硕士学位论文-基于温度和应力场的焊接残余应力数值分析.pdf

南昌大学硕士学位论文基于温度和应力场的焊接残余应力数值分析申请学位级别：硕士专业：工程力学20070616摘要摘要焊接作为钢结构中的重要工艺，是一个牵涉到电弧物理、传热、冶金和力学的复杂过程，直接关系到工程质量的好坏、结构的安全。由于高度集中的瞬时热输入。在焊接过程中和焊后将产生相当大的残余应力和残余变形。焊接残余应力会严重影响结构的使用性能，因此，对焊接残余应力进行计算和分析具有很重要的现实意义。本文从这一点出发，在总结前人工作的基础上结合数值计算的方法，运用有限元分析软件Ansys对焊接温度场和焊接残余应力场进行了三维实时动态模拟的研究，提出了基于Ansys软件平台的焊接温度场和应力的模拟分析方法，并针对空间结构中焊接空心球节点管球焊接处对接角焊缝进行了实例计算，其计算结果与传统结果和理论值相吻合。本文首先对焊接过程中的温度场和应力场的基本理论和数值模拟分析方法进行了阐述。在数值模拟计算过程中，采用Ansys软件的热一结构耦合功能，利用间接耦合法，考虑了焊接温度场对应力应变场的单向耦合，对空心球节点管球焊接处对接角焊缝焊接过程中以及焊后的温度场进行模拟计算。为了提高计算精度，本文对高温时的材料物理性能参数进行了适当的选取和处理，对焊缝处网格进行细化，选取高斯函数分布的热源模型，并利用Ansys软件的APDL语言编写程序实现焊接热源的移动加载。最后通过后处理，给出了焊接温度场的动态变化图。在温度场计算准确的基础上，将相应的热单元转换为结构单元，进行焊接残余应力的计算。运用生死单元法，将超过材料熔点的单元“杀死”，激活没有超过熔点的单元，以动态模拟熔池金属的熔化和凝固。通过后处理，给出了焊缝部位焊接残余应力的分布趋势。本文建立了可行的焊接空心球节点管球焊接处对接角焊缝的三维温度场、残余应力的动态模拟分析方法，为复杂焊接结构进行三维焊接温度场、残余应力的分析提供了理论和指导，促进了有限元分析方法在焊接力学分析以及在实际工程中的应用。关键词：焊接温度场，焊接残余应力，有限元，数值模拟，焊接空心球节点AbstractABSTRACTAsallimportanttechnologyofsteel刚nlcn鹏weldingisacomplicatedprocesswhichinvolvesinelectromagnetismheattransferring，metalmeltingandfreezingandmechanics，whichrelatedtothequalityofprojectsandthestabilityofstructI|reBecauseofhighcentralizedinstantaneousheatagreatdealofresidualstressanddeationshouldbebroughtintheprocessofthewelding，whichcanheavilyinfluencethecapabilityofwelding刚舯】c=tIJ把ThereforeitisessemialtocalculateandanalyzetheresidualstressinweldingstructureBasedonothersexperience，withnumericalcalculation，thispaperresearcheshowtorealizethe3-Ddynamicsimulationofweldingtemperatureandresidualstressfield，thenusestheresearchresultstosimulatetheweldingprocessoftheannularweldingofhollowsphericaljointFurthermore，thecalculationresultaccordswithtraditionalanalysisresultandtheoryresultThepaperfirstlydescribesthebasictheoriesandnumericalanalysissofthetemperaturefieldandresidualstressfieldIntheprocessofnumericalsimulatedcalculatingwiththethermalstructurecouplingfunctionofAnsyssofhvareandindirectcouplingthispaperdealswiththesinglecouplingwhosetemperaturefielde丘bctsonstressandstrainfieldandcalculatesthetemperaturefieldforthehollowsphericaljointweldinglineInordertoimprovethesolutionaccuracyitselectssuitablematerialproperties，refinesthegirding，choosestheGaussfunctionmovingheatsourcemodelandusesAILqysAPDLlanguagetocompileprogramtoapplymovingheatsourceloadintheprocessofnumericalsimulatedcalculatingFinallydynamicpicturesofweldingtemperaturefieldandtemperaturedistributioncurveofeachpoiminweldinglineareshownBasedonaccuratetemperaturefieldresults，weldingresidualstressarealsocalculatedbychangingthermalelementsintostructuralelementsBy”BirthandDeath”elementswhosetemperatureageinexcessofmaterialmeltingpointsarekilledandanyotherelementnotineXCeSSofmaterialmeltingpointsareactivatedTherefore，dynamicsimulationonmetalmeltingandfreezingisfulfilledAcurveofIIAbstraetregularityonweldingresidualstressesandtendencyoftheirdistributionispresentedbypostsolutionThroughtheresearchandpracticalverificationthispaperestablishesafeasibledynamicsimulationon3-Dweldingtemperaturefieldandresidualstressfieldoftheannularweldingofhollowsphericaljoint，providingthetheoreticanalysisofresidualstressandinstruction，promotingtheapplicationofFEM(FiniteElement)onweldingmechanicsanalysisandengineeringKeywords：weldingtemperaturefieldweldingresidualstress，finiteelement，numericalsimulationweldedhollowsphericaljointIII学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解南昌大学有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权南昌大学可以将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、汇编学位论文。(保密的学位论文在解密后适用本授权书)学位论文作者签名：韶匆矽导师签名：乏捂嬲每签字日期：碲月，日签字日期：07年6月，g日学位论文作者毕业后去向：上痨工作单位：上堰莎白糨膨7f6矽岔鼋话：口一g孕67J“(通讯地址：嘲募焉孵穆铴枷巾删当邮编：。；。学位论文独创性声明学位论文独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得南昌史学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢意。学位论文作者签名(手写)：哥量旃彩签字同期：哆年岛月，FEl学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解南昌大学有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权南昌大学可以将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、汇编学位论文。(保密的学位论文在解密后适用本授权书)学位论文作者签名：镌茹多导师签名签字日期：却年占月，矿日签字El期：年月R学位论文作者毕业后去向：工作单位：通讯地址：电话邮编第1章绪论11引言第1章绪论参与铁道部科技发展计划项目钢结构事故研究的中南大学土木工程学院教授叶梅新女士撰写了一篇叫钢结构事故研究的论文，文中分析了很多钢结构事故的原因，指出：许多钢结构事故都与低温冷脆问题有关，低温冷脆断往往与材料的疲劳有关；高应力集中、材料缺陷、焊接缺陷和焊接残余应力是引起低温脆断的主要原因。叶教授从我国区域经济的发展谈到西部的建设，鉴于钢结构的许多优点，大量的钢结构将在西部得到广泛的应用，钢结构的机遇前所未有，但是钢结构的事故触目惊心；最后指出：在钢结构的设计、选材、制造、施工和运营中，必须严格控制各个环节，确保结构的安全可靠，尤其是对低温冷脆、焊接残余应力以及焊接缺陷等问题，有必要做进一步的研究。另外，钢结构中，单层网壳结构是一种空间曲面刚接杆系结构或者梁系结构，其受力特征类似于薄壳结构，稳定是单层网壳结构的主要问题。当网壳中杆件主要以弯曲方式承载的结构，其稳定性态对缺陷不敏感；当网壳中杆件主要以轴力方式承载的结构，其稳定性是缺陷敏感的，网壳结构通常以轴力方式传力，因而网壳是缺陷敏感性结构。网壳结构的失稳有时呈突变性的，一根杆件的屈曲或者一个接点领域的局部屈曲，往往会迅速传播导致整个网壳突然失效，使结构不具备屈曲后承载性能。这种现象常出现在单层同向曲面网壳中。在网壳结构中，其接点连接主要是空心球接点和杆件的焊接，于是焊接残余应力的研究对网壳结构的稳定显然很重要。合肥工业大学的完海鹰先生、王星先生和范伟先生等对焊接空心球接点的刚度及其对网架结构的影响进行了有限元分析“”蚴1。但是他们都没有考虑焊缝残余应力的影响。本文主要通过对焊接温度场应力场的单向耦合来分析空心球节点的温度场和焊接残余应力分布。第1章绪论12焊接残余应力的文献综述121焊接残余应力的概念焊接构件由焊接而产生的内应力称之为焊接应力，按作用时间可分为焊接瞬时应力和焊接残余应力。焊接过程中，某一瞬时的焊接应力称之为焊接瞬时应力，它随时间而变化；焊后残留在焊件内的焊接应力称之为焊接残余应力“。焊接残余应力为热应力(主要为冷却应力)，相变应力可再叠加其上。在冷焊、扩散焊、滚轧敷层和爆炸敷层等情况下，冷加工作用力是残余应力的源泉，它可单独作用，也可能附加于上述热效应之上。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。焊接区材料受热而膨胀，热膨胀受到周围较冷区域的约束，并造成(弹性)热应力，受热区温度升高后屈服极限下降，热应力可部分超过该屈服极限。结果焊接区形成了塑性的热压缩，冷却后，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，周围区域则承受压缩残余应力。冷却过程中的显微组织转变会引起体积的变化，如果这种情况发生在较低的温度，而此时材料的屈服极限足够高，则会导致焊接区产生压缩残余应力，周围区域承受拉伸残余应力。可以运用以下的经验法则判剐产生焊接残余应力的情况：构件最后冷却的区域以热应力为主时，呈现焊接拉伸应力，而以相变应力为主时，呈现焊接压应力。122焊接残余应力产生的原因及分类嗍在各种加工过程中，焊接是比较容易产生残余应力的加工过程。焊接是把结构构件彼此之间连接起来，这种结合就会使这些工件之间形成约束状态。因此，通常所说的焊接残余应力包括两个部分：一是当焊接件处于自由状态时，由于焊接而产生的应力，这种应力在焊接件中保持自身平衡，称为焊接残余应力；一是由于焊接件以外的约束而造成的残余应力，称为约束应力。焊接残余应力的形成，一般包括下列三个方面：1直接应力，这是由于不均匀加热而造成的，它是取决于焊接件加热和冷2第1章绪论却时的温度梯度而表现出来的热应力，是焊接残余应力形成的主要方面。2间接应力，这是焊接前工序带来的应力，构件在轧制和冷拔后其表面具有拉伸应力，它与焊接产生的应力叠加，并对焊接后的构件的变形产生附加的影响。3组织应力，这是由于组织变化而产生的应力，它与含碳量及材料的其他成分有关。其中，直接应力是焊接残余应力形成的主要方面，即焊接残余应力的产生主要是由加热和冷却时的热应力及由它所造成的塑性变形来确定，对这种残余应力起决定性影响的是开始加热时焊接件的温度分布，也就是焊接件各点的温度梯度。焊接件的温度分布受焊接件的形状、焊接速度及材料的热传导系数等热学性质的影响。此外，构件的变形特性对残余应力的产生也有影响。因为诸如材料的屈服应力、弹性模量、热膨胀系数等都与温度有关，屈服应力、弹性模量等随温度的升高而下降，而热膨胀系数则随温度的升高而增大。焊接是一个涉及电弧物理、传热传质、冶金力学的复杂过程，并在传热过程中金属进行着熔化和凝固、加热或冷却的相交、焊接应力与变形等。高温停留时间冷却速度等热传循环系数会对焊件的组织状态、力学性能、氢扩散以及焊接冷裂纹产生重要影响。因此焊接温度场的准确计算是焊接冶金分析、残余应力与变形计算以及焊接质量的控制的前提。从中可以看出，要想研究焊接残余应力必须首先对焊接过程中的温度场进行分析，然后得出应力的动态分布和应力场和温度场的耦合。焊接温度场、应力场的模拟就是运用其热、结构及二者的耦合分析功能进行计算，即先运用其热分析功能计算整个焊接过程的温度场，然后将温度场的计算结果作为热载荷进行结构的力学分析，得到应力场的整个动态变化过程。123影响焊接残余应力产生的主要因素嘲焊接应力的产生和发展是一个随加热与冷却而变化的材料热弹塑性应力应变动态过程。以熔焊方法为例，影响这一过程的主要因素有以下两个方面：(1)材料物理特性和力学性能的影响。表11列出了一些常用材料的热物理特性在给定的温度T区间的平均值。热导率A、比热容c、密度P或由这几个参3第1章绪论数联合表示的热扩散率a=2Cp，以及热焙S是影响焊接温度场分布的主要物理参数。线膨胀系数a随温度的变化则是决定焊接热应力、应变的重要物理特性。表11常用材料的热物理性能系数材料a(x-06)旯cP(x10-3)口71低碳钢1216低合金钢165170038加04249-52759O500-600奥氏体铬镍钢l岳。20O025033444。36，370600铝合金232702727100300钦合金85016286700(2)不同类型焊接热源的影响。焊接时的热输入是产生焊接应力的决定性因素。焊接热源的种类、热源能量密度的分布、热源的移动速度、被焊接件的形状与厚度都直接影响着热源引起的温度场分布，因而也改变着焊接残余应力的分布规律。图11所示为三类典型的焊接热源模型。在函数解析求解焊接温度场时，这种分类可使最终的计算公式简化。而用有限元方法数值求解时，原则上允许考虑任何复杂的情况；但实际上，为了节省运算时间，从经济的角度考虑也需作相应的简化。其中，图11(a)为作用于半无限体(厚板)表面上的点热源模型，它是厚板表面点状加热(热源不移动)的热传导过程的简化；图11为作用于垂直无限板(薄板)表面的线热源模型，它是薄板点状加热(热源不移动)和单道对接焊(热源移动)的热传导过程的简化，一般为二维传热，沿板厚方向上的热源功率为常数。若热源不移动，在点状加热时，相应的二维焊接热弹塑性应力应变过程为轴对称(相对于Z轴)平面应力问题。若热源移动，相应于薄板单道对接焊过程，这时的焊接热弹塑性应力应变过程亦可简化为二维平面应力问题近似求解；图11(c)为作用于垂直无限杆轴向的面热源模型，杆截面上的热源功率为常数，沿杆件的轴线方向为一维传热。与此相应的焊接热弹塑性应力应变过程，可视为一维问题，但在实际工程问题中，由于在横截面的表面上并非绝热的条件，最终的残余应力呈现复杂的分布状态。4第1章绪论阂，。：。“j，j，j【二一么么j，。一臌、“：蔓。7一。kt屯、匠乙=乙!Z乙香、(b)“静酾：=二二】琶=二=(c)图11三类典型的焊接热源模型124焊接残余应力对焊接结构的影响嘲由于焊接过程是一个局部的不均匀加热、冷却过程，受焊缝及其近缝区温度场的影响，焊件内部会出现大小不等、分布不均匀的残余应力应变场。在焊件服役过程中，焊接结构的残余应力和其所受载荷引起的工作应力相互叠加，使其产生二次变形和残余应力的重新分布，这不但会降低焊接结构的刚性和尺寸稳定性，而且在温度和介质的共同作用下，还会严重影响结构和焊接接头的疲劳强度、抗脆断能力、抵抗应力腐蚀开裂和高温蠕变开裂的能力，现代大工业生产与新技术的迅猛发展，对焊接技术提出了更高的要求一高质量、高经济性和高可靠性。焊接残余应力与变形是直接影响构件结构性能、安全可靠性的重要因素，它在一定条件下，会对结构的断裂特性、疲劳强度和形状尺寸精度等产生十分不利的影响。(1)对结构刚度的影响当外载产生的应力盯与结构中某区域的残余应力叠加之和达到屈服点以时，这一区域的材料就会产生局部塑性变形，丧失了进一步承受外载的能力，造成结构的有效截面积减小，结构的刚度也随之降低。结构上有纵向和横向焊缝时(例如工字梁上的肋板焊缝)，或经过火焰校正，都可能在相当大的截面上产生残余拉伸应力，虽然在构件长度上的分布范围并不太大，但是它们对刚度仍然能有较大的影响。特别是采用大量火焰校正后的焊接粱，在加载时刚度和卸载时的回弹量可能有较明显的下降，对于尺寸精确度和稳定性要求较高的结构是不容忽视的。5第1章绪论(2)对受压杆件稳定性的影响当外载引起的压应力与残余应力中压应力叠加之和达到o，这部分截面就丧失进一步承受外载的能力，这样就削弱了杆件的有效截面积，并改变了有效截面积的分布，使稳定性有所改变。残余应力对受压杆作稳定性的影响大小，与残余应力的分布有关。(3)对静载强度的影响如果材料是脆性材料，由于材料不能进行塑性变形，随着外力的增加，构件中不可能应力均匀化。应力峰值将不断增加，直至达到材料的屈服极限，发生局部破坏，最后一导致整个构件断裂。脆性材料残余应力的存在，会使承载能力下降，导致断裂。对于塑性材料，在低温环境下存在三向拉伸残余应力的作用，会阻碍塑性变形的产生，从而也会大大降低构件的承载能力。(4)对疲劳强度的影响残余应力的存在使变荷载的应力循环发生偏移，这种偏移只改变其平均值，不改变其幅值。结构的疲劳强度与应力循环的特征有关。当应力循环的平均值增加时，其极限幅值就降低，反之则提高。因此，如应力集中处存在着拉伸残余应力，疲劳强度就降低。应力集中系数越高，残余应力的影响也就越显著，因此，提高疲劳强度，不仅应从调节和消除残余应力着手，而且应从工艺和设计上来降低结构的应力集中系数，从而降低残余应力对疲劳强度的不利影响。(5)对焊件加工精度和尺寸稳定性的影响加工把一部分材料从焊件上切除时，此处的应力也被释放。残余应力的原来平衡状态被破坏，焊件产生变形，加工精度受影响。组织稳定的低碳钢及奥氏体钢焊接结构在温室下的应力松弛微弱，因此内应力随时间的变化较小，焊件尺寸比较稳定。低碳钢在室温下长期存放，数值为a的原始应力可能松弛253，如果原始应力较低，则松弛的比值将有所减少，但若环境温度升高至1000oC，松弛的比值将成倍增加。(6)对应力腐蚀裂纹的影响金属材料在某些特定介质和拉应力的共同作用下发生的延迟开裂现象，称为应力腐蚀裂纹。应力腐蚀裂纹主要是由材质、腐蚀介质和拉应力大小共同作用的结果。采用熔化焊焊接的构件，焊接残余应力是不可避免的。焊件在特定的腐蚀介质中，尽管拉应力不一定很高都会产生应力腐蚀开裂。其中残余拉应力的大小对腐蚀速度有很大的影响，当焊接残余应力与外载荷产生的拉应力叠加后的拉应力值越高，产生应力腐蚀裂纹的倾向就越高。发生应力腐蚀开裂的时间就越短。所以，在腐蚀介质中服役的焊件，首先要选择抗介质腐蚀性能好的材料，6第1章绪论此外对钢结构的焊接及其周围处进行锤击，使焊缝延展开，消除焊接残余应力。对条件允许的焊接加工的钢结构，在使用前进行消除应力退火等。125焊接温度场与应力场的研究历史与发展嗍删嘲伽嘲焊接温度场的准确计算或测量，是焊接冶金分析和焊接应力、应变热弹塑性动态分析的前提。关于焊接热过程的分析，苏联科学院的助Rykalin院士对焊接过程传热问题进行了系统的研究，建立了焊接传热学的理论基础。为了求热传导微分方程的解，他把焊接熟源简化为点、线、面三种形式的理想热源，且不考虑材料热物理性质随温度的变化以及有限尺寸对解的影响。实际上焊接过程中除了包含由于温度变化和高温引起的材料热物理性能和变化而导致传热过程严重的非线性外，还涉及到金属的熔化、凝固以及液固相传热等复杂现象，因此是非常复杂的。由于这些假定不符合焊接的实际情况，因此所得到的解与实际测定有一定的偏差，尤其是在焊接熔池附近的区域，误差很大，而这里又恰恰是研究者最为关心的部位22241。Adames、木原博和稻埂道夫等人根据热传导微分方程，以大量的实验为基础，积累了不同材料、不同厚度、不同焊接线能量以及不同预热温度等测量数据，然后从传热理论的有关规律出发，经过整理、归纳和验证，最后建立了不同情况下的焊接传热公式。这种方法前者采用数学解析法要准确，但实验的工量很大，有确定的应用条件和范围，且可靠性取决于测试手段的精度【22】。1966年Wilson和Nickell首次把有限元法用于固体热传导的分析计算中。70年代，有限元法才逐渐在焊接温度场的分析计算中使用。1975年，加拿大的Poley和Hibbert在发表的文章中，介绍了利用有限元法研究焊接温度场的工作，编制了可以分析非矩形截面以及常见的单层、双层UV型坡口的焊接温度场计算程序，证实了有限元法研究焊接温度场的可行性。之后国内外众多学者进行了这方面的研究工作。Krutz在1976年的博士论文中专门研究了利用焊接温度场预测接头强度问题，其中分析了非线性温度场，在二维分析模型中，假定电弧运动速度比材料热扩散率高，因此传到电弧前面的热量输出量相对比较小，从而忽略了在电弧运动方向的传热，这实际上与Rykalin高速移动热源公式的处理方法是一致的。西安交通大学唐慕尧等人于1981年编制了有限元热传导分析程序，进行了7第1章绪论薄板焊接准稳态温度场的线性计算，其结果与实验值吻合f32】。随后上海交通大学的陈楚等人对非线性的热传导问题进行了有限元分析，建立了焊接温度场的计算模型，编制了相应的程序，程序中考虑了材料热物理性能参数随温度的变化以及表面散热的情况，能进行固定热源或移动热源、薄板或厚板、准稳态或非准稳态二维温度场的有限元分析【351。并在脉冲TIG焊接温度场以及局部干法水下焊接温度场等方面进行了实例分析。对于三维问题，国内外也是近十年来才刚开始研究。其原因是焊接过程温度梯度很大，在空间域内，大的温度梯度导致严重材料非线性，产生求解过程的收敛困难的和解的不稳定性；在时间域内，大的温度梯度决定了必须在瞬态分析时在时间域内的离散度加大，导致求解时间步的增加。国内上海交通大学汪建华等人和日本大阪大学合作对三维焊接温度场问题进行了一系列的有限元研究，探究了焊接温度场的特点和提高精度的若干途径，并对几个实际焊接问题进行了三维焊接热传导的有限元分析。蔡洪能等人建立了运动电弧作用下的表面双椭圆分布模型基础上研制了三维瞬态非线性热传导问题的有限元程序，程序中利用分析节点热烩的方法对低碳钢(A3钢)板的焊接温度场进行了计算，计算结果和实验值吻合得很好【321。焊接过程中应力应变的研究工作始于二十世纪三十年代，但是研究工作只能是定性的和实测性的。五十年代，前苏联学者奥凯尔布洛母等人在考虑材料机械性能与温度之间的相互依赖关系的情况下，用图解的形式分析了焊接过程的热弹塑性性质及其动态过程，并分析了一维条件下对焊接应力应变的影响。六十年代由于计算机的推广应用，对焊接应力和变形的数值模拟才发展起来。1961年，Tall等人首先利用计算机对焊接热应力进行计算，编制了一套沿扳条中线进行堆焊的热应力一维分析程序。1971年，工waki编制了可用于分析板平面堆焊热应力的二维有限元程序，后来Muraki对它作了重大改进，扩大了这个二维程序的功能，使之可用于对接焊和平板堆焊过程的热应力分析。日本的上田幸雄等人以有限元为基础，应用材料性能与温度相关的热弹塑性理论，导出了分析焊接热应力所需的各表达式。此后美国的HDHibbertEERyblicki，Y工wamuk以及美国MIT的Masubuehi等在焊接残余应力和变形的预测和控制等方面进行了许多研究工作14”。Anderson分析了平板埋弧焊时的热应力，并考虑了相变的影响。进入二十世纪八十年代，有限元技术日益成熟，人们对焊接应力和变形过程及残余应力的分布规律的认识不断深入。1985年Josefson等人通过大量的数8第1章绪论值计算，进一步提高了预测焊缝周围残余应力分布的精度，同时考虑定位焊对残余应力分布的影响。Josefson对薄壁管件焊接残余应力以及回火去应力过程的应力分布情况进行了研究，并探讨了一些调整焊接残余应力的措施。进入九十年代，随着计算机性能的进一步提高，对焊接应力和变形的研究更加深入。1991年Mahin等人在研究中考虑了耦合的热应力问题，其中热源分布采用实验矫正的方法进行处理，同时考虑了熔池对流、辐射及传热对温度分布的影响，其残余应力的计算结果与采用中子衍射测得的结果吻合很好。TInoue等研究了伴有相变的温度变化过程中，温度、相交、热应力三者之间的耦合效应，并提出了在考虑耦合效应的条件下本构方程的一般形式。1992年加拿大的Chen等人对厚板表面重熔时的应力和变形进行了有限元计算，其中考虑了熔化潜热及凝固过程中固液相转变过渡区应力的变化，其残余应力计算值和实验值相当吻合。美国的Shim等人利用平板应变热弹塑性有限元计算了厚板多层焊的残余应力，并对不同坡口形状的焊接残余应力进行了比较，揭示了厚板残余应力分布的规律。1993年，加拿大的Chidiac等人研究了厚板焊接过程的应力和变形以及残余应力的分布，其中涉及了三维加热模型，并考虑了显微组织的变化和晶体生长等情况。另外，与焊接温度场的有限元分析类似，焊接热弹塑性有限元分析过去大都局限于二维、三维问题的研究是二十世纪九十年代才开始的。国内对焊接残余应力和变形的数值分析起步于二十世纪七十年代，首先是西安交通大学的楼志文等人把数值分析应用到焊接温度和热弹塑性应力场的分中，编制了热弹塑性有限元分析程序，并对两个较简单的焊接问题进行了分析。N-十世纪八十年代，上海交通大学焊接教研室在焊接热传导的数值分析方面做了许多工作，特别是对非线性瞬态温度场进行了有限元分析，提出了求解非线性热传导方程的变步长外推法，并编制了二维热弹塑性有限元分析程序，计算了平板对接焊时应力和变形的发展过程以及残余应力分布。关桥等人编制了用于进行平板轴对称焊接应力和变形分析的有限差分和有限元程序，对薄板氢弧点状热源的应力和变形进行了计算，该分析仅限于点状热源。孟繁森等人利用迭代解法研制了计算焊接过程应力应变程序和图形显示程序，分析了板条边沿堆焊时的应力和变形的发展过程。陈楚等人利用平截面的假设分析了厚板焊接时的瞬态拉应力以及厚板补焊时的残余应力。刘敏等人研制了三角差分温度场和轴对称热弹塑性有限元程序，计算了1CrlSNi9Ti和20号钢圆管对接多层焊接时的应力和变形。汪建华把三维问题转化为二维问题利用平面变形热弹塑性9第1章绪论有限元法对厚板的应力问题迸行了分析。13本文所研究的主要内容和意义焊接残余应力会严重影响焊接结构的使用性能，可能引起结构的脆性断裂，拉伸残余应力会降低疲劳强度和腐蚀抗力，压缩残余应力会减小稳定性极限，焊接残余应力是焊件产生变形和开裂等工艺缺陷的主要原因。由于焊接残余应力的测定程序麻烦，计算残余应力又极为复杂，因此给残余应力的研究带来了许多困难，对焊接结构的残余应力研究就显得尤为重要。随着现代科学技术的发展，数值模拟技术的地位显得越来越重要。焊接是一个涉及电弧物理、传热、冶金和力学的复杂过程，一旦各种焊接现象能够实现计算机模拟，我们就口丁以通过计算机系统来确定各种材料的最佳设计、最佳工艺和焊接参数。焊接工艺过去一般总是凭经验，通过一系列的试验或根据经验公式获得，通过数值模拟则可以大大节约人力、物力和时间，尤其是复杂的大型结构。随着有限元法和计算机技术的飞速发展，越来越多的焊接工作者利用数值模拟来研究焊接问题，并取得了不少成果。本文在总结前人工作的基础上，从理论上系统阐述了焊接残余应力的产生，焊接过程冷热不均匀所引起的温度场与焊接残余应力场等相关知识，并应用有限元分析软件Ansys对焊接温度场和焊接残余应力场进行了实时动态模拟，并针对某网壳结构的空心球节点角接焊问题进行了实例计算，将焊接残余应力的数值模拟值与传统结果和理论值比较分析，从而优化焊接结构设计和工艺设计，减少试验工作量，提高焊接接头的质量，为残余应力的理论分析和焊接工艺提供有实际价值的参考。lO第2章焊接过程的有限元分析理论第2章焊接过程的有限元分析理论21焊接过程有限元分析的特点“儿习采用空间和时间有限元(包括有限差分法)模拟焊接时材料及构件的热和力(弹性一粘塑性)行为，分析焊接残余应力和焊接变形，并如弹性构件分析中那样划分较小的单元，即使在超级计算机时代，这也是难以解决的任务。焊接过程的有限元分析具有以下特点。(1)模型是三维的，至少在焊接区域应是如此，以考虑内部和表面的不同冷却条件；(2)由于快速加热和冷却，模拟的过程是高度瞬态的，具有与位置和时间相关的极不相同的温度梯度场；(3)由于材料的热一力行为，模型的过程是高度非线性的，并与温度密切相关；(4)局部材料的瞬态行为，取决于局部加热的历史和力学的应力应变历史；(5)焊接时材料熔化，有时熔化的材料还添加在构件上，凝固后改变构件的连接状况；(6)应模拟材料的状态及显微组织变化；(7)11在界情况下可能发生的缺陷和裂纹，使连续介质的概念受到怀疑。通常这一极为复杂问题的数值解需要功能强大的计算机，求解的算法及自适应(三维)网格和(时间步长)程序。虽然今天有功能强大的计算机可以利用，但计算方法和软件的发展仍跟不上硬件进步的速度，而且即使有可以采用的计算手段，目前在收敛检验和误差估计方面也将遇到难以超越的困难。在工业生产和加工过程中阻碍焊接残余应力有限元分析应用的另一个问题是，该分析需要众多的材料特征值及其与温度的关系，而目前只有零星的数据。很多材料特征值不仅因材料而异，而且与显微组织的状态有关，还要考虑材料特征值的局部各向异性或不均匀性。然而在模拟复杂的实际问题时，上述要点只和采用带有最大可能细节的有限元模型有关。如果在模型中只涉及问题的核心，就不用考虑上述所有要点，这时只在有限元模型中研究主要的影响参数，有限元方法就可以给出贴切实际1l第2章焊接过程的有限元分析理论的结果。这一点非常重要，是因为残余应力测量和分析方法不同，能给出的说明是非常有限的。如果采用无损检测技术，只能得到构件表面的应力状态，就是采用破坏性的测量方法，也不可能有足够的精度确定构件内部完整的三维应力状态。这就涉及有限元模型的简化问题，所属类型的简化如下所述：(1)将希望的三维力学模型简化为二维甚至一维模型，如采用轴对称假设，只研究板的平面或垂直焊缝的横截面，把问题简化为杆元或收缩力模型；(2)简化构件几何、支座和加载条件；(3)使模型对称或周期化；(4)将非线性热弹性一粘塑性模型简化为线性热弹性模型；(5)将瞬态过程简化为准稳态过程；(6)使热过程和力学过程分离；(7)忽略高温发生的熔化、凝固相，以及随后在低屈服应力的相变过程；(8)只用比热容和热膨胀系数综合体现低温相变；(9)忽略蠕变和硬化，并对屈服规律进行简化；(10)用瞬态总热量或快速移动热源取代热源的运动，并忽略热源运动方向上的热传导；(11)用给定温度范围内与温度无关的平均值，取代与温度相关的材料特征值；(12)只用冷却过程来模拟残余应力的形成。根据焊接工艺基础将焊接问题分解为温度场、应力应变场以及显微组织状态场；业已证明，这种分解特别对焊接残余应力和焊接变形的数值分析处理很有价值。其关系如图21所示，图中箭头表示的是三者之间的相互关系：实线箭头表示强烈的影响，虚线箭头表示较弱的影响(经常在工程上可忽略其关联)。值得强调的是显微组织的转变不仅决定于材料的化学成分，也决定于其受热过程(特别是与焊接有关的过程)。显微组织特别是它在焊接接头的热影响区和熔化区的影响更加引人注意。从图21可以看出，影响焊接应力应变的因素有焊接温度场和金属显微组织，而焊接应力应变场对它们的影响却很小，所以在分析时，一般仅考虑单向耦合问题，即只考虑焊接温度场和金属显微组织对焊接应力应变场的影响，而不考虑应力应变场对它们的影响。高温时因为屈服极限较低，此时相变应力也很低，所以忽略相变应力不会给焊接应力带来较大的影响。本文仅研究焊接温12第2章焊接过程的有限元分析理论度场对应力应变场的影响，从而分析焊接残余应力的分布规律。I一麓矗蝻7、气_|、，形7、一、。、一、。力簪、一篓兰型唧竺一。鱼挂节、涵减矿一百；磊h螽诫姣i砂图21温度场、应力应变场及显微组织状态场的分解和相互影响从图21可以看出，金属相变对焊接温度场有影响，但影响不是很大，严格地分析相变潜热是比较困难的，比较简单的办法之一是将潜热的影响作为材料比热容的迅速上升或下降来处理。本文所研究的是高强钢焊接结构的残余应力分布规律，一般对于高强钢来说，由于在冷却过程中的相变发生在较低温度，应当考虑相变对焊接应力应变过程的影响，但与相变时的体积膨胀相比，对残余应力的影响很小，所以本文没有考虑相变潜热对残余应力的影响。22焊接热源的选择到目前为止，实现金属焊接所需的能量，主要是热能和机械能。对于熔焊，主要是热能，因而只讨论与熔焊有关的热源。作为焊接热源，应当热量高度集中，快速实现焊接过程，并保证得到高质量的焊缝和最小的焊接热影响区。目前，能够满足这些条件的热源有以下几种：电弧热一利用气体介质中的电弧放电过程所产生的热能作为焊接热源，是目前焊接中应用最广泛的一种热源；化学热一利用可燃气体(液化气、乙炔)或铝、镁热剂与氧或氧化物发生强烈反应时产生的热能作为焊接热源(气焊、热剂焊所用的热源)；13第2章焊接过稃的有限元分析理论电阻热一一利用电流通过导体及其界面时所产生的电阻热作为焊接热源(电阻焊和电渣焊)；摩擦热一由机械高速摩擦所产生的热能作为焊接热源(摩擦焊和搅拌摩擦焊)；等离子焊一由电弧放电或高频放电产生高度电离的气流(远高于一般电弧的电离度)并携带大量的热能和动能，利用这种能量作为焊接热源(等离子焊接和切割)；电子束一在真空中利用高压下高速运动的电子猛烈轰击金属局部表面，将这种动能转为热能作为焊接热源；激光束一利用激光即由受激辐射而增强的光(Laser)，经聚集产生能量高度集中的激光束作为焊接热源(激光焊接与切割)。每种焊接热源都有它自身的特点，一些常用焊接热源的最小加热面积、最大功率密度和正常焊接工艺参数下的温度如表21所示。表21各种热源的主要特征热源最小加热面积cm2最大功率密度Wcm2正常焊接工艺参数下的温度K乙炔火焰1021033475金属极电弧10一31046000钨极氨弧焊10一3151048000埋弧焊10一21046400电渣焊10-21042275熔化极氢弧绰104104105，c02气体保护焊10-4104105|等离子焊10一51510518000一24000电子束104107109，激光焊10一8107109|14第2章焊接过程的有限元分析理论影响焊接温度场的焊接热源主要参数是在焊接部位的热输入，在瞬时作用热源中为其热量或热能Q【刀，在连续作用热源中为其热流量或热功率qJs】。在两种情况下，都需要考虑的是它们的净值或有效值Q和g，分别相应于其总值Q和q乘以焊接过程的热效率巩，其总值Q和g分别表示热源给出的总能量和总功率。电弧焊时，直流情况下，其总功率为电弧的电流IA】和电压uv】的乘积；交流情况下，必须用瞬时积分得出的有效值(当欧姆电阻为R、有效电流为厶时，一般形式为)。气焊时，以乙炔的消耗量气Zh】为基础。以Tlh来考虑焊接过程的热损失，包括对流和辐射造成的向周围环境的耗散损失、飞溅损失和加热非熔化电极的损失等。连续进行的电弧焊和气焊分别按下列两式计算q=明=”彤务(21)t；：32c(22)焊接电弧和焊接火焰传递给焊接熔池的面比热源密度q删m2j】和体比热源密度g”Imm3sl近似高斯曲线分布(“指数分布热源”)。在缝焊时(焊接速度，vmms】常用单位长度焊缝的热输入量乳Imm】，代替单位时间的热输入g，比较方便：qw=qv(23)在有缝焊接时，其温度场主要取决于单位长度焊缝的热输入(在穿透焊缝时，还取决于板厚1。在电阻点焊和电阻压焊时，其总能量分别是其欧姆电阻R、有效电流厶和电流持续时间fc的乘积：Q=尉务o(24)每一种焊接方法的热功率数据需要详细的实验和理论分析，焊接温度场计算的不准确性很大程度上源于相关的Q和可的不准确性。表22列出了不同焊接方法热功率的大致数据。15第2章焊接过程的有限元分析理论表22钢和铝常用熔焊方法的热功率数据焊接方法热功率qlrJj焊接速度vmmls单位长度热功率热功率qwKlmml药皮条电弧焊120553，5065090气保护金属极电弧焊5100152065加90气保护钨极电弧焊l15151020毋50埋弧焊525025lO085加95电子柬焊051015001095-4)97激光束焊15150O05080-095氧乙炔焊l10101025田8523焊接传热的基本定律金属材料焊接时，局部集中的随时间而变化的热输入(熔化焊接部位所需的热)，以高速传播到构件边远部分。在多数情况下。辐射和对流在热输入过程中起着重要的作用，因而也是构件表面热损失的主要因素。首先，定律形式表示的是瞬时局部热源和瞬时温度场之间的关系。(1)热传导定律描述热传导现象的基本定律是傅立叶定律，其基本形式是：q+：。鍪(25)2“丽，J式中，五一热导率咿(mmooC)，表示在单位温度梯度下通过等温面单位面积的热流速度：aT，On一温度梯度，脚研】，表示等温面上某一点单位长度上的温度变化。式(25)表明，在热传导现象中，通过物体某一点的热流密度q的大小与垂直该点处的等温面的温度梯度成正比，方向相反。(2)对流换热定律对流是指物体各个部分之间发生相对位移，冷、热流体相互掺混所引起的热量传递方式，对流仅发生在流体中。工程中经常遇到的不是单纯的对流方式，而是流体流过另一物体表面时，对流和热传导联合起作用的热量传递过程，这称之为对流换热。焊接过程中，空气流过试件表面，冷却水16第2章焊接过程的有限元分析理论流过焊炬内部，都是对流换热的例子。对流换热的基本计算式是牛顿冷却公式：吼=aAT(26)式中，丁一液体温度与壁面温度的差值【oc】；吼一对流换热系数形(一2oc)】。传热系数的大小与换热过程中的许多因素有关，它不仅取决于液体的物性以及换热表面的形状与布置，而且还与流速有密切的关系。(3)辐射换热定律物体因热的原因而发生辐射能量的现象称为热辐射。自然界中各个物体都不停地向空间发出辐射热，同时又不断地吸收其它物体发出的辐射热。辐射和吸收的综合结果，就造成了以辐射方式进行的物体间的热量传递一辐射换热。当物体与周围环境处于热平衡时，辐射换热量等于零，这是一种动态平衡。根据斯蒂芬一玻尔兹曼定律，受热物体辐射的热流密度R，与其表面温度T的四次方成正比：o=占c0丁4(27)式中，占物体的黑度系数；C一绝对黑体的辐射系数co：56710-14W(mm20C4)J，适用于“绝对黑体”(即能够吸收全部落在它上面的辐射能的物体，占=1)。对于。灰体”而言，O占0，在热源前方；xo)(239)tcpvT-ro：墨寺7+拿竽卜扣(x0)(240)以C口y在指数函数前面的项等于热源(x=0)处的最高温度7啦：k一瓦2忐(工=o)(241)2433高斯函数分布热源焊接时，电弧热源把热能传给焊件是通过一定的作用面积进行的，这个面积成为加热斑点。加热斑点上热量分布是不均匀的，中心多而边缘少。加热斑点上的热流密度分布可以近似地用高斯函数来描述“，如图2-5所示。距斑点中心任一点的热流密度用下式表示：一f里，q(r)=PR2(242)式中，一加热斑点中心最大热流密度；R一电弧有效加热半径；，一离电弧第2章焊接过程的有限元分析理论加热斑点中心的距离。对于移动热源，电弧加热斑点中心的最大热流密度为；=鬲39(243)式中，Q一焊接有效热功率。图25高斯函数分布的热流密度图2434半球状热源分布函数模型和椭球型热源模型在电弧挺度较小、对熔池冲击力较小的情况下，高斯分布的热源应用模式较准确，但对高能束的如激光，电子束焊接，高斯分布函数没有考虑电弧的穿透作用，在这种情况下，半球状热源分布函数的提出是更为实际的一种模式“”。其函数为：帅，z)=i6磊Qe音M扔(2式中，q(x，y，z)功率密度。这种分布函数也有一定的局限性，因为在实践中人们知道，熔池在手工电弧焊、激光焊等情况下不是球对称的，为了改进这种模式，人们又提出了一种椭球形热源模式，其函数为：拈删：哗。叫务多(245)aoc7rq石式中，a、b、c分别为椭球半轴长。一一、；，；t第2章焊接过程的有限元分析理论25焊接残余应力的分析理论从应用角度分析焊接残余应力的主要特征是分别说明焊接的热过程，力学过程及显微组织的变化过程(由图21的箭头线说明)。应力分析的基础是焊接温