-17所取路徑受橫向應(yīng)力和縱向應(yīng)力的變化曲線圖Fig.3-17Takesthewaytoreceivecrosswiseandlongitudinalstresschangecurve通過軟件計算，用圖表表示此路徑的應(yīng)力分布，如圖3-17所示。從圖中，可以觀察到，翼板中心受較高的拉應(yīng)力，腹板的兩端受較大的壓應(yīng)力?？v向應(yīng)力大于橫向應(yīng)力。圖3-18job1焊接順序時橫向殘余應(yīng)力分布云圖Fig.3-18Whentheweldingsequencejob1transverseresidualstressdistributionofconvective圖3-19job2焊接順序時橫向殘余應(yīng)力分布云圖Fig.3-19Whentheweldingsequencejob2transverseresidualstressdistributionofconvective圖3-20job3焊接順序時橫向殘余應(yīng)力分布云圖Fig.3-20Whentheweldingsequencejob3transverseresidualstressdistributionofconvective圖3-21job4焊接順序時橫向殘余應(yīng)力分布云圖Fig.3-21Whentheweldingsequencejob4transverseresidualstressdistributionofconvective圖3-18到圖3-21為四個焊接順序下焊后的橫向殘余應(yīng)力分布圖，由圖可以看出job1焊接順序下最大拉應(yīng)力為0.4560Mpa,最大壓應(yīng)力為0.2710Mp。job2焊接順序下最大拉應(yīng)力為0.4822Mpa,最大壓應(yīng)力為0.2708Mpa。job3焊接順序下最大拉應(yīng)力為0.4751Mpa,最大壓應(yīng)力為0.2712Mpa。job4焊接順序下最大拉應(yīng)力為0.4832Mpa,最大壓應(yīng)力為0.2689Mpa。所以，job1焊接順序下的最大拉應(yīng)力最小，job4焊接順序下的最大拉應(yīng)力最大。Job4焊接順序下的最大壓應(yīng)力最小，job3焊接順序下的最大壓應(yīng)力最大。圖3-22job1焊接順序時縱向殘余應(yīng)力分布云圖Fig.3-21Whentheweldingsequencejob1longitudinalresidualstressdistributionofconvective圖3-23job2焊接順序時縱向殘余應(yīng)力分布云圖Fig.3-23Whentheweldingsequencejob2longitudinalresidualstressdistributionofconvective圖3-24job3焊接順序時縱向殘余應(yīng)力分布云圖Fig.3-24Whentheweldingsequencejob3longitudinalresidualstressdistributionofconvective圖3-25job4焊接順序時縱向殘余應(yīng)力分布云圖Fig.3-25Whentheweldingsequencejob4longitudinalresidualstressdistributionofconvective圖3-22到3-25為四個焊接順序下焊后的縱向殘余應(yīng)力分布圖，由圖可以看出job1焊接順序下最大拉應(yīng)力為0.7406Mpa,最大壓應(yīng)力為0.1346Mp。job2焊接順序下最大拉應(yīng)力為0.7655Mpa,最大壓應(yīng)力為0.1342Mpa。job3焊接順序下最大拉應(yīng)力為0.7600Mpa,最大壓應(yīng)力為0.1338Mpa。job4焊接順序下最大拉應(yīng)力為0.7535Mpa,最大壓應(yīng)力為0.1343Mpa。所以，job2焊接順序下的最大拉應(yīng)力最大，job1焊接順序下的最大壓應(yīng)力最小。3.3焊后變形的計算及分析通過軟件可以觀察到焊后焊件的變形，如圖3-26到圖3-29所示。圖3-26job1焊后變形Figure3-26Job1weldingdeformation圖3-27job2焊后變形Figure3-27Job2weldingdeformation圖3-28job3焊后變形Figure3-28Job3weldingdeformation圖3-29job4焊后變形Figure3-29Job4weldingdeformation采用位移放大系數(shù)自動放大，經(jīng)過觀察后可以發(fā)現(xiàn)，焊件從開始焊接經(jīng)過1580s冷卻到室溫以后，由于板材較厚而熱輸入小，所以應(yīng)力比較大，在翼板的兩端產(chǎn)生橫向收縮有上翹的趨勢及角焊縫自身的收縮引起的變形，但變形非常小。在腹板上，焊后有非常細小的變形。由于鋁及鋁合金有較大的熱應(yīng)力，線脹系數(shù)、熱導(dǎo)率都比較大而且板厚較大，焊件在受熱膨脹后產(chǎn)生了熱脹冷縮，且在冷卻后無法恢復(fù)，產(chǎn)生了塑性變形。由于板厚較大而熱輸入較小時，板材背面的溫度低，材料還處于彈性狀態(tài)，塑性變形區(qū)未能貫穿板厚，因此角變形較小。圖3-26到圖3-29是不同焊接順序下的焊后變形。從圖中可以看出焊接順序為第一道，第二道，第三道，第四道的job1的焊后變形的最大位移是0.4583mm。焊接順序為第二道，第四道，第一道，第三道的job2的焊后變形的最大位移是0.4475mm。焊接順序為第三道，第二道，第一道，第四道的job3的焊后變形的最大位移是0.4506mm。焊接順序為第四道，第一道，第三道，第二道的job4的焊后變形的最大位移是0.4483mm。說明焊后變形位移從小到大排序是job2,job4,job3,job1。4結(jié)論本文以工字梁焊接為例，對焊接過程產(chǎn)生的溫度場、應(yīng)力場、殘余應(yīng)力場和焊接變形進行了三維動態(tài)模擬，提出了基于MSC.Marc軟件的焊接溫度場、應(yīng)力場、殘余應(yīng)力場變形和應(yīng)變場的有限元模擬的分析方法，通過本課題的研究，得出以下結(jié)論：1）焊縫中心縱向截面上的橫向殘余拉應(yīng)力比較小，起弧和收弧處存在數(shù)值很高的殘余壓應(yīng)力，且兩焊縫交界處殘余應(yīng)力較高，容易誘發(fā)局部失穩(wěn)，應(yīng)重視起弧和收弧處以及焊縫交界處的焊接。2）采用不同的焊接順序?qū)囟葓觥?yīng)力場、殘余應(yīng)力場和焊接變形有影響。分析表明焊接順序為第二道，第三道，第四道，第一道，的焊接后的工件變形小。3）通過對焊接過程應(yīng)力場的實時動態(tài)模擬，可以了解焊接過程中任一點在整個焊接過程中的應(yīng)力變化、任一截面的應(yīng)力分布，有助于理解焊接過程中應(yīng)力的成因，對焊接結(jié)構(gòu)的殘余應(yīng)力分布預(yù)測也有一定意義。4）本文所提出的模擬方法在一定范圍內(nèi)能較準確地模擬出焊接溫度場、應(yīng)力場、殘余應(yīng)力場和應(yīng)變場，對焊接過程的研究有參考價值。5）采用本方法，可以對焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計、焊接工藝提供理論依據(jù)，節(jié)省時間，降低成本，提高效率。鋁合金板材焊接應(yīng)力的產(chǎn)生、發(fā)展很快，在很短時間內(nèi)，應(yīng)力趨于穩(wěn)定；熱源前緣和附近存在數(shù)值很高的縱向和橫向動態(tài)壓應(yīng)力，容易導(dǎo)致結(jié)構(gòu)發(fā)生瞬態(tài)失穩(wěn)。掌握焊接應(yīng)力的發(fā)生、發(fā)展及分布規(guī)律，為減小和控制焊件的焊接應(yīng)力和變形提供依據(jù)。致謝本設(shè)計在綦秀玲老師的悉心指導(dǎo)和嚴格要求下完成，從課題選擇、方案論證到具體設(shè)計和發(fā)布，無不凝聚著老師的心血和汗水。她憑借自己在材料領(lǐng)域中積累的豐富經(jīng)驗，在學(xué)業(yè)上給予了我耐心的指導(dǎo)，并在工作、生活各方面提供了無私的幫助。我從綦老師身上學(xué)到了很多東西，綦老師認真負責(zé)的工作態(tài)度、嚴謹?shù)闹螌W(xué)精神和深厚的理論水平都使我終身受用。不積跬步何以至千里，本設(shè)計能夠順利的完成，也歸功于大學(xué)四年各位任課老師的認真負責(zé)，使我能夠很好的掌握和運用專業(yè)知識，并在設(shè)計中得以體現(xiàn)，在此向遼寧工程技術(shù)大學(xué)材料學(xué)院的全體老師，表示由衷的謝意，感謝您們四年來的辛勤栽培。感謝夏紅麗同學(xué)，我們在相互幫助中學(xué)到很多東西，與她的深厚友誼將是我今后人生路上的寶貴財富，我將永遠珍惜。最后，衷心感謝各位專家和學(xué)者的評議和指導(dǎo)。參考文獻[1]丁林,永濤,明喜.T型接頭激光焊接的溫度場和應(yīng)力場的數(shù)值模擬[J].安徽工業(yè)大學(xué)學(xué)報,007,4(4):4.[2]朱妙鳳.鋁合金激光焊接過程有限元模擬與分析[J].焊接學(xué)報,2008,9（4）：97～100.[3]武傳松.接熱過程數(shù)值分析[M].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社,1990.[4]薛忠明,顧蘭,張彥華.激光焊接溫度場數(shù)值模擬[J].焊接學(xué)報,2003,(24):79～82.[5]FrickeS,KeimE,SchmidtJ.Numericalweldmodeling-amethodforcalculatingweld-inducedResidualstresses[J].NuclearengineeringahdDesign,2001,206:139～150.[6]倪紅芳,凌祥.多道焊三維殘余應(yīng)力場有限元模擬[J].機械強度,2004,26(2):218～222.[7]汪建華,陸?zhàn)?預(yù)測焊接變形的殘余塑性應(yīng)變有限元法[J].上海交通大學(xué)學(xué)報,1997,31(4):25～30.[8]王文元.有限元法基礎(chǔ)與程序設(shè)計[M].廣州:華南理工大學(xué)出版社,2002.[9]武義生譯.有限元基礎(chǔ)教程[M].北京:電子工業(yè)出版社,1999.[10]王玉超,周鋒.Marc有限元分析在鋼板彈簧設(shè)計中的應(yīng)用[J].現(xiàn)代制造工程,2006,12(12):56～60.[11]汪建華,馬繼.計算機和數(shù)值模擬技術(shù)在焊接中的應(yīng)用綜述[J].上海交通大學(xué)學(xué)報,2001,12:3～8.[12]GURNEYTR.Finiteelementanalysesofsomejointswiththeweldstransversetothedirectionofstress[J].WeldingResearchInternational,1976,6(4):40–72.[13]于有生,盧偉.對接接頭工作應(yīng)力分布的研究[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報,2005,29（1）:123～125.[14]張毅,黃小平,崔維成.對接接頭焊趾應(yīng)力集中有限元分析[J].船舶力學(xué),2004,8(5):91～99.[15]淳慶,邱洪興.不承載角焊縫節(jié)點應(yīng)力集中系數(shù)有限元分析[J].特種結(jié)構(gòu),2006,23(4):21～23.[16]章寧,于有生,韓喆.基于Ansys的十字接頭焊應(yīng)力集中系數(shù)研究[J].中國水運(學(xué)術(shù)版),2006,6(11):53～54.[17]BRENNANFP,PELETIESP,HELLIERAK.Predic2tingweldtoestressconcentrationfactorsforTandskewedT2jointsplateconnections[J].In.[18]傅文元.鋁及鋁合金的焊接[J].造船技術(shù),1992,4:33～40.[19]李亞江.焊接冶金學(xué)[M].北京:機械工業(yè)出版社,2006,10.[20]陳火紅.Marc有限元實例分析教程[M].北京:機械工程出版社,2002.[21]L.Fu,L.Y.Duan,S.G.Du.NumericalSimulationofInertiaFrictionWeldingProcessbyFiniteElementMethod[J].2003.[22]陳楚.數(shù)值分析在焊接中的應(yīng)用[M].上海:上海交通大學(xué)出版社,1985.附錄A譯文對TIG焊接中殷鋼合金溫度場的研究PeiquanXu&ChenHuang&JianpingHeReceived:23September2007/Accepted:4June2008/Publishedonline:8July2008Springer-VerlagLondonLimited2008摘要為了改善殷鋼合金的焊接性能，利用有限元分析方法和真實的實驗在不同的焊接參數(shù)和焊接材料的不同厚度的情況下對溫度場的分布進行了研究。焊接深度和溫度場分布的透露也是靠真實的實驗和有限元分析來進行的。最后，對溫度分布對焊接參數(shù)的影響及焊接深度進行了討論。該結(jié)果表明，合金Ni48Fe52可以使用焊接工藝參數(shù)I=132A，U=17.1V，V=4mm/s，δ=1.88mm。對碳素鋼進行全面滲透焊接。關(guān)鍵詞：TIG焊接；殷鋼合金；有限元分析；溫度場；1介紹殷鋼合金是在一定的溫度范圍（從室溫至230℃）的情況下帶有熱膨脹系數(shù)的一種功能性的材料，殷鋼合金韌性好，焊接性能好，并且具有優(yōu)良的力學(xué)性能和非常良好的耐腐蝕性。因此，殷鋼合金廣泛用于太空遠程，多種常用的傳感器，人造地球衛(wèi)星，激光測量精度系統(tǒng)，還有圓形激光陀螺儀和波導(dǎo)。除此之外，隨著殷鋼合金焊接技術(shù)逐步的發(fā)展過程中，殷鋼合金在對硬質(zhì)合金的焊接用于液化天然氣載波設(shè)備的作用取代了不銹鋼焊接中的作用。所以說殷鋼合金是一種功能性的材料，殷鋼合金韌性好，焊接性能好，并且具有優(yōu)良的力學(xué)性能和非常良好的耐腐蝕性。殷鋼，屬于鐵鎳合金的一種，這種材料最大的特點隨溫度變形非常小，適合于制作對溫度變形有嚴格要求的零件。在對殷鋼合金多種多樣的不同的焊接過程中，這些過程中都有兩個關(guān)鍵和重要的問題需要大家去解決：其中之一是在焊接過程中所產(chǎn)生的殘余應(yīng)力會引起非常的大的熱膨脹系數(shù)梯度的情況；而另一種是在焊接之后韌脆性復(fù)合碳化物形成或沉淀元素相互擴散引起的附近的界面。因為這兩個關(guān)鍵問題的存在，所以需要對殷鋼合金附近的溫度場分布和碳鋼焊接界面進行調(diào)查，并且也是為了研究確定的溫度和元素相互擴散的關(guān)系。隨著精密焊接技術(shù)的發(fā)展，鎢極惰性氣體保護焊(TIG)焊接工藝的數(shù)值分析技術(shù)引起了全世界的關(guān)注。景山等人[1]，提出了在TIG焊接熔池中在液面上的弧的作用應(yīng)用在表面演化上。比尼等人[2]的報告預(yù)測固定TIG焊接過程的熔池形狀。利用數(shù)值模擬研究焊接過程研究了多道一些機械溫度的影響，提出了對數(shù)值結(jié)果的變化的材料特性[3]。此外，數(shù)值分析也用來模擬汽車車身鈑焊[4]，焊管內(nèi)高壓成形過程[5]和連續(xù)鑄造鋼[6]。焊接熱過程的準確計算和測量是焊接冶金分析、焊接應(yīng)力應(yīng)變彈塑性分析和焊接過程自動化控制的前提。焊接熱過程取決于外加熱源的分布形式、材料的熱物理性能以及材料與周圍的換熱。經(jīng)典的雷卡林公式以點、線、面或高斯分布熱源來模擬各種焊接熱源,有一定的局限性。材料在加熱和冷卻過程中有潛熱的吸收和放出,在精確分析焊接熱過程時必須計及潛熱部分。在研究NiFeC釬料的基礎(chǔ)上[7]，并根據(jù)在文獻[8-10]，一個可行的動態(tài)模擬方法對焊接溫度場，應(yīng)力和變形的建立提供理論基礎(chǔ)和指導(dǎo)，促進了有限元方法在（FEM）的力學(xué)分析和焊接工程中的應(yīng)用。該文章的主要內(nèi)容包括：計算焊接過程是一個非線性過程，其中性能隨著溫度特性改變，選擇作為熱源模型高斯函數(shù)。一個短暫的數(shù)學(xué)模型焊接熱過程中建立了模擬移動熱源和焊接速度的影響，對溫度場焊接電流，有效半徑進行了討論。表1：殷鋼合金和45碳鋼的化學(xué)成分（重量％）表2：Ni42Fe58殷鋼合金和45＃鋼TIG焊的焊接參數(shù)圖1：殷鋼合金鋼TIG焊變形檢測圖表3：殷鋼合金和45碳素鋼的材料性能表4：檢測到殷鋼合金和45＃鋼TIG焊接過程中變形的位置表5：殷鋼合金和45碳鋼鎢極氬弧焊焊接過程中的變形量圖2：溫度場分析,a建模，b網(wǎng)?邊界條件2型號說明

2.1網(wǎng)和邊界條件本文討論對接焊縫與連接兩個半圓合金制造的鎳鐵片和45＃碳鋼分別采用TIG焊的化學(xué)組成特征焊接材料見表1。在焊接過程中，焊縫和熱影響區(qū)的溫度梯度變化很大，所以該部分要采用加密的網(wǎng)格；而遠離焊縫的區(qū)域，溫度梯度變化相對較小，可以采用相對稀疏的網(wǎng)格。由于工件為薄板，殷鋼合金設(shè)計并提出以下步驟：1）根據(jù)殷鋼合金的成分（鎳/鐵比值為42:58），鎳和鐵的混合物放入感應(yīng)熔化混合后銑爐；

2）殷鋼合金熔化在1450℃間采用真空感應(yīng)熔煉技術(shù)；3）鑄造后，殷鋼合金自然冷卻到室溫；4）殷鋼合金易形成圓筒，其直徑為48毫米；焊接參數(shù)列于表2。變形對Ni42Fe58殷鋼合金和45＃碳有不同的影響在焊接過程中測量，架構(gòu)對測量過程的影響如圖1所示。半輪板分為11947以上元素和由11963節(jié)點元素。焊接火炬看作一個剛體，簡化積分沙漏控制網(wǎng)是用來避免鎖定問題。這些材料經(jīng)過近焊槍大型焊接變形后的兩種焊接材料，為了模擬焊縫區(qū)，狹窄的幾何模型是受聘于這項研究的。2.2材料性能殷鋼合金和45＃碳鋼的材料特性見表3。一般來說，隨著溫度、楊氏模量剪切模量的減少材料特性是增加的；然而，在一定程度上，對于殷鋼合金來說上述兩個參數(shù)保持不變或增加。焊接過程中，材料會發(fā)生相變。相變時會吸收或放出潛熱，即相變潛熱。它在一定程度上影響著冷卻速度和冶金組織。如鋼鐵的熔化和鐵素體奧氏體的轉(zhuǎn)變，嚴格分析相變潛熱是比較困難的。相變界面，如液固邊界，存在溫度梯度的不連續(xù)性，熔化時吸收潛熱，凝固時釋放潛熱，處理相變的一種辦法是將潛熱的影響以比熱容在熔化范圍內(nèi)的突變來處理。當(dāng)熔化過渡區(qū)較大時，這一點比較好處理。而實際上熔化發(fā)生在很小的范圍內(nèi)，在計算時就易錯過熔化區(qū)。圖3：冷卻云圖，針對不同樣品的溫度場，a是樣品一20秒的，b是樣品二33秒的，c是樣品三43秒的，d是樣品四31秒的。圖4：節(jié)點的選擇，節(jié)點n和m，b節(jié)點i，j和k圖5：圖上為溫度，不同的焊接工藝參數(shù)的時間和厚度的關(guān)系A(chǔ)：I=120A,U=15.6V,V=3.5mm/s,δ=2.73mmB：I=132A,U=16.2V,V=3mm/s,δ=3mmC：I=132A,U=15.2V,V=2mm/s,δ=3.54mmD：I=132A,U=17.1V,V=4mm/s,δ=1.88mm圖6：焊后在10.3s時的溫度場分布(I=120A,U=15.6V,V=3.5mm/s,δ=2.73m)

圖7：焊后在5.3s時的溫度場分布(I=132A,U=17.1V,V=4mm/s,δ=1.88mm)

3結(jié)果

3.1焊接變形實驗與結(jié)果兩個百分表位置是殷鋼合金和45＃碳鋼變形的區(qū)別，如圖1所示。在TIG焊接過程中變形可以被檢測到，其中L代表焊槍和焊接位置之間的距離，是沿前進方向的指標，H代表焊縫與垂直位置之間的距離，是推進方向的指標。L和H的值見表4。在焊接進行之前，把指標原始值寫下來，焊接完后，值在記下來，接下來，殷鋼合金和45＃碳鋼的變形量的計算是原始值和焊后值的差，實驗結(jié)果如表5所示。焊件邊界與周圍介質(zhì)進行換熱，熱量的損失主要通過輻射換熱和對流換熱。溫度越高則輻射換熱作用越強烈，而對流作用相對較小。由于輻射換熱與對流換熱的計算方法不同，為了計算方便，采用總的換熱系數(shù)。3.2溫度場分布分析結(jié)果對采用TIG焊的合金和45＃碳鋼的焊件的溫度分布進行了分析。根據(jù)溫度分布和實驗結(jié)果，幾何模型分為三個部分：焊縫區(qū)，熱影響區(qū)（HAZ），和遠焊縫區(qū)，如圖2a所示。建模后，工件是嚙合的并遵守下列規(guī)定：在焊縫區(qū)的尺寸非常精密；粗大的尺寸的區(qū)域遠離焊縫區(qū)；嚙合模型和熱影響區(qū)自由選擇。嚙合結(jié)果如圖2b。和邊界條件負載如圖2c。雙橢圓熱源模型參數(shù)，中心半徑R等于0.0008米熱效率系數(shù)η等于0.8。使用以上的有限元模型，對焊接參數(shù)條件下的四種條件對焊件的溫度場進行了有限元的研究。案例一：I=120A，U=15.6V，V=3.5mm/s，δ=2.73mm。當(dāng)焊接電流為120安，焊接電壓為15.6伏，焊接速度為3.5毫米/秒，厚度為2.73毫米時殷鋼合金和45＃碳鋼焊接后的開始20秒時溫度場的分布，如圖3a所示。案例二：I=132A，U=16.2V，V=3mm/s，δ=3mm。當(dāng)焊接電流為132安，焊接電壓為16.2伏焊接速度為3毫米/秒，厚度為3毫米時45＃碳鋼焊接后的開始33秒，溫度場分布，如圖3b所示。案例三：I=132A，U=15.2V，V=2mm/s，δ=3.54mm。當(dāng)焊接電流為132安，焊接電壓為15.2伏，焊接速度為2毫米/秒，厚度為3.54毫米的殷鋼合金和45＃碳鋼，焊接43秒后的冷卻云圖，如圖3c所示。案例四：I=132A，U=17.1V，V=4mm/s，δ=1.88mm。當(dāng)焊接電流為132安，焊接電壓為17伏，焊接速度為4毫米/秒，厚度為1.88毫米，對于殷鋼合金和45＃碳鋼，焊后31秒的冷卻云圖，如圖3d所示。表6：材料的的固液溫度4討論

4.1焊接參數(shù)對溫度分布的影響相比之下，當(dāng)采用不同的焊接參數(shù)時，在焊縫區(qū)，熱影響區(qū)，遠焊縫區(qū)的節(jié)點上溫度分布是不同的，在焊接過程和冷卻過程中進行了研究。在這項研究中，取節(jié)點i(3737)，k(4016)，j(1292)，m(3587)，和n(3423)為例，（如圖4所示）選定的焊縫區(qū)，熱影響區(qū)和遠焊縫區(qū)處得節(jié)點溫度分布圖如圖5所示。其中水平軸代表時間垂直軸表示的溫度。從上圖，我們可以看到，節(jié)點j（焊接縫）溫度遠比我的節(jié)點，k（熱影響區(qū)），和n（遠焊接縫區(qū)）。焊接過程中溫度梯度大于在冷卻過程中的溫度梯度。焊件中的溫度場分布反映了復(fù)雜的焊接熱過程，它不僅直接通過熱應(yīng)變，而且還間接通過隨金屬狀態(tài)和顯微組織變化引起的相變、應(yīng)變決定焊接殘余應(yīng)力，決定了焊縫熔化、結(jié)晶、變形、應(yīng)力等狀況，這些因素影響到熔合、裂紋、組織等與焊接質(zhì)量有關(guān)的指標，故焊接溫度場分布量能夠全面和深入地反映焊接質(zhì)量，因此關(guān)于焊接溫度場的數(shù)值模擬技術(shù)將成為21世紀焊接科研的重要方向之一。4.2焊接參數(shù)對焊接深度的影響

測量溫度分布特征的過程是很難的。在這里，我們設(shè)定針對定性的分析方法，模擬焊接工件在焊接時表面溫度分布和背面溫度分布，并對工件進行真正焊接深度實驗。相比之下，焊接參數(shù)對不同厚度工件的實驗可以通過仿真和實時評估進行。結(jié)果如圖6和7所示，跟據(jù)表6，焊接加工中使用的四種焊接參數(shù)中，只有I=132A，U=17.1V，V=4mm/s，δ=1.88mm的條件下進行全焊接實現(xiàn)滲透是符合實際的實驗。5結(jié)論

1）Ni48Fe52/45＃鋼異種焊接接頭可采用全焊透TIG焊接。2）溫度場模擬結(jié)果表明該焊接過程的溫度梯度比在冷卻過程中的溫度梯度較大，殷鋼合金可在I=132A，U=17.1V，V=4mm/s，δ=1.88mm的條件下焊接碳鋼。附錄B外文文獻基于C8051F單片機直流電動機反饋控制系統(tǒng)的設(shè)計與研究基于單片機的嵌入式Web服務(wù)器的研究MOTOROLA單片機MC68HC（8）05PV8/A內(nèi)嵌EEPROM的工藝和制程方法及對良率的影響研究基于模糊控制的電阻釬焊單片機溫度控制系統(tǒng)的研制基于MCS-51系列單片機的通用控制模塊的研究基于單片機實現(xiàn)的供暖系統(tǒng)最佳啟停自校正（STR）調(diào)節(jié)器單片機控制的二級倒立擺系統(tǒng)的研究基于增強型51系列單片機的TCP/IP協(xié)議棧的實現(xiàn)基于單片機的蓄電池自動監(jiān)測系統(tǒng)基于32位嵌入式單片機系統(tǒng)的圖像采集與處理技術(shù)的研究基于單片機的作物營養(yǎng)診斷專家系統(tǒng)的研究基于單片機的交流伺服電機運動控制系統(tǒng)研究與開發(fā)基于單片機的泵管內(nèi)壁硬度測試儀的研制基于單片機的自動找平控制系統(tǒng)研究基于C8051F040單片機的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)基于單片機的液壓動力系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測儀開發(fā)模糊Smith智能控制方法的研究及其單片機實現(xiàn)一種基于單片機的軸快流CO〈,2〉激光器的手持控制面板的研制基于雙單片機沖床數(shù)控系統(tǒng)的研究基于CYGNAL單片機的在線間歇式濁度儀的研制基于單片機的噴油泵試驗臺控制器的研制基于單片機的軟起動器的研究和設(shè)計基于單片機控制的高速快走絲電火花線切割機床短循環(huán)走絲方式研究基于單片機的機電產(chǎn)品控制系統(tǒng)開發(fā)基于PIC單片機的智能手機充電器基于單片機的實時內(nèi)核設(shè)計及其應(yīng)用研究基于單片機的遠程抄表系統(tǒng)的設(shè)計與研究基于單片機的煙氣二氧化硫濃度檢測儀的研制基于微型光譜儀的單片機系統(tǒng)單片機系統(tǒng)軟件構(gòu)件開發(fā)的技術(shù)研究基于單片機的液體點滴速度自動檢測儀的研制基于單片機系統(tǒng)的多功能溫度測量儀的研制基于PIC單片機的電能采集終端的設(shè)計和應(yīng)用基于單片機的光纖光柵解調(diào)儀的研制氣壓式線性摩擦焊機單片機控制系統(tǒng)的研制基于單片機的數(shù)字磁通門傳感器基于單片機的旋轉(zhuǎn)變壓器-數(shù)字轉(zhuǎn)換器的研究基于單片機的光纖Bragg光柵解調(diào)系統(tǒng)的研究單片機控制的便攜式多功能乳腺治療儀的研制基于C8051F020單片機的多生理信號檢測儀基于單片機的電機運動控制系統(tǒng)設(shè)計Pico專用單片機核的可測性設(shè)計研究基于MCS-51單片機的熱量計基于雙單片機的智能遙測微型氣象站MCS-51單片機構(gòu)建機器人的實踐研究基于單片機的輪軌力檢測基于單片機的GPS定位儀的研究與實現(xiàn)基于單片機的電液伺服控制系統(tǒng)用于單片機系統(tǒng)的MMC卡文件系統(tǒng)研制基于單片機的時控和計數(shù)系統(tǒng)性能優(yōu)化的研究基于單片機和CPLD的粗光柵位移測量系統(tǒng)研究單片機控制的后備式方波UPS提升高職學(xué)生單片機應(yīng)用能力的探究基于單片機控制的自動低頻減載裝置研究基于單片機控制的水下焊接電源的研究基于單片機的多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)基于uPSD3234單片機的氚表面污染測量儀的研制基于單片機的紅外測油儀的研究96系列單片機仿真器研究與設(shè)計基于單片機的單晶金剛石刀具刃磨設(shè)備的數(shù)控改造基于單片機的溫度智能控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)基于MSP430單片機的電梯門機控制器的研制基于單片機的氣體測漏儀的研究基于三菱M16C/6N系列單片機的CAN/USB協(xié)議轉(zhuǎn)換器基于單片機和DSP的變壓器油色譜在線監(jiān)測技術(shù)研究基于單片機的膛壁溫度報警系統(tǒng)設(shè)計基于AVR單片機的低壓無功補償控制器的設(shè)計基于單片機船舶電力推進電機監(jiān)測系統(tǒng)基于單片機網(wǎng)絡(luò)的振動信號的采集系統(tǒng)基于單片機的大容量數(shù)據(jù)存儲技術(shù)的應(yīng)用研究基于單片機的疊圖機研究與教學(xué)方法實踐基于單片機嵌入式