Q235厚板焊接残余应力数值模拟 毕业设计.doc

毕业设计（论文） 题目 q235 厚 板 焊 接 残 余 应 力 数 值 模 拟 学生姓名 学号 2008106107 专业 材料成型及控制工程 班级 20081061 指导教师 评阅教师 完成日期 2012 年 5 月 15 日 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。 除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或 撰写的成果作品。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保障、使用学位论文的规定，同意学校保留并 向有关学位论文管理部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。 本人授权省级优秀学士学位论文评选机构将本学位论文的全部或部分内容编入有关数 据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1、保密 ，在_年解密后适用本授权书。 2、不保密 。 （请在以上相应方框内打“”） 作者签名： 年 月 日 导师签名： 年 月 日 目录 摘要 1 前言 2 1 绪论 .3 1.1 课题来源和意义 3 1.2 国内外研究现状 4 1.3 研究的主要内容 5 2 模拟分析过程 7 2.1 有限元分析软件 ansys 简介 .7 2.2 有限元模型的建立 7 2.3 加载计算 11 3 模拟结果及分析 15 3.1 温度场模拟 15 3.2 应力场的模拟 17 4 全文总结与展望 22 4.1 全文总结 22 4.2 未来的展望 22 致谢 .24 参考文献 25 附录 27 q235 厚板焊接残余应力数值模拟 摘要：本文首先综述了目前国内外对焊接残余应力研究进展，在此基础上提出了本文 的研究目的和意义。运用有限元软件 ansys 的 apdl 语言编写模拟焊接瞬态过程程 序进行热-结构耦合分析，对 q235 钢、钢两种材料之间的对接接头的温度场和应力场 进行数值模拟分析，得到温度和残余应力在接头的连续分布规律：在接近焊缝较窄的 一个区域内产生拉应力，在其相邻区域产生压应力。 关键词：有限元 数值模拟 残余应力 温度场 abstract:in this article, the development and present research situation of the welding residual stress have been critically overviewed ,base on this ,we bring up the purpose and sense of this article.carry on the hot-structure coupling analysis using the ansys apdl language simulation welding transient state process procedure,which to simulate analysis on the temperature and stress field of the lap joints of q235 steel, steel between the two materials. then get the distribution of the temperature field and residual stress: there is a tension stress near the weld bead ,there is a compress stress in other areas. keyword: finite element; numerical simulation; residual stress; temperature field. 前言 焊接是一个涉及传热学、电磁学、材料冶金学、固体和流体力学等多学科交叉的 复杂过程。由焊接产生的动态应力应变过程及其随后形成的残余应力，是导致焊接裂 纹和接头强度与性能下降的重要因素。迄今为止，焊接残余应力一直是人们关注的热 点问题，仍是焊接生产领域中迫切需要解决的问题。近年来，国内外学者对此进行了 大量的研究，取得了丰硕的成果。 中厚钢板是焊接结构生产中不可缺少的重要材料，被广泛应用于国防、交通运输、 能源、和建筑等重要国民经济部门。钢结构体系具有自重轻、抗震性能优、施工周期 短、安装速度快、投资回报快、绿色无污染等优点，从一定程度上反映了国家的综合 经济实力和建筑技术的发展水平，得到了世界各国的广泛的应用和大力推广，钢结构 体系的应用在欧美已经有几十年的发展历史，其施工快、回收利用便利等诸多优点是 其他结构形成所无可比拟的，并逐渐成为顺应时代发展趋势的高效结构体系。 本文通过用有限元方法模拟研究平板对接焊接焊缝温度场分布、残余应力分布、 温度场与残余应力的关系，不仅可以从中得到焊接残余应力的影响因素，了解焊接残 余应力在连续分布规律，全面掌握结构的特性，而且可以通过优化焊接方法、顺序和 工艺，控制（减小）焊接应力和变形，另外还可以节约大量的实验费用，有效地缩短 研制和开发周期，因此是一种高效低成本的优化工艺的方法和预测与控制技术。 本文是本人的毕业设计论文，经过作者阅读了大量的文献后独立完成的，其中部 分观点是引用三峡大学游敏教授等人的，由于本人的水平实在有限，还存在许多不足 之处，希望各位批评指正。 1绪论 1.1 课题来源和意义 近年来，随着我国钢产量的逐渐攀升，为适应经济发展的需要，国家对于钢结构 的应用也从限制使用改为鼓励采用，为钢结构的广泛应用与推广营造了良好的氛围， 特别是今年来我国可持续发展观的提出，钢结构体系在我国的建筑产业中呈现出广阔 的应用前景。钢结构的设计与施工技术也得到了飞速的发展并取得了良好的经济效益， 近年来我国在沿海深厚软土地区和 8 度地震区及以上高烈度区采用高层钢结构形式获 得了可观的经济效益和社会效益。钢结构体系在建筑结构行业中的日益普及应用迅速 带动了机械制造、金属制作加工等行业的发展，焊接技术作为为钢结构三大连接（焊 接、栓接、铆接）中最主要的连接手段，因其不削弱构件截面的特点，成为了钢构件、 金属加工中理想的连接方式。并且焊接技术工艺的飞速更新发展使这一连接技术成为 未来的发展趋势，但却致使钢结构焊缝中的焊接残余应力成为影响构件变形、稳定性 和脆性断裂不可忽略的因素。而构件中的纵向残余应力和作为弹塑性材料的钢材本身 的性能是分析钢结构弹塑性问题的两个重要的考虑因素。 在钢结构构件的连接加工过程中，焊接是一种易产生残余应力的加工工艺，其表 现最为明显，一般在焊接后的冷却过程中就伴随着明显的收缩变形和残余应力，其产 生情况会因焊接件的形状、尺寸和所选用的焊接方法等的不同而异。近年来对于钢结 构脆性断裂的事故分析表明，焊接区的钢材，尤其是处于三向受拉状态的焊接热影响 区得钢材，韧性大幅降低。当板件较厚时因坡口焊缝收缩受到很大约束而出现三轴残 余拉应力引起的脆性断裂，正是出于钢构件在焊接加工过程中，产生了接近屈服极限 的残余应力。构件中的残余应力大多数表现出很大的危险作用，如使构件的强度降低、 降低构件疲劳极限、造成应力腐蚀和脆性断裂，由于残余应力的松弛，使构件产生变 形，影响构件的尺寸精度，以往的研究表明影响钢结构脆性断裂的因素是多方面的， 与焊缝自身的缺陷、焊缝周围热影响区得分布对钢材材质的脆性影响以及应力集中和 残余应力的分布及大小有密切的关系，而根据线弹性断裂力学理论，残余应力对于裂 纹的扩展有着重要的影响，因此正确的评估和降低焊接所造成的构件残余应力对钢结 构构件及体系工作性能的影响，就显得十分必要 1-6。 焊接残余应力是影响焊接结构后焊接部件的脆性断裂强度、疲劳强度、压曲稳定 性、振动特性和耐腐蚀性能的重要因素；同时，残余应力的存在，还严重的影响了结 构的机加工精度和尺寸稳定性。因此对焊接残余应力的形成机理、分布规律及其测试 技术的研究是和焊接结构领域的重要方面，也一直吸引着世界范围内焊接专家、学者 的注意力。通过多年的研究，到 20 世纪 70 年代初期，大致奠定了焊接残余应力和变 形理论的基础。传统的观点认为，焊接加热过程中焊缝和近缝区内因其膨胀受制而产 生的塑性压缩应变是导致焊接残余应力产生的主要原因。我校游敏教授通过多年的研 究分析，认为除了母材中的塑性压缩变形引起焊接残余应力之外，焊缝金属冷却时的 收缩受到制约也是导致焊接残余应力产生的重要原因，并据此原理开发了调控焊接接 头横向残余应力的新技术 7。 1.2 国内外研究现状 我国在残余应力领域的研究起步较晚，上世纪八十年代的残余应力早期研究学者 张锭全作了残余应力、表面强化和金属疲劳方面的研究，其研究课题“缺口残余应力 集中及其对疲劳性能的影响”表明疲劳性能不仅与残余应力的分布和大小、材料的弹 性性能、外来作用应力的状态有关，还与残余应力的发生过程有关，而在研究这些影 响的过程中给予定量的估计其影响是及其困难的。 近年来国内学者于各自不同的专业领域（包括建筑结构、金属制作加工等）对钢 构件中的焊接残余应力的分卸特点、规律以及其对构件屈曲、稳定的影响和焊接接头 的疲劳性能等方面作了广泛的研究。文献 8910对钢结构焊件中残余应力的分布形成、 分布等进行了探讨和研究，得到了焊件表面和中部不同的残力分布和拟合曲线，并分 析了不同分布形式对构件承载力的影响。天津大学做了提高焊接接头疲劳性能的技术 研究，提出焊接结构的疲劳问题以及研究的意义，进行了系统的疲劳失效原因分析， 论述了应力集中及残余应力对疲劳强度的影响。天津大学材料学院设计和优化研制了 低相变点焊条，并在各种焊接接头上进行了大量的疲劳试验和工艺性能试验。结果表 明，相变点焊条 ltte 接头的疲劳强度分别比普通焊条 e5015 接疲劳强度提高 11%、 23%、 42%、46%和 59%疲劳寿命提高幅度从几倍到上百倍。湖北工学院和铁 道部大桥局桥科院通过疲劳实验对焊接残余应力对对接板的疲劳影响进行了研究得出 了整板断裂周次的积分形式表达式，通过比较疲劳实验数据和计算结果，证明了理论 和寿命预测方面的合理性。文献 11对钢结构脆性断裂的起因进行了较为详尽的论述， 认为除焊缝自身的一些缺陷（如裂纹、欠焊、夹渣和气孔）和钢材质量因素外，焊接 结构的连接形式（如当三条垂直施焊时阻止了材料的塑性变形） 、内部存在的残余应 力和其他因素结合是导致开裂的诱因。材质的不合格、低温的冲击韧性差和低温焊接 产生的较大残余应力是入们几十年来对于钢结构脆性断裂事故原因所形成的规律性认 识，另外，结构形式的日益复杂、工作环境的恶劣(海洋等)以及为降低造价的目的所 采用的精确计算方法,都比过去大大降低了钢结构体系的安全储备，从而增加了断裂事 故发生的几率 121314。 有关焊接残余应力的研究在上世纪三十年代就已在世界各国各个领域进行了基础 性的广泛研究。最早起源于学者对于焊接过程中瞬时热应力的研究，由于受计算技术 的限制且瞬时应力计算较为复杂，当时对瞬时应力和舍属运动的认识不多，仅限于对 点焊和板条内温度和应力变化的初始研究，无法表示实际的焊缝情况。随着计算机技 术的迅猛发展和日益普及，1961 年，tall 15首次编制了一套计算板条中线进行堆焊时 的应力简单程序用于分析焊接时的热应力，即后来所说的一维分析。1968 年，巴特尔 研究所以 tall 的分析为基础，编制了焊接过程中一维分析的 fortan 程序。1970 年， 国际焊接学会专门设立了“焊接应力、应变和其他影响的数值分析”工作组，负责专 门收集编制关于世界各国各研究所进行的研究工作报告，并于 1978 年年会中举行的 “数值技术在焊接中的应用”专题会上，发表了有关焊接热应力分析的文章。1975 年 murakj16将板堆焊时的热应力分析二维有限元程序做了重大改进，使之可用于分析 对接焊和板上堆焊过程中的热应力。时至今日，鉴于开发能准确分析焊接热效应的三 维程序的复杂性和计算运行的高额费用等原因，为处理园筒形壳体和大型焊件问题将 二维分析扩大应用于三维状态的研究工作一直在艰苦的进行。同时，在此期间，人们 关于焊接热应力和舍属运动的实验研究一直没有间断过。其中最具代表性的是麻省理 工学院对各种材料和厚度的焊件所做的一系列实验研究，通过与理论预测分析结果的 对比，得出了诸多有意义的结论，指出在预测关于板上堆焊和对接焊时的纵向应变时， 一维程序有足够的精度，并且在瞬时热应变的分析中，金相变化的影响是很大的。 1960 年，美日学者在研究应力交变引起的残余应力的变化对于疲劳的影响时，把残余 应力变换成平均应力来进行研究，把其与各种作用应力和平均应力的状态对应起束得 到了疲劳曲线图。最值得提出的是 trufyakov 对在不同应力循环特征下焊接残余应力 对接头疲劳强度影响的研究。而热处理在消除残余应力的同时又软化了材质，因而使 得疲劳强度在热处理后反而下降。这一试验比较好地说明了残余应力和焊接热循环所 引起材质变化对疲劳强度的影响。从这里也可以看出焊接残余应力对接头疲劳强度的 影响与疲劳载荷的应力循环特性有关。即在循环特性值较低时，影响比较大 1718。 1.3 研究的主要内容 1.3.1 焊接温度场 焊接应力和变形的演变过程因焊接过程的特点而变得更为复杂，并与焊接温度场 直接相关。焊接过程中一般无外力作用，残余应力主要由焊接过程中不均匀热循环作 用引起 19。所以焊接瞬态温度场的计算是进行焊接残余应力分析的前提，所以我们有 必要对温度场进行说明。焊接过程中局部施加的依从于时间的集中热输入，可使得焊 接部位形成熔化区(熔焊) ，这正是引起残余应力和焊接变形的根源。 本文对于温度场的研究主要包括以下几点： 1：在焊接过程和焊后冷却过程中，焊缝及两侧母材的传热情况以及其对应力的 影响情况； 2：在焊接过程和焊后冷却过程中，温度在焊件上的分布情况； 3：在焊接过程和焊后冷却过程中，焊件上的节点温度随时间的变化情况； 1.3.2 焊接残余应力 残余应力是材料及其制品在机加工或合金化过程中产生的平衡于材料或制品内部 的应力。是指在没有外部力作用时平衡与物体内部的应力金属焊接过程是以各集中热 源对金属局部加热溶化的过程，焊接时，热量以高度集中的瞬时热输入到焊缝的局部 区域，而且热源是移动的。造成焊件瞬时温度分布和热膨胀的不均匀，这些不均匀就 是产生残余应力和变形个根源。他的形成主要有三部分：1：焊接区金属加热到一定 温度后会产生塑性变形，在冷却收缩过程中，受到近旁低温区的约束产生的应力； 2：焊件结构形状的约束而形成的应力；3：冷却中局部组织相结构发生转变产生的应 力。 本文对于焊接残余应力的研究主要包括以下几点： 1：在焊接过程和焊后冷却过程中，焊缝及两侧母材的残余应力变化规律； 2：冷却后，残余应力在试件上的连续分布规律； 3：材料的物理化学性能对焊接残余应力产生的影响。 2模拟分析过程 2.1有限元分析软件ansys简介 在过去的近几十年，计算机对科学技术的深远影响是无庸置疑的，它大大的拓展 了工程问题的可解范围，工程领域中大多数力学问题和场问题，如固体力学中的位移 场、应力场问题，热传导中的稳态和瞬念温度场分析，流体力学中的流场问题，量子 场理论，材料相转化的起源，金属裂纹的传播问题等，只有很少部分能够用解析方法 解决，往往是在给定边界条件下求解常微分和偏微分方程的问题，尽管有时可得到它 们的基本方程和边界条件，但有时因其边界条件、结构形体、外加荷载过于复杂，往 往无法求得其精确的解析，处理此类复杂工程问题的途径一般是：引入简化假设和采 用数值模拟方法，前者常因为假设不合理导致结果出现较大的误差而不可信，故随着 计算机技术的发展和现代数学以及力学理论的成熟与完善，利用计算机数值模拟技术 柬获取满足工程精度的数值近似是目前工程仿真领域的一大突破。 随着现代科技的高速发展，焊接模拟技术的地位变得越来越重要，它不仅能够有 效地提高产品的经济效益，还可以节省大量的时间。有限元法则是焊接模拟技术中适 应电子计算机而发展起来的一种有效方法，它已经成功地解决了工程领域中的许多问 题，广泛地用于研究焊接热传导、焊接热弹塑性应力和变形分析、焊接结构的断裂力 学的分析等。目前，国际上大型的有限元分析软件有很多。其中以ansys为代表的工 程数值模拟软件，不断吸取计算方法和计算机技术的最新发展，将有限元分析、计算 机图形学和优化技术相结合已成为解决现代工程学问题必不可少的有力工具 20。 ansys软件是一个大型、通用的有限元软件，其强大的热、结构耦合及瞬态、非 线性分析能力使其在焊接模拟技术中具有广阔的前景，焊接温度场、应力场的模拟就 是运用其热、结构及二者的藕合分析功能进行计算 21。 虽然焊接温度场与应力应变场 是双向耦合的，由于应变场对温度场的影响非常小，加上计算条件的限制，所以本文 只考虑温度场对应力应变场这一单向耦合。在模拟计算时，采用ansys软件的热-结 构耦合功能，利用温度场与应力应变场直接耦合进行焊接应力和变形的计算。 2.2有限元模型的建立 本课题是规格为 1000mm280mm20mm 的两块 q235 钢板采用平板对接连接， 填充金属为钢，不开坡口，采用双面焊接成型求在焊接后的焊接残余应力以及焊接过 程中的温度变化。假设没有辐射和对流，结构左边固定约束，左右两边界均给定 20 的温度约束。分为两级焊缝焊接，如图 1 是焊缝的剖面示意图，从左到右的材料一次 是 q235 钢、钢和 q235 钢，其中 q235 钢的初始温度是环境温度 20，焊缝填充金 属钢的是 1500，我们做如下假设： 材料为各向同性； 忽略金属的填充熔敷作用； 在对接接头的正反两面同时开始焊接； 不考虑粘弹塑性和蠕变； 忽略电弧对焊件的辐射； 忽略熔池流体的流动作用； 材料为理想塑性材料。 图 2.1 焊缝模型图 2.2.1 计算方法的确定 在 ansys 软件中，计算焊接温度场，应力场的方法分为直接法和间接法。直接 法是使用具有温度和位移自由度的耦合单元，同时分析得到热分析和结构应力分析的 结果。间接法是首先进行热分析，然后将求得的节点温度作为载荷施加在结构应力分 析中。由于单元开发技术上的原因，直接法可供选用的单元较少，而且在分析过程中， 需要同时进行温度场计算和应力应变计算，其解法的耦合单元包含所有必须的自由度， 只需要通过一次求解就能得出耦合场分析结果 22。需要指出的是，温度场计算是标量 计算，计算耗用的时间相对进行矢量计算的应力应变过程要少的多。所以直接计算周 长较长，不够灵活。间接法可以先分析温度场，温度模拟准确之后，保存温度场结果， 再分析应力应变，如果应力应变结果不理想，不必要再进行温度分析，而只需要修改 力学性能和优化载荷步，然后再进行应力应变计算，这样可以节省大量的时间，但需 要经过几次求解才能得出最终耦合结果。在这里，虽然焊接温度场与应力应变场是双 向耦合的，由于应变场对温度场的影响非常小，加上计算条件的限制，所以本文只考 虑温度场对应力应变场这一单向耦合。在模拟计算时，为简化求解过程，采用 ansys 软件的瞬态热结构耦合及死活单元功能，同时为了简化问题，在分析过程中 将忽略结构分析的瞬态效应，而只考虑热分析的瞬态效应在此基础上进行焊接过程仿 真，计算焊接过程中的温度分布和应力分布以及冷却后的焊缝残余应力。 一般运用 ansys 进行计算的过程分为三步：前处理、加载计算、后处理。以下 对焊接温度场和应力场的计算按这三步加以论述。 2.2.2定义单元属性 本文所用同种接头焊接残余应力分析程序是建立在一般二维热弹塑性有限元程序 基础上。程序中考虑材料常数随温度发生变化，并直接输入计算所需各种不同材料常 数随温度变化的实验曲线，因而更符合实际情况金属材料的热物理性能(如比热 c、密 度 q、导热系数 k 等)随温度变化而变化，焊接时局部加热到很高温度，其热物理性 质随温度变化很大，如果不考虑材料的热物性随温度变化，那么计算结果将与真实情 况产生一定的偏差，所以必须在前处理中建立材料随温度变化的热物理性参数库。在 焊接过程的数值模拟中，进行温度分析必须确定下列参数：导热系数、密度、比热容； 应力应变场分析则必须确定弹性模量、热膨胀系数、密度和屈服极限等参数 23。 材料 摄氏 温度 弹性模 量 pa 屈服强 度 pa 切变模 量 pa 材料密 度 kg/m3 泊松 比 传热系数 w/(m) 线膨胀 系数 1/ 比热容 j/(kg) q235 钢 20 500 1000 1500 2000 2.12e1 1 1.75e1 1 1.39e1 1 1.07e1 1 0.83e1 1 0.33e9 0.213e9 0.153e9 0.073e9 0.013e9 2.12e10 1.75e10 1.39e10 1.07e10 0.83e10 7860 0.29 34 1.48e-5 983 表2.1 材料物理性能参数表 从表中可以看出计算中所用材料的弹性模量、屈服强度、线膨胀系数和切变模量 均随温度变化而变化。 2.2.3创建实体模型 图2.2 简化二维对接接头模型 几何模型的形状不仅由焊件的形状、尺寸大小决定，还取决于载荷施加的方式及 热源在焊件内的传导方式。在移动热源条件下，这里不考虑厚度方向温度场分布时， 将模型简化成二维平面模型。模型如图所示。 2.2.4划分网格 众所周知，对于有限元分析来说，网格划分是其中最关键的一个步骤，网格划分 的好坏直接影响到解算的精度和速度，在这里，首先应当确定采用自由网格还是映射 网格。顾名思义，自由网格对于形状单元无限制，三排列不规则。映射网格对包含的 单元形状有限制，而且必须满足特定的规则。映射面网格只包含四边形或三角形单元， 映射体网格只包含六面体单元。而且，映射网格具有规则形状，明显成排的单元。这 对载荷的施加和收敛的控制是相当有利的。 钢 20 500 1000 1500 2000 1.93e1 1 1.5e11 0.7e11 0.1e11 0.01e1 1 1.2e9 0.933e9 0.435e9 0.07e9 0.007e9 1.93e10 1.5e10 0.7e10 0.1e10 0.01e10 8030 0.29 16.3 1.78e-6 502 图 2.3 分网格模型 2.3 加载计算 焊接过程是一个加热非常不均匀的过程，在焊缝处温度剃度变化很大，划分网格 时一般不采取均匀的网格，而是在焊缝及其附近的部分用加密的网格，在远离焊缝的 区域，温度分布梯度变化相对较小，这时可以忽略细节，划分均匀且相对稀疏的单元 网格。总之，在保持精度的同时减少网格的数量。要获得一个良好的瞬态焊接温度场， 焊缝处的单元网格最好为 2.5mm24，远离焊缝区域的单元网格为 5mm。 网格划分需要如下步骤： 1 设置单元尺寸； 2 激活焊缝材料的属性； 3 设定网格划分方式； 4 储数据库； 5 生成网格。 2.3.1 设置求解选项，并施加约束 在求解处理器中定义分析类型为瞬态分析，求解方式为完全法，对焊件的底边和 侧边分别约束 y 向与 x 向位移并施加初始温度荷载。施加约束后的模型如图所示。 图 2.4 施加约束后的模型 其具体步骤是： （1）设定分析类型，选择瞬态分析； （2）选择左边节点； （3）施加约束； （4）选择左右两边的节点； （5）施加温度约束； （6）选择所有实体。 2.3.2 载荷的施加 对于焊接热源载荷，在 ansys 中可以热流密度或生热率两种形式施加。对于开 坡口的对接焊缝或填角焊缝等，应将热源作为焊缝单元内部生热处理，以生热率的形 式施加载荷，同时考虑金属的填充作用，运用生死单元的方法，逐步将填充焊缝转化 为生单元参与计算中。 图 2.5 施加约束后的第一级显示图 图 2.6 施加约束后的第二级焊缝显示图 对本课题研究模型加载过程具体步骤是： （1）设置输出选项； （2）对整体施加初始温度值（20） ； （3）设置时间积分控制； （4）杀死焊缝上半部单元； （5）选择焊缝处的激活的单元和节点； （6）对焊缝处施加温度约束（1500） ； （7）设置时间步选项并按步骤写入载荷，结构如图所示。 2.3.3 载荷步的确定 在进行非线性的瞬态分析过程中，我们要设置载荷步。载荷步是为了表达随时间 变化的载荷，也就是说把载荷时间曲线分成载荷步，分析时对于每一个载荷步都要 定义载荷值和对应的时间值，每计算一个载荷步时，都要删掉上一个载荷步的温度， 每个载荷步需要多个载荷子步。时间步长的大小关系到计算的精度。步长越小，计算 精度越高，同时计算的时间越长。根据线性传导热传递，可以按如下公式估计初始时 间步长： its24 其中 为沿热流方向热梯度最大处的单元的长度， 为导温系数，它等于导热系 数除以密度与比热的乘积（ )。kc 在本课题，受到硬件条件的限制，简化将焊接过程设置为 7 个载荷步。 2.3.4 单元的生死 大型构件的焊接常用手工电弧，若焊接方法为多道焊，因为焊接过程中，焊缝金 属是随层逐渐熔敷上去的，熔池区金属处与融化状态，既进入零力学性能状态，其所 有应力应变将消失，这时就需要采用生死单元技术 25。在 ansys 软件中，并不是将 “钉死”的单元从模型中删除而达到“单元死”的效果，而是将其刚度矩阵乘以一个 很小的因子。同样，单元的“出生”也不是将其加入到模型中，而是先生成再全部杀 死，然后在合适的载荷步中重新激活它。这又涉及到单元的“杀死”或“出生”的指 定准则问题及相关问题。 为了模拟多层焊缝的焊接过程，本课题采用两级焊缝，建模时已经以圆弧形式将 各级焊缝区分，当第一层焊缝开始焊接时，该层单元处于“活”的状态，其余焊缝则 处于“死”的状态，对温度场和应力场的计算不起作用，第 2 层焊缝开始焊接时，该 层焊缝的单元“复活” 。焊接热源随着焊缝单元的“复活”逐渐加到焊缝单元上。本 课题将第二层焊缝杀死后的效果如下图所示： 图 2.7 一级焊缝效果图 2.3.5 分析选项的确定 焊接温度场的分析是典型的非线性瞬态热传导问题，如果分析选项设置不当，通 常会导致计算难收敛。为此，需作如下设置:采用 full newton- raphson(牛顿-拉普森) 方法，每进行一次平衡迭代，就修正一次刚度矩阵，同时激活自适应下降功能；打开 自动时间步长；打开时间步长预测；时间步长的设置通常对计算精度产生很大的影响， 步长越小，计算越精确，但过小的时间步长需要很大的计算机容量和很长的计算时间。 在焊接过程中一般时间步长应控制在 0.5 左右，在冷却过程中，可逐步增大时间步长。 本文在确保焊缝处单元网格足够细小的情况下，试选几个时间步长进行计算。每次计 算将前一次的时间步长逐步减小的方法进行，当相邻两次计算结果的温度场相筹不大 时可以认为时间步长足够小 26。 ansys 中提供了 5 种求解器，选用哪种求解器可依据求解的自由度数量、所花 费的时间和要求的内存而定。对于焊接一般采用程序自动选择求解器的方法可得到比 较好的计算效果。ansys 的方程求解器计算多个联立线性方程来预测工程系统的响 应，然而非线性结构的行为不能直接用多个线性方程表示，而需要多个带校正的线性 近似求解。 3 模拟结果及分析 ansys 后处理就是查询计算结果并对计算结果进行处理，用以判断网格是否精 确、分析结果是否正确。ansys 软件的后处理包括通用后处理 posti 和时间历程后 处理 post26 两大模块。 在后处理中，可查看整个模型在某一载荷步或子步的计算值，如某一时间点焊件 上各点的各种应力、应变值和温度值。而时间历程后处理则查看某点的值随时间变化 的状况，如整个焊接过程中，某点的应力、应变值和温度随时间如何变化。若要查看 整个焊件在整个焊接过程中温度和应力的动态变化，可用ansys中的动画显示技术。 在后处理中可通过列表和绘图的形式显示查询结果。ansys中的误差估计是基于能量 分布的，它主要考虑了单元网格的尺寸精度。一般计算结果中能量误差值应低于 10%，否则需将网格进行细化 27。 3.1温度场模拟 图 3.1 t=0.001s 时的温度场 图 3.2 t=0.002 s 时的温度场 图 3.3 t=5.002s 时的温度场 图 3.4 t=10s 时的温度场 图 3.5 冷却 5000 秒后的的温度场 温度场的数值模拟是应力应变数值模拟的基础，同时温度场的分布对应力应变的 分布有着极大的影响。图(3.1)-图（3.5）是各个温度的瞬态变化图，依次描绘了各个 关键时刻的温度场，能够反映在焊接过程中焊缝的融合区的金属通过加热，然后熔化 和随后冷却凝固的全部的过程。可以说明焊接热过程具有的基本特点（1）加热区域 小，加热温度高。它造成焊件上各个点间出现很大的温度梯度，这可以从图片中两种 的颜色的突变看出。 （2）加热时间短，温度分布不稳定；对于焊件的某一点而言，受 到的加热作用时间极短，可视为一个瞬间 28。即当焊接热源接近焊件上某一点的时候， 热源的热量将使该点迅速加热升温，随着热源的离去，热量将导出而使其温度降低。 可见，焊件上的传热过程是一个非稳定状态的传热过程。图(3.1)和图（3.2）是进行一 级焊时候的温度场，可以看见焊缝区及其附近已达到融化状态；图(3.3)二级焊时的瞬 态温度场，焊缝区的温度都已达到1500，这是温度梯度比较大，可以很明显看出焊 件正在加热，因为离焊缝远的部位还处于室温状态；图（3.5）是焊件的冷却过程中的 温度，可以看到焊缝区的温度逐渐降低，非焊缝区的温度逐渐上升，而且，随离焊缝 的距离增大而减少，这表明焊接是热传导过程.由于是同种材料的焊接过程则通过图 (3.4)和图（3.5 ）可以发现，在焊缝两侧温度分布是一样的。 3.2 应力场的模拟 图 3.6 t=0.001s 时的应力场 图 3.7 t=0.002s 时的应力场 图 3.8 t=5.002s 时的应力场 图 3.9 t=10s 时的应力场 图 3.10 冷却 5000 秒后的应力场 图 3.11 沿 x-轴横向应力分布情况 图 3.12 沿厚度方向应力分布情况 应力场显示如上图（3.6）至图（3.10）：从图中可以看到各个点的某一时刻的瞬 态内应力图，还可以看到一些应力集中的点（如图片中红色的位置） ，因为这些地方 的内应力比较大，而且比较集中。还可以看见焊件受温差作用而引起的热应力，这种 瞬时热应力随时间急剧变化，当温度梯度较大、随时间的变化率较大时，这种瞬态内 应力作用在焊件的内部。对比温度场图（3.1） 、图（3.2）和应力场图（3.6） 、图 （3.7）可以看出，此时第一层焊缝中心部位温度已 1200 度以上，其焊缝中心区金属 钢受热不均匀所引起的热应力在焊缝中心区达到或超过了钢的屈服强度，则焊缝中心 区域产生塑性变形，并且焊缝周围钢的受热膨胀受到两侧母材的拘束，所以在焊缝周 围也产生热应力；随着第二道焊的进行，由于对第一道焊加热，使得第一道焊的残余 应力基本上被消除；在焊缝冷却过程中，由于焊缝的收缩，在接近焊缝的一个较窄的 区域产生了拉伸应力，如图（3.8）和（3.9）所示；而通过图（3.10）则可以发现，焊 接残余应力分布是不均匀的，并且残余应力只是存在焊缝和近焊缝区，则最大残余应 力出现在熔化区附近，随着离焊缝的距离增大，残余应力逐渐变为零。图(3.11)和图 (3.12)分别表示沿 x 轴方向的横向应力分布情况和沿厚度方向的应力分布情况，通过 图可以得出:焊接残余应力分布是不均匀的，焊后收缩趋势愈大的区域应力值愈大，既 是在接近焊缝的一个很窄的区域内产生了拉应力，其最大值可达到材料的屈服强度值； 在其相邻区域产生压应力。 图 3.13 焊件铜上层表面的等效应力分布 图 3.14 焊件中间层的横向应力和等效应力分布图 图 3.15 焊缝钢下层表面的等效应力分布图 从图（3.14）可以看出在曲线横坐标 x=（0.3-0.7 ）这个区间为焊缝所在位置，其 应力也最大，通过这个区间的应力峰值比较及图(3.13)与图（3.15）两表面层应力分布 可以发现焊缝钢的上下层得残余应力是一样的，通过横向应力分布图（3.14）还可以 看出在焊缝区其应力值为正，表现为拉应力，在其他区域正为负，表现为压应力。 理论上在焊接过程中，焊接区以远高于周围区域的速度被急剧加热并局部熔化。 焊接区材料受热膨胀，热膨胀受到周围较冷的区域的约束，并造成热应力，受热区域 温度升高后屈服强度极限下降，热应力可部分超过该屈服极限，这样焊接区形成了塑 性的热压缩。冷却后，焊接区比周围区域相对缩短，变窄或减小，因此，这个区域就 呈现拉伸残余应力，周围区域承受压缩残余应力。由图(3.6)至图(3.15)，可看出应力 变化规律和理论上基本上是一致的。 4 全文总结与展望 4.1 全文总结 本文对 q235 钢对接接头焊接过程产生的温度场、应力场及焊后的残余应力进行 了模拟研究，提出了基于 ansys 软件的焊接温度场和应力的模拟分析方法，通过本 文研究，可以得出以下结论。 （1）通过本文的实例的数值模拟，得出该种接头的温度场和焊缝应力的分布情 况，得到残余应力在试件上的连续分布规律：在接近焊缝一个较窄的区域产生了拉应 力，在其相邻区域产生压应力。 （2）本文应用弹塑性热应力理论，并且考虑材料热物理性能及力学性能随温度 变化，用 ansys 软件分析 q235 钢、钢的对接焊缝的残余应力，掌握影响接头残余 应力的主要因素。并提出了一些预防和减小残余应力的措施。 本文的工作还存在以下几点不足，有待于今后进一步改进： （1）受到硬件条件的限制，本文采用的是二维模拟，不能够完全真实的反映各 个方向的温度分布和应力分布； （2）由于材料物理性能数据的缺乏，本文认为两种材料的线膨胀系数、热导率 和比热容是定值，这给最后分析结果带来一定的误差； （3）没有考虑热源问题，在某一层施焊时，即认为给该层施加温度约束，而不 是以热流密度加载热量，这也会给结果带来一定误差； （4）本文的方法还没有很好的解决计算时间、存储空间与计算精度的矛盾； （5）本文的方法没有考虑高温蠕变和辐射； （6）本文的方法没有考虑熔池的流动对焊接温度场和应力的影响； （7）本文没有考虑对接接头的焊接顺序，认为是在正反两面同时施焊； （8）本文的实例计算结果没有进行实验验证。 4.2 未来的展望 如何调整和控制焊接残余应力一直是工程界广泛关注的问题，这是因为它们的存 在直接关系到焊接结构的安全可靠性 2930。但是目前对焊接的残余应力的研究还不是 很多，国内外许多学者都越来越关注在焊接过程中所产生的残余应力的研究。在计算 机日益发展的今天，采用数值模拟方法预测焊接残余应力已经取得了丰硕的成果。如 极厚板焊接残余应力分析以及为降低和调整管道结构焊后内表面残余拉应力所提出的 许多焊接工艺与方法已经得到了应用。这些都是采用过去常规的解析手段难以实现的。 但这还远远不能满足科学研究和实际工程的需要。例如，要用数值分析的方法控制实 际复杂焊接结构的残余应力尚存在很多问题，目前一个比较重要的问题是材料性能， 特别是高温时材料性能数据还很缺乏，给焊接残余应力数值分析带来了许多困难。因 此，建立相应的材料特性数据库，也会促进焊接残余应力数值模拟技术的发展。其次， 由于焊接应力场计算是属于包括相变、塑性、非线性等多方面因素影响的热弹塑性 问题，尤其是焊后冷却过程中发生的相变体积膨胀，严重影响残余应力的分布。因此， 在关于焊接残余应力数值分析中应该充分考虑到相变作用的影响。由于焊接应力场计 算是属于包括相变、塑性、非线性等多方面因素影响的热弹塑性问题，尤其是焊后 冷却过程中发生的相变体积膨胀，严重影响残余应力的分布。因此，在关于焊接残余 应力数值分析中应该充分考虑到相变作用的影响 31。 本文提出的对焊接对接接头残余应力的模拟分析方法将能得到很大的发展，具有 广阔的应用前景。焊接热应力、残余应力和变形的分析将会是定量的精确分析；通过 焊后残余应力、应变的精确模拟，可以为后续的焊接接头的强度、疲劳及裂纹等问题 的研究打下基础，焊接温度场的分析也可为后续的焊接过程和焊后显微组织的分析做 前提的条件；焊接温度场的分析方法可推广运用到热处理的模拟分析中去 3233。此外， 随着各项技术的深入研究和发展，本文提出的模拟方法可利用有限元软件的参数化语 言编写程序，将各种焊接形式的模拟计算程序进行封装，建立一套焊接温度场、应力 和变形的数值模拟系统，通过计算机系统指导实际工作和生产，促进焊接过程模拟技 术在工程中的应用。 事实上，已有的数值模拟研究成果已经使我们对复杂的焊接过程有了深入的了解， 为解决异种接头焊接残余应力带来了新思路和新方法。因此，我们有理由相信，随着 人们对焊接残余应力认识的深入和计算机技术的高度发展，焊接残余应力数值模拟技 术具有广阔的应用前景，由异种接头残余应力引起的接头的失效问题也将得到很好的 解 致谢 本文能够顺利完成，与导师余海洲的悉心指导和精心的培养分不开的。对导师半 年来在学业、科研上的指导、关怀和帮助，作者表示衷心的感谢。导师严谨的治学态 度、一丝不苟的工作作风、谦和的待人方式以及自由的学术氛围，无不给作者以深刻 的印象，必将对作者以后的发展产生重要的影响。导师的亲切关怀和热忱指导，作者 将铭刻在心。 在学习期间，还得到王杰、刘龙伟、王长庚等同学的大力帮助。在这里作者也深 深地感谢他们。 最后，衷心地感谢所有关心和帮助过我的老师和同学 参考文献 1蒋沧如 , 袁海庆. 有限单元法的理论与工程应用. 武汉工业大学出版社, 1997. 2蒋沧如 . 多孔工程材料极其力学行为. 武汉工业大学出版社, 1996. 3手勖成 . 有限单元法.清华大学出版社, 2004. 4 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