（机械设计及理论专业论文）t形接头焊接残余应力与变形的有限元研究.pdf

分类号： u d c ： 工学硕士学位论文 1 l l l l t l l l l l l l l l lil l l l l l l ll l l l l l i i i i i l l l l l l l y 18 0 8 3 8 7 密级： 编号： t 形接头焊接残余应力与变形的 有限元研究 硕士研究生： 指导教师 ： 学位级别 ： 学科、专业 ： 所在单位 ： 论文提交日期： 论文答辩日期： 学位授予单位： o r j im a l a c h yu c h e c h u k w u p r o f y a ns h e n g y u a n 工学硕士 机械设计及理论 机电工程学院 2 0 1 0 年0 6 月 2 0 1 0 年0 6 月 哈尔滨工程大学 一l i ，。一 r e s e a r c ho fw e l d i n gr e s i d u a ls t r e s s e sa n dd i s t o r t i o nf o rt - j o i n tb yu s i n g f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下，由 本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用已在 指出，并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内容外， 文不包含任何其他个人或集体已经公开发表的作品成果。对 的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ：璀壮 日期：2 d o 年醐f 铂 哈尔滨工程大学 学位论文授权使用声明 本人完全了解学校保护知识产权的有关规定，即研究生在校 攻读学位期间论文工作的知识产权属于哈尔滨工程大学。哈尔滨 工程大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件。 本人允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关数据 库进行检索，可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文，可以公布论文的全部内容。同时本人保证毕业后结合 学位论文研究课题再撰写的论文一律注明作者第一署名单位为哈 尔滨工程大学。涉密学位论文待解密后适用本声明。 本论文( 日在授予学位后即可口在授予学位1 2 个月后口 解密后 作 一 t - j o i n tf i l l e tw e l d s 躺e x t e n s i v e l yu s e di ns h i pb u i l d i n ge n g i n e e r i n ga n d b r i d g es t r u c t u r e s i ti sw e l lk n o w nt h a ts t t e s sc o n c e n t r a t i o ni nw e l d e dj o i n t s s h o r t e n st h el i f es p a na n di n t r o d u c e sd i m e n s i o n a li n s t a b i l i t yo fw e l d e ds t r u c t u r e s l o c a l i z e dh e a t i n gf r o mt h ew e l d i n gp r o c e s sa n ds u b s e q u e n tr a p i dc o o l i n gi n d u c e s t e n s i l er e s i d u a ls t r e s sn e a rt h et o eo ft h et - j o i n ti nt h ef i l l e tw e l d s w e l d i n g p r o d u c e s t h e r m a ls t r e s s e st h a tc a u s es t r u c t u r a ld i s t o r t i o n s ，w h i c hi n f l u e n c e b u c k l i n gs t r e n g t ho ft h ew e l d e ds t r u c t u r e s h o w e v e r , n u m e r i c a lf i n i t ee l e m e n t m e t h o d sa r ec a p a b l eo fc o n s i s t e n t l yc a p t u r i n gt h ei n d u c e dr e s i d u a ls t r e s s e sa n d d e f o r m a t i o nc a u s e db yh e a ti n p u tt ot h ew e l d aw o r k i n gw e l d i n gm o d e lw a s c r e a t e du s i n gac o m m e r c i a lf i n i t ee l e m e n ts o r w a r ep a c k a g ew i t ht h ec a p a b i l i t i e s t om o d e lw e l d i n gp r o c e s s at h r e ed i m e n s i o n a lf u l lp h y s i t sp r o c e s sm o d e lw a s s y s t e m a t i c a l l yd e v e l o p e d t h i ss t u d yd e s c r i b e st h et h e r m a le l a s t o p l a s t i ca n a l y s i su s i n gt h ef i n i t ee l e m e n t s i m u l a t i o np e r f o r m e db ym s c m a r cs 0 1 a r et oa n a l y z em et r a n s i e n t + n o n l i n e a r t h e r m a la n dc o u p l e dt h e r m o - m e c h a n i c a lb e h a v i o ra n de v a l u a t et h er e s i d u a l s t r e s s e sa n dd i s t o r t i o n so f t h et - j o i n ti nf i l l e tw e l d s t h eo b j e c t i v ei st oi n v e s t i g a t et h et e m p e r a t u r ef i e l d sd u r i n gt h et r a n s i e n tw e l d i n g s i m u l a t i o np r o c e s s d e v e l o pas i m u l a t i o ns y s t e mf o rt h e r m o - m e c h a n i c a lw e l d i n g p r o c e s s e st a k i n gi n t oa c c o u n tt h et i gw e l d i n gp a r a m e t e r sd u r i n gs i m u l t a n e o u s w e l d i n go fat - j o i n tf i l l e tw e l d i n go f3 m ma i s i31 6s t a i n l e s ss t e e lp l a t e ( as i n g l e - p a s sw e l d i n gp r o c e s sw a sc o n s i d e r e d ) a n di n v e s t i g a t e t h ep o s s i b i l i t yo f m i n i m i z i n gt h ei n d u c e dr e s i d u a ls t r e s s e sb ym e a n so fp r e h e a t i n gt e m p e r a t u r e c o n c a v et _ j o i n tf i l l e tw e l di o i n ts t r u c t u r ew a sa l s om o d e l e da n dt h er e s i d u a ls t r e s s r e s u l t sw e r ec o m p a r e dt ot h a to ft h ef l a tf i l l e tt - j o i n tt od e t e r m i n ew h i c hi s s u i t a b l ef o rf a t i g u ea n a l y s i si nm yf u t u r ew o r k 8 1 f u r t h e r m o r e ，t h i sw o r ke m p l o y st h ee l e m e n td e a c t i v a t i o na n da c t i v a t i o nt e c h n i q u e f o rf i l l e rm e t a la d d i t i o ni nt h et - j o i n tw e l d s e f f e c t so fi n c r e a s i n gt h ew e l d i n g s p e e da n dh o w i ta f f e c t st h ew e l dp o o ls h a p ew e r ed i s c u s s e d k e y w o r d s ：t - j o i n tf i l l e tw e l d , t r a n s i e n tn o n l i n e a rh e a tt r a n s f e ra n a l y s i s ，w e l d p o o ls h a p ea n a l y s i s ，i n d u c e dr e s i d u a ls t r e s s e sa n dd i s t o r t i o n sd u r i n gw e l d i n g p r o c e s s 一 一 一 =三 i一渊 h a r b i ne n g i n e e r i n gu n i v e r s i t y i i i i i i l l 一i i i 宣i i i ；i ；i i ；宣i ；暑 摘要 t 型焊接接头在船舶及桥梁工业中广泛应用。然而，众所周知焊接接头 中的应力集中将会缩短工件的使用寿命，并造成焊接结构的尺寸不稳定性。 焊接过程的局部加热以及其后的快速冷却会在t 型接头的焊趾处产生拉伸残 余应力。另外，焊接过程的热应力所引起的结构变形也会影响焊接结构的抗 弯强度。有限元方法提供了一种获得焊接过程中由于热输入所造成的残余应 力及变形的途径。本文利用商业有限元软件对焊接过程进行建模，并建立了 一个三维物理模型。 本文利用m s c m a r c 软件进行热弹塑性有限元模拟，对t 型接头焊接过 程开展瞬态非线性热分析及热力耦合分析，评价了其残余应力及变形情况。 本文建立了焊接模拟体系研究瞬态焊接过程的温度场分布。该体系中考 虑了3 m ma i s i 不锈钢板t i g 焊的焊接工艺( 单道焊) ，并研究了通过预热的 方式来减小残余应力的可能性。 本文还对凹形t 型接头进行了建模，并将其模拟结果与平形的t 型接 头进行了对比，从而判断哪种接头形式更适用于下一步进行的疲劳分析工 作。 此外，本文使用了单元生死技术实现t 型接头焊接过程的焊缝金属填 充。焊接速度对熔池形状的影响也在本文中进行了讨论。 关键词：t 型接头，瞬态非线性热分析，焊接熔池分析，焊接残余应力 及变形 l o 刊一v c h a p t e rli n t r o d u c t i o n t a b l eo fc o m e n t s 1 1b a c k g r o u n d 1 1 2t u n g s t e ni n e r tg a sw e l d i n g 3 1 3m o t i v a t i o n 6 c h a f r e r2r e v i e wo fm e t a l l u r g i c a le f f e c t so fw e l d i n g 9 2 1w e l d i n gm e t a l l u r g y 9 2 1 1t h ew e l d i n gt h e r m a ic y c l e 1 ( ) 2 1 2t h ew e l dp o o l l1 2 1 3m i c r o s t m c t u r ea n dp r o p e r t i e so f w e l dm e t a l s 1 3 2 1 4h e a t - a f f e c t e dz o n e si nw e l d 1 3 2 2 o r i g i no ft h e r m a ls t r e s s e s 1 5 2 2 1r e s i d u a ls t r e s s e si nw e l d m e n t s 1 6 2 2 2e f l e e t so f r e s i d u a ls t r e s s e s 2 1 2 3 r e s i d u a ls t r e s sc o n t r o i 。m e t h o d s ：! z i 2 41 i 7 i ! l d i n gd e f o r m a t l o n s ：1 6 2 4 1t r a n s v e r s es h r i n k a g e 3 0 2 4 2a n g u l a rd i s t o r t i o na n dl o n g i t u d i n a lb o w i n g ： ( ) 2 5c o n t r o lo fd i s t o r t i o n s 3l c h a p t e r3h e a tf l o wi nw e l d i n g 3 7 3 1a n a l y t i c a l a n d m a t h e m a t i c a l a n a l y s i s o f w e l d i n g h e a t i n p u t 3 8 3 2t h eg e n e r a l i z e de q u a t i o no fh e a tf l o w 4 0 3 3r o s e n t h a l ss i m p l i f i e da p p r o a c h 4 4 3 4p e a kt e m p e r a t u r e s 4 8 3 5c o o l i n gr a t e s 5 0 3 6m o d e l sf o rw e l d i n g e a ts o u r c e s 5 2 3 6 1g a u s s i a ns u r f a c ef l u xd i s t r i b u t i o n 5 2 3 6 2h e m i s p h e r i c a lp o w e rd e n s i t yd i s t r i b u t i o n 5 3 3 6 3e l l i p s o i da n dd o u b l ee l l i p s o i dh e a ts o u r c em o d e l s 5 4 c h a p t e r4n u m e r i c a ls i m u l a t i o no ft e m p e r a t u r ef i e l do ft - j o i n t 5 7 4 1i n t r o d u c t i o n 5 7 4 2t h e r m a lp r o c e s sd u r i n g w e l d i n g ：6 1 4 3f l u t ee l e m e n ta n a l y s i so fw e l d i n gr e s i d u a ls t r f 燃e s 6 2 4 4m e s hs e n s i t i v i t ys t u d y 6 6 4 5m a t e r i a lp r o p e r t ym o d e l 7 0 4 7t h e r m a la n a l y s i s 7 7 4 8r e s u l t sa n dd i s c u s s i o n s 8 3 4 9w e l dp o o ls h a p ea n a l y s l s 9 2 c h a p t e r5n u m e r j c a ls l m i j l a t i o no f r e s i d u a ls t r e s sf i e l da n d d e f o r m 【a t i o n 5 1s i m u l a t i o no fw e l d i n g 9 4 七 ； 目 _ ifn 1 一一 5 2t h e p d v l o = m e c h a n i c a l a n a l y s i s 。9 5 5 3m e c h a n i c a lb o u n d a r y c o n d i t i o n 9 6 5 4a n a l y s i so fr e s i d u a ls t r e s s e s d i s t r i b u t i o na n d d i s t o r t i o nr e s u l t s 9 9 5 5d e f o r m a t i o n a n a l y s i s 1 0 7 c o n c l u s i o na n df u t u r ew o r k 。二。1 0 9 。1 0 9 r e f e r e n c e s 。1 1 2 a c k n o w l e d g e m e n t 。1 1 9 f h c h a p t e r1i n t r o d u c t i o n c h a p t e r1i n t r o d u c t i o n 1 1b a e k g r o u n d w e l d i n gi s o n eo ft h em o s ts i g n i f i c a n tc a u s e so fr e s i d u a ls t r e s s e sa n d t y p i c a l l yp r o d u c e sl a r g et e n s i l es t r e s s e sw h o s em a x i m u mv a l u ei sa p p r o x i m a t e l y e q u a lt ot h ey i e l ds t r e n g t h o ft h em a t e r i a l sb e i n gj o i n e d ，b a l a n c e db yl o w e r c o m p r e s s i v er e s i d u a l s t r e s s e se l s e w h e r ei nt h ec o m p o n e n t w e l d sa r eo f t e n r e g i o n so f w e a k n e s sa n dt h e i rq u a l i t yd i r e c t l ya f f e c t st h es t r u c t u r a li n t e g r i t y t h e y a r ei n t r i n s i c a l l yw e a k , d u et ot h ep r e s e n c eo fc r a c k l i k ed e f e c t sa l o n gw i t hh i g h s t r e s sc o n c e n t r a t i o ne f f e c t sa n dt e n s i l er e s i d u a ls t r e s s e sc a u s e db yt h et h e r m a l w e l d i n gp r o c e s si t s e l f 【l 】i t i so fi m p o r t a n ti n t e r e s t t os i m u l a t et h ep r o c e s so f w e l d i n gt od e l i n e a t et h ee n s u i n gr e s i d u a ls t r e s s e sa n dd e f o r m a t i o n sa n dp r e d i c tt h e b e h a v i o ro f w e l d e ds t r u c t u r e s 2 1 d u r i n gt h eh e a t i n ga n dc o o l i n gc y c l ei nt h ew e l d i n gp r o c e s s ，t h e r m a ls t r a i no c c u r s i nt h ef i l l e rm a t e r i a la n di nt h eb a s em e t a lr e g i o n sc l o s et ot l l ew e l d t h es t r a i n s p r o d u c e dd u r i n gh e a t i n ga r ea c c o m p a n i e db yp l a s t i cu p s e t t i n g t h en o n 。u n i f o r m p l a s t i cs t r a i nt h a to c c u r si nt h ew e l ds t r u c t u r ei sw h a tl e a d st o r e s i d u a ls t r e s s e s t h e s er e s i d u a ls t r e s s e sr e a c tt op r o d u c ei n t e r n a lf o r c e sw h i c hm u s tb ee q u i l i b r a t e d a n dc a u s ed i s t o r t i o n t h er e s i d u a ls t r e s sa n dd i s t o r t i o ni nw e l d m e n t sd e p e n do n s e v e r a li n t e r r e l a t e df a c m r ss u c ha st h e r m a lc y c l e ，m a t e r i a lp r o p e r t i e s ，s t r u c t u r a l r e s t r a i n t s ，w e l d i n gc o n d i t i o n sa n dg e o m e t r y o ft h e s ep a r a m e t e r s ，t h et h e r m a l c y c l ei st h eo n ew i t ht h eg r e a t e ri n f l u e n c eo nt h et h e r m a ll o a d si n t h ew e l d e d s t r u c t u r e s a tt h es a m et i m e ，t h et e m p e r a t u r ec o n t o u ri saf u n c t i o no fp a r a m e t e r s s u c ha s w e l d i n gs e q u e n c e ，w e l d i n gs p e e d ，e n e r g y o ft h es o u r c e ，a n d e n v i r o n m e n t a lc o n d i t i o n s a h i g hl e v e lo ft e n s i l er e s i d u a ls t r e s s e sn e a rt h es e a mc a ni n d u c eb r i t t l ef r a c t u r e ， c r a c k i n gd u et oc o r r o s i o ns t r e s s ，o rc a u s eo t h e rf o r m so fd a m a g es u c ha ss h a p e c h a n g eo rc r a z i n ga n dr e d u c e df a t i g u es t r e n g t ha sw e l la si n d u c ew e l dd e f o r m a t i o n 【3 】，w h i l ei nt h eb a s em e t a l ，c o m p r e s s i v er e s i d u a ls t r e s s e s ，l o c a t e di nt h er e g i o n s l h a r b l n 匕n g l n e e n n gu m v e r s i t y - s o m ed i s t a n c ea w a yf r o mt h ew e l dl i n e ，c a ns u b s t a n t i a l l yd e c r e a s et h ec r i t i c a l b u c k l i n gs t r e s s ，n l em a i ne f f e c t so fd i s t o r t i o na r et h el o s so ft o l e r a n c ei nt h e w e l d e dc o m p o n e n t sa n dd e f o r m a t i o n o fs t r u c t u r a le l e m e n t st h a tr e s u l t si n i n a d e q u a t es u p p o r tt ot r a n s f e ra p p l i e dl o a d s t h e s ea d v e r s e l ya f f e c tt h ef a b r i c a t i o n ， a s s e m b l y ，a n ds e r v i c e l i f eo ft h es t r u c t u r e s t h e r e f o r e ，r e s i d u a ls t r e s s e sa n d d i s t o r t i o ns h o u l db er e d u c e db yac o n t r o lm e t h o dt om e e ta l l g e o m e t r ya n d s t r e n g t hr e q u i r e m e n t s i nt h ep r e s e n td a y ，s o m eo ft h em o s tp o p u l a rm e t h o d si nw e l df a b r i c a t i o nt o r e d u c er e s i d u a ls t r e s s e sa n dd i s t o r t i o na r e ：w e l d i n gs e q u e n c e ，d e f i n i t i o no fw e l d p a r a m e t e r s ，d e f i n i t i o no fw e l dp r o c e d u r e ，a n du s eo fp r e c a m b e r i n gf i x t u r e s ， p r e b e n d i n g ，t h e r m a lt e n s i o n i n g , h e a ts i n kw e l d i n g ，a n dc o n t r o lo fw e l d c o n s u m a b l e s p r e h e a t i n go f j o i n t si sa ne f f e c t i v em e t h o do fr e d u c i n gt h ec o o l i n g r a t eo ft h ew e l dw h i c hr e d u c e st h e s ed i s t o r t i o n sa n dr e s i d u a ls t r e s s e s p o s t w e l d i n gh e a tt r e a t m e n tc a na l s ob eu s e d i tr e l i e v e si n t e r n a ls t r e s s e sa n dc o n t r o l s t h em i c r o s t r u c t u r eo ft h ew e l d o v e rt h ep a s t2 0y e a r s ，r e s e a r c hh a sb e e nc o n d u c t e de n a b l i n gt h eu s eo fa d v a n c e d a n a l y t i c a lp r o c e d u r e st om o r ea c c u r a t e l ys i m u l a t et h ew e l d i n gp r o c e s s d u et ot h e c o m p l e x i t yo ft h ep h y s i c a lp r o c e s s e si n v o l v e di nw e l d i n g ，h o w e v e r s i m p l e m a t h e m a t i c a ls o l u t i o n sc a n n o ta d d r e s st h ep r a c t i c a lm a n u f a c t u r i n gp r o c e s s e s f o r t h ep r e d i c t i o no ft h er e s i d u a ls t r e s s e sa n dd i s t o r t i o n sa t t r i b u t e dt o w e l d i n g ， p r e v i o u si n v e s t i g a t i o n sh a v ed e v e l o p e ds e v e r a le x p e r i m e n t a lm e t h o d s ，i n c l u d i n g s t r e s s r e l a x a t i o n 4 ，x r a yd i f f r a c t i o n 5 ，6 】，u l t r a s o n i c 7 a n dc r a c k i n g 8 i nt h e s e m e t h o d st h es t r e s s e sa r ed e t e r m i n e db ye x p e r i m e n t a lm e t h o d s w i t ht h e d e v e l o p m e n to fc o m p u t e rt e c h n i q u e s ，t h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o df o ra n a l y z i n g t h e r m o m e c h a n i c a lb e h a v i o ri nw e l d e ds t r u c t u r e sh a sb e e nf u r t h e re n h a n c e d f o r a na n a l y s i so ft - j o i n tf i l l e tw e l d s ，s a s a y a m ae ta 1 【9 】u s e dt h ee x p e r i m e n t a l m e t h o dt od e t e r m i n et h er e l a t i o nb e t w e e nl o n g i t u d i n a ls h r i n k a g ed e f o r m a t i o na n d w e l d i n gp a r a m e t e r so nl o n gt - j o i n tf i l l e tw e l d s h o w e v e r , t h ea p p l i c a t i o no f t h e s e m e t h o d si np r a c t i c ei su s u a l l yl i m i t e db ye i t h e rc o s to ra c c u r a c y c o m p u t a t i o n a l 2 c h a p t e rli n t r o d u c t i o n s i m u l a t i o nt h u sp l a y sa ni n d i s p e n s a b l er o l ei nt h ei n t e g r i t ya n a l y s i so fs u c hw e l d e d s t r u c t u r e s h i b b i t ta n dm a r e a l 10 】m a r k e dt h ef i r s ts t e pi na p p l y i n gat w o d i m e n s i o n a l ( 2 d ) f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sf l e a ) t op r e d i c tr e s i d u a ls t r e s s e si na w e l d m e n t d u et oc o m p u t a t i o n a la n dc o s tl i m i t a t i o n s ，f e as i m u l a t i o ne f f o r t s d u r i n gt h e7 0 sa n d8 0 sw e r ef o c u s e do ns i m p l i f i e d2 dg e o m e t r i e s 【l l ，1 2 i n r e a l i t y ，t h et h e r m a l a n ds t r e s s - s t r a i n r e s p o n s e so fa l l w e l d m e n t sa r et h r e e d i m e n s i o n a l ( 3 d ) w i t hr e c e n ta d v a n c e m e n t si nc o m p u t a t i o n a lp o w e r , f e a s i m u l a t i o no ft r a n s i e n tt e m p e r a t u r ea n dr e s i d u a ls t r e s s e si nw e l d i n gh a sg r a d u a l l y b e c o m ef e a s i b l e r e c e n t l y ，3 dw e l d i n gs i m u l a t i o nw a sc o n d u c t e du s i n gc o m m e r c i a lf e as o f t w a r e ， a sr e p o r t e db yt e k r i w a la n d 【1 3 ，1 4 ，d o n ge ta 1 【1 5 ，b r o w na n ds o n g 【1 6 ， c h a oe ta 1 【1 7 】a n dm i c h a l e r i sa n dd e b i c c a r i 【1 8 p r e d i c t i o no f r e s i d u a ls t r e s s e s b y n u m e r i c a lm o d e l i n go fw e l d i n ga n do t h e rm a n u f a c t u r i n gp r o c e s s e sh a s i n c r e a s e dr a p i d l yi nr e c e n ty e a r s m o d e l i n go fw e l d i n gi st e c h n i c a l l y a n d c o m p u t a t i o n a l l yd e m a n d i n g ，a n ds i m p l i f i c a t i o na n di d e a l i z a t i o no ft h em a t e r i a l b e h a v i o r , p r o c e s sp a r a m e t e r sa n dg e o m e t r yi si n e v i t a b l e n u m e r i c a lm o d e l i n gi s a p o w e r f u lt o o l f o rr e s i d u a ls t r e s sp r e d i c t i o n ，b u tv a l i d a t i o nw i t hr e f e r e n c et o e x p e r i m e n t a lr e