焊接結(jié)構(gòu)殘余應(yīng)力及其數(shù)值模擬

關(guān)于焊接結(jié)構(gòu)殘余應(yīng)力及其數(shù)值模擬1.焊接數(shù)值模擬研究概況焊接是一門古老而充滿活力的學(xué)科，在材料加工領(lǐng)域中居于首要的地位，而隨著工業(yè)的現(xiàn)代化，焊接過程的數(shù)值模擬在材料熱加工領(lǐng)域數(shù)值模擬中具有很強(qiáng)的代表性。數(shù)值模擬技術(shù)是使熱加工過程走向科學(xué)的重要手段，無論是在理論還是實(shí)際都有著極其重要的意義所以，在能源、動力、軍工等領(lǐng)域的重要部位的焊接仿真的實(shí)現(xiàn)、優(yōu)化工藝過程、提高產(chǎn)品質(zhì)量、清除安全隱患等方面起著日益重要甚至不可替代的作用。第2頁,共29頁，2024年2月25日，星期天國外20世紀(jì)70年代初，日本大阪大學(xué)的上田幸雄教授等人,提出了考慮材料力學(xué)性能與溫度有關(guān)的焊接熱彈塑性分析理論，導(dǎo)出了分析焊接應(yīng)力應(yīng)變過程的表達(dá)式，從而使復(fù)雜的動態(tài)焊接應(yīng)力過程的分析成為可能。1973Vaidyanathan利用板殼理論,提出了薄壁管對接環(huán)焊縫殘余應(yīng)力的計算方法。1978Rybicki等人，將三維焊接應(yīng)力問題簡化為軸對稱問題之后BYYDong建立了奧氏體不銹鋼管道環(huán)焊縫的殘余應(yīng)力三維有限元模型

1997LELindgren等用三維熱—力耦合的有限元方法模擬了大型銅罐電子束焊接接頭殘余應(yīng)力此外，Medill采用三維熱彈塑性有限元模型模擬了航空常用的WasplayNi基合金電子束平板對接接頭殘余應(yīng)力第3頁,共29頁，2024年2月25日，星期天國內(nèi)我國在計算機(jī)分析焊接力學(xué)方面起步較晚，但發(fā)展迅速。在20世紀(jì)80年代初西安交通大學(xué)和上海交通大學(xué)等就開始了關(guān)于焊接熱彈塑性理論及在數(shù)值分析方面的研究。

此后，西安交通大學(xué)的張建勛[7]采用熱—彈塑性有限元法，應(yīng)用有限元程序TEPFEM，分析計算了Co基合金靜葉片電子束焊接時的焊接工藝對焊接殘余應(yīng)力的影響。西安石油學(xué)院的李棟才等人采用彈塑性有限元方法對超載拉伸消除焊接殘余應(yīng)力過程進(jìn)行了數(shù)值模擬天津大學(xué)材料學(xué)院的陳俊梅利用ANSYS軟件對Q235B鋼十字接頭的焊接殘余應(yīng)力進(jìn)行了有限元計算。事實(shí)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(rèn)識的深入和計算機(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。

第4頁,共29頁，2024年2月25日，星期天2數(shù)值模擬技術(shù)隨著計算機(jī)技術(shù)和計算方法的發(fā)展，復(fù)雜的工程問題可以采用離散化的數(shù)值計算方法并借助計算機(jī)得到滿足工程要求的數(shù)值解，數(shù)值模擬技術(shù)是現(xiàn)代工程學(xué)形成和發(fā)展的重要動力之一。第5頁,共29頁，2024年2月25日，星期天第6頁,共29頁，2024年2月25日，星期天第7頁,共29頁，2024年2月25日，星期天數(shù)值模擬技術(shù)受到重視的原因由于系統(tǒng)越來越高性能化或復(fù)雜化，單純的試驗(yàn)已難以使嚴(yán)峻的狀況重現(xiàn)出來。有些問題只能使用數(shù)學(xué)模型才能了解其狀況。計算機(jī)的性能已經(jīng)大大提高和普及。第8頁,共29頁，2024年2月25日，星期天數(shù)值模擬的基本步驟1.建立反映問題（工程問題、物理問題）本質(zhì)的數(shù)學(xué)模型。具體說就是要建立反映問題各量之間的微分方程及相應(yīng)的定解條件。2.建立真實(shí)的物理模型，就是與現(xiàn)實(shí)中所對的理想化的模型3.剖分，將待解區(qū)域進(jìn)行分割，離散成有限個元素的集合4.導(dǎo)入物性數(shù)據(jù)，以及其他參數(shù)。5.單元分析，求解近似變分方程6.后處理第9頁,共29頁，2024年2月25日，星期天數(shù)值模擬技術(shù)在焊接中的應(yīng)用1）焊接熱傳導(dǎo)分析2）焊接熔池流體動力學(xué)3）電弧物理4）焊接冶金和焊接接頭組織性能的預(yù)測5）焊接應(yīng)力與變形6）焊接過程中的氫擴(kuò)散7）特殊焊接過程的數(shù)值分析8）焊接接頭的力學(xué)行為第10頁,共29頁，2024年2月25日，星期天焊接數(shù)值模擬軟件SYSWELDANSYS、MSC-NASTRAN、

ABAQUS、MARCDYNA WSDP第11頁,共29頁，2024年2月25日，星期天3對接薄板的殘余應(yīng)力數(shù)值模擬理論殘余應(yīng)力分布曲線第12頁,共29頁，2024年2月25日，星期天a.確立研究對象1）坐標(biāo)系：x軸為焊接線方向、y軸為板寬方向。2）大?。喊彘L1500mm、板寬600mm、板厚6mm。b.焊接條件1）焊接電流I=200A，焊接電壓U=18V，焊接速度v=3mm/s。2)焊接開始位置的x坐標(biāo)=-750mm。3）焊接終止位置的x坐標(biāo)=+750mm。4）焊道的半寬為5mm。第13頁,共29頁，2024年2月25日，星期天c.單元劃分

劃分范圍：為節(jié)約計算時間，考慮其構(gòu)件的對稱性，所以取接頭的1/2部分進(jìn)行單元劃分來減少計算的時間。單元大小：焊接線附近5mm，即使遠(yuǎn)離焊接線也要20mm

單元數(shù)：6000個節(jié)點(diǎn)數(shù)：6321點(diǎn)第14頁,共29頁，2024年2月25日，星期天d.物性數(shù)據(jù)第15頁,共29頁，2024年2月25日，星期天

e.焊接過程中的溫度分布圖第16頁,共29頁，2024年2月25日，星期天f.焊接溫度分布曲線

第17頁,共29頁，2024年2月25日，星期天第18頁,共29頁，2024年2月25日，星期天g.焊接過程中的熱應(yīng)力分布第19頁,共29頁，2024年2月25日，星期天第20頁,共29頁，2024年2月25日，星期天h.焊縫的殘余應(yīng)力第21頁,共29頁，2024年2月25日，星期天i.殘余應(yīng)力的分布曲線及討論第22頁,共29頁，2024年2月25日，星期天第23頁,共29頁，2024年2月25日，星期天在沿焊縫的中部區(qū)域，縱向殘余應(yīng)力大小基本上保持不變，為拉應(yīng)力穩(wěn)定區(qū)，在焊縫兩端的部位，其縱向殘余應(yīng)力則由恒定值逐漸降至零，因?yàn)閮啥瞬康倪吔鐥l件與中間部位有所不同，是自由邊界無約束。沿焊縫方向的縱向殘余應(yīng)力第24頁,共29頁，2024年2月25日，星期天在焊縫及其近區(qū)的殘余應(yīng)力為拉伸應(yīng)力，稍微離開焊縫區(qū)，應(yīng)力陡降繼而出現(xiàn)的是殘余壓應(yīng)力。與焊縫垂直方向的縱向殘余應(yīng)力第25頁,共29頁，2024年2月25日，星期天橫向殘余應(yīng)力圖為鋼構(gòu)件內(nèi)部橫向殘余應(yīng)力，焊縫處為拉應(yīng)力，在焊縫附近為壓應(yīng)力，而且應(yīng)力的變化比較急劇。第26頁,共29頁，2024年2月25日，星期天4結(jié)論

焊接結(jié)構(gòu)中存在的殘余應(yīng)力，大大降低了材料的使用性能，為了提高鋼結(jié)構(gòu)的使用安全，采用焊接結(jié)構(gòu)變形預(yù)測軟件（WSDP）對對接焊件內(nèi)部的溫度場和殘余應(yīng)力分布進(jìn)行模擬，得出其分布曲線，并與理論曲線進(jìn)行比較。采用軟件模擬，可大大提高分析結(jié)構(gòu)內(nèi)部殘余應(yīng)力的效率，另外對結(jié)構(gòu)設(shè)計還具有一定的預(yù)測性，在實(shí)際生產(chǎn)中具有一定的應(yīng)用價值。

通過本文的殘余應(yīng)力模擬，可得出以下內(nèi)容：

1.焊接變形預(yù)測軟件WSDP以固有應(yīng)變理論為基礎(chǔ)，通過彈性板單元有限元法計算焊接結(jié)構(gòu)的變形，從而計算出殘余應(yīng)力。

第27頁,共29頁，2024年2月25日，星期天2.在對接薄板的溫度場中，沿焊縫方向上的溫度分布在始終兩端部分，在焊接線上的最高到達(dá)溫度大致相等，而在開始端最高到達(dá)溫度最低，終端部分溫度最高。而終端最高到達(dá)溫度升高的原因是該部分電弧前方的金屬不存在，本應(yīng)在前方由于熱傳導(dǎo)所喪失的熱量確在終端部分聚集，與此相反，開始的部分則因?yàn)闆]有熱量的流入，所以溫度很低。

3.對接薄板的的殘余應(yīng)力數(shù)值模擬是通過模型的構(gòu)筑，單元的劃分，物性參數(shù)的導(dǎo)入和計算以及后處理，從而得出模擬結(jié)果。殘余應(yīng)力的模擬曲線與其理論曲線基本相同。

4.數(shù)值模擬只是作為一種分析問題的方法，它并不能代替實(shí)際，而且在建模的過程中作了許多簡化，例如幾何尺寸的選取，以及在加載