CSTM-焊接殘余應(yīng)力有限元計(jì)算導(dǎo)則編制說明

T/CSTMXXXXX-202X《焊接殘余應(yīng)力有限元計(jì)算導(dǎo)則》編制說明目錄（編寫框架）TOC\o"1-3"\h\u1. 目的、意義及任務(wù) 圖17及18所示，焊接試樣尺寸為300mm×300mm×80mm，采用為V型坡口，角度30°。母材和焊縫材料分別為EH47和SF-36E。焊接方式為藥芯電弧焊，焊接電壓、電流和速度分別為30V、250A和5mm/s。圖1780mm厚焊接接頭示意圖圖18焊接接頭宏觀形貌圖（2）中子衍射殘余應(yīng)力測(cè)試如圖17所示，中子衍射測(cè)試位置位于沿焊縫中心線的P1路徑。測(cè)試點(diǎn)從距上表面5mm處開始，間隔為5mm，共計(jì)15個(gè)點(diǎn)。由于測(cè)試樣品的厚度較大，將采用雙波長(zhǎng)開展測(cè)試。其中，35-45mm深度位置的法向應(yīng)力選用1.55?的波長(zhǎng)進(jìn)行測(cè)試，其對(duì)應(yīng)的衍射晶面為(110)晶面，衍射角為82.9°。其他的測(cè)試點(diǎn)及應(yīng)力分量的測(cè)試均采用2.39?的波長(zhǎng)，其衍射晶面為(211)，衍射角為72.1°?？v向應(yīng)力的測(cè)試采用10(x)×5(y)×5(z)mm3的衍射體積，橫向及法向應(yīng)力的測(cè)試采用5(x)×5(y)×20(z)mm3的衍射體積。同時(shí)，制備5(x)×10(y)×4(z)mm3尺寸的零應(yīng)力式樣，其衍射體積為2×2×2mm3（3）輪廓法殘余應(yīng)力測(cè)試輪廓法是根據(jù)切割時(shí)應(yīng)力彈性釋放引起的切割面變形來確定殘余應(yīng)力。主要實(shí)驗(yàn)步驟依次包括：試件切割、輪廓測(cè)量、輪廓數(shù)據(jù)處理、有限元應(yīng)力重構(gòu)。本實(shí)驗(yàn)采用直徑為100μm的黃銅絲進(jìn)行慢走絲切割，將樣品在中間長(zhǎng)度位置切割成兩半。切割后，用掃描共聚焦激光探針測(cè)量切割表面的法向位移，測(cè)試輪廓點(diǎn)間距為0.5mm。并進(jìn)一步通過擬合得到光滑的解析輪廓曲面，從測(cè)量表面輪廓中濾除測(cè)量噪聲和表面粗糙度。進(jìn)而將輪廓作為位移邊界條件，進(jìn)行線彈性有限元應(yīng)力分析重構(gòu)，并設(shè)置焊縫中心位置的彈性模量為206GPa，其他所有位置的彈性模量為217GPa，泊松比取0.28。5.2.2有限元建模（1）有限元模型及網(wǎng)格劃分由于厚板焊道數(shù)量較多，采用三維模型難以實(shí)現(xiàn)焊接殘余應(yīng)力的高效率計(jì)算。因此，本節(jié)模擬采用二維截面模型。根據(jù)實(shí)際幾何尺寸建立中間長(zhǎng)度方向的截面模型，并進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分如圖19所示，共6631個(gè)節(jié)點(diǎn)和6483個(gè)單元。對(duì)于焊接過程中焊縫金屬的施加，采用生死單元技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。圖19有限元模型及網(wǎng)格劃分（2）溫度場(chǎng)計(jì)算本節(jié)采用二維等效熱源進(jìn)行溫度場(chǎng)的模擬，并在計(jì)算中考慮了預(yù)熱溫度、層間溫度及對(duì)流、輻射效應(yīng)。材料的熱物理性能參數(shù)表2所示。表2材料特性參數(shù)T(°C)C(J/kg/°C)λ(W/m/°C)α(10-6mm/mm/°C)μ2052.544011.70.310052.146012.30.330048.352013.10.350043.060013.90.370035.974514.90.390026.381812.40.3110026.763014.20.3140030.564016.10.3150061.064016.70.3300061.064016.70.3（3）應(yīng)力場(chǎng)計(jì)算由于母材和焊縫金屬均不存在固態(tài)相變行為，焊縫、熱影響區(qū)和母材金屬在焊接前后的組織均為鐵素體。因此，總應(yīng)變只包括彈性應(yīng)變、塑性應(yīng)變和熱應(yīng)變。本文采用混合強(qiáng)化模型，具體的材料參數(shù)如表3、表4所示。為避免剛性運(yùn)動(dòng)，厚板底部端點(diǎn)被約束。表3焊縫金屬混合硬化模型參數(shù)T/℃E/MPaσ0/MPaC/MPaγQ∞b20195000500532616377600300195000450206015018265138425001400002501.053e112.661e9897847006000040563090944700900470002337632167400表4母材混合硬化模型參數(shù)T/℃E/MPaσ0/MPaC/MPaγQ∞b20190000500296717481513212210021000049029369544671119330020500047078842588571681077007000070657651952009006000042205794005.1.3計(jì)算結(jié)果及分析圖20為有限元計(jì)算獲取的三向殘余應(yīng)力云圖，圖21為輪廓法測(cè)試的得到的縱向應(yīng)力分布云圖，二者應(yīng)力分布規(guī)律及應(yīng)力水平基本吻合，均表現(xiàn)為焊縫上下表面出現(xiàn)較大的拉應(yīng)力，焊縫中部應(yīng)力較小，從而驗(yàn)證了有限元計(jì)算的有效性。對(duì)于橫向應(yīng)力，熱影響區(qū)及焊縫根部產(chǎn)生較大拉應(yīng)力，并由焊縫中心的壓應(yīng)力保持應(yīng)力平衡。法向應(yīng)力較小，多數(shù)為壓應(yīng)力。圖20縱向(LD)、橫向(TD)和法向(TD)殘余應(yīng)力的有限元分析云圖圖21輪廓法測(cè)試的縱向殘余應(yīng)力云圖圖22給出了中子衍射測(cè)試和有限元計(jì)算得到的P1方向殘余應(yīng)力分布。兩種方法獲取的應(yīng)力大小與分布吻合性較好。在有限元計(jì)算結(jié)果中，表面的縱向應(yīng)力約為630MPa，在48mm厚度處逐漸減小到250MPa；然后在78mm處增大為499MPa，最后減小到348MPa。上表面的橫向應(yīng)力為454MPa，然后逐漸減小，在23mm處變?yōu)閴嚎s；然后進(jìn)一步減小到60mm時(shí)的最大壓應(yīng)力-273MPa，最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在下表面為565MPa。法向應(yīng)力波動(dòng)較小，最大值為41MPa，最小值為-157MPa。圖22沿路徑P1的:（a）縱向；（b）橫向；（3）法向殘余應(yīng)力結(jié)束語《焊接殘余應(yīng)力有限元計(jì)算導(dǎo)則》是我國(guó)首次關(guān)于焊接殘余應(yīng)力有限元計(jì)算的標(biāo)準(zhǔn)化文件。該文件結(jié)合了工作組多年來在焊接殘余應(yīng)力計(jì)算領(lǐng)域的經(jīng)驗(yàn)及工業(yè)應(yīng)用，融入了先進(jìn)、系統(tǒng)的焊接殘余應(yīng)力研究理論體系，全面地闡述了焊接殘余應(yīng)力有限元計(jì)算方法，可應(yīng)用于多種材料、結(jié)構(gòu)的殘余應(yīng)力計(jì)算，實(shí)現(xiàn)