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文档简介

多 p 0 卜 j n , - j ,、 一 s a 5 0 8 i i i 钢厚壁圆筒纵焊温度场及应力场有限元分析 f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i so fl o n g i t u d i n a lw e l d i n g t e m p e r a t u r ea n d s t r e s sf i e l d sf o rs a 58 0 i i is t e e lt h i c k - w a l lc y l i n d e r 研究生姓名:陈重毅 指导教师姓名:麻永林 内蒙古科技大学材料与冶金学院 包头0 1 4 0 1 0 ,中国 c a n d i d a t e :c h e nz h o n g y i s u p e r v i s o r : m a y o n g l i n s c h o o lo fm a t e r i a la n dm e t a l l u r g i c a l i n n e rm o n g o l i au n i v e r s i t yo fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y b a o t o u0 1 4 0 1 0 ,p r c h i n a 独创性说明 本人郑重声明:所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知,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的研究成果,也不包含为获得 内蒙古科技大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。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做了明确的说明并 表示了谢意。 签名:辙嗍摊b l 关于论文使用授权的说明 本人完全了解内蒙古科技大学有关保留、使用学位论文的规定, 即:学校有权保留送交论文的复印件,允许论文被查阅和借阅;学校可 以公布论文的全部或部分内容,可以采用影印、缩印或其他复制手段保 存论文。 签名: ( 保密的论文在解密后应遵循此规定) 导师签名: i 碜 j 张撕 一- f 日期: 内蒙古科技人学硕十学位论文 摘要 焊接是制造核压力容器不可缺少的工序之一,焊接质量直接关系到设备的使用寿命 和安全,而焊接厚度较大、焊接道次较多的构件过程中,焊接温度场、应力场及焊后变 形对焊接质量的影响就显得非常重要。 为了更好的研究s a 5 0 8 i i i 钢厚壁圆筒多层多道纵焊,为实际焊接提供有效的焊接 温度场、应力场及焊后变形数据,本文通过a n s y s 有限元分析软件建立了s a 5 0 8 i i i n 厚壁圆筒多层多道纵焊有限元模型;利用g l e e b l e 1 5 0 0 d 热模拟机,分别对s a 5 0 8 i i i 钢 焊接c c t 和高温力学性能进行了测定和研究。在此基础之上,以体生热率热源模型作 为焊接热源模型,通过生死单元法和分布式算法,得到了多层多道焊接温度场结果;之 后,在温度场的基础上,通过热一结构间接耦合法,得到了焊接应力场结果。 通过对s a 5 0 8 i i i 钢焊接c c t 曲线分析可得,冷速在0 0 1 5 s o 0 5 s 的范围内 时,相变产物为铁素体和珠光体,冷速在0 1 s 7 s 的范围内时,相变产物为贝氏 体,冷速在2 0 s - 8 0 s 的范围内时,相变产物为马氏体;通过对s a 5 0 8 i i i 钥 的高温 拉伸试验结果分析可得,在9 5 0 1 3 0 0 温度范围内,s a 5 0 8 i i i 镅 的断面收缩率均大 于6 0 ,表明其具有良好的高温力学性能。 通过对焊接温度场计算结果分析得到了厚壁圆筒多层多道焊接温度场分布规律:其 中,位于第二焊道的a 节点在4 3 0 s 5 5 0 s 内的升温速率为3 5 3 s ,冷速为6 8 s ;在 相变点( 7 5 0 ) 以上停留的时间为4 s ;最高温度为1 2 1 0 。 通过对焊接应力场结果分析得到了厚壁圆筒多层多道焊接应力场分布规律;其中, 多层多道焊接对焊接构件y 方向( 厚度方向) 上的残余应力影响较大,该方向在焊缝稳 定区产生的最大残余应力为1 0 0 m p a ;焊缝稳定区残余应力分布有规律,从焊缝到母 材,残余应力不断减小;焊缝两端过渡区的残余应力分布较为复杂:焊接构件的焊缝和 熔合区的等效应力最大,等效应力为4 9 0 m p a ,达到了材料的屈服极限;焊接构件中焊 缝处的总位移量最大,位移量为o 0 0 2 5 m ;远离焊缝的母材区的位移量最小,位移量为 0 0 0 0 3 6 m 。 关键词:s a 5 0 8 一n i 钢;多层多道焊;单元生死技术;温度场;应力场 内蒙古科技人学硕十学位论文 a b s t r a c t g e n e r a l l y ,w e l d i n gi sv e r yi m p o r t a n ti nm a k i n gt h ek e r n e lp r e s s u r ev e s s e l a n dw e l d i n g q u a l i t yd i r e c t l yd e t e r m i n e st h el i f eo ft h ee q u i p m e n ta n ds e c u r i t y e s p e c i a l l yi nm u l t i 。p a s s w e l d i n g ,t h e r m a le f f e c t sw i l lr e s u l ti nt e m p e r a t u r ea n ds t r e s s a n dd e f o r m a t i o n ,t h u sl a r g e l y a f f e c t i n gt h eq u a l i t yo fw e l d i n g i no r d e rt ob e t t e rs t u d yo nm u l t i p a s sw e l d i n ga n de f f e c t i v e l yp r o v i d et h ed a t eo ft h e w e l d i n gf o rt h ea c t u a lp r o j e c t ,t h es a 5 0 8 一i i is t e e lc y l i n d e rm u l t i - p a s sl o n g i t u d i n a lw e l d i n g f i n i t ee l e m e n tm o d e lh a sb e e ne s t a b l i s h e db ya n s y sf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i ss o f t w a r ei nt h i s a r t i c l e u s i n gg l e e b l e 15 0 0 ds i m u l a t o r ,s h c c to fs a 5 0 8 i i is t e e li s d e t e r m i n e d a tt h e s a m et i m e ,t h es a 5 0 8 - i i is t e e lo fh i g ht e m p e r a t u r em e c h a n i c a lp e r f o r m a n c ei sm e a s u r e d o n t h i sb a s i s ,h e a tg e n e r a t i o nr a t ea saw e l d i n gh e a ts 0 1 w e em o d e l ,b yd i s t r i b u t e dc o m p u t i n ga n d e l e m e n tb i r t ha n dd e a t ht e c h n o l o g y ,t h er e s u l t so fm u l t i p a s sw e l d i n gt e m p e r a t u r ef i e l d sa l e c a l c u l a t e do u t a f t e rt h a t ,t h er e s u l t so fw e l d i n gs t r e s sf i e l d sa l eg o tb yh e a t s t r u c t u r ec o u p l i n g m e t h o do nt h eb a s i so f t h et e m p e r a t u r ef i e l d s w ec a ng e tt h ef o l l o w i n gc o n c l u s i o n sf o r mt h es a 5 0 8 i i is t e e ls h c c tc u r v e :w h e nt h e c o o l i n gr a t ei sa to 015 。c s - 0 0 5 sr a n g e t h ep h a s e c h a n g e dp r o d u c t si sf e r r i t ea n dp e a r l i t e ; w h e nt h ec o o l i n gr a t ei sa t0 1 s - 7 sr a n g e t h ep h a s e - c h a n g e dp r o d u c t si sb a i n i t e ;w h e n t h ec o o l i n gr a t ei sa t2 0 s - 8 0 。c sr a n g e t h ep h a s e c h a n g e dp r o d u c t si sm a r t e n s i t i c ;s a 5 0 8 i i is t e e lc r o s sr a t ei s g r e a t e rt h a n 6 0 a t9 5 0 13 0 0 t e m p e r a t u r er a n g ef o r mh i g h t e m p e r a t u r et e n s i l et e s t ,i n d i c a t i n gt h a ti th a sg o o dh i g ht e m p e r a t u r em e c h a n i c a lp e r f o r m a n c e t h r o u g ht e m p e r a t u r ea n ds t r e s sr e s u l t sa n a l y s i s ,w e l d i n gt e m p e r a t u r ef i e l d s i so b t a i n e d ; t h eh e a t i n gr a t eo fn o d e ai s3 5 3 。c s ;t h ec o o l i n gr a t ei s6 8 。c s ;t h i sn o d es t a y sf o r4 sa b o v e p h a s et r a n s i t i o np o i n t ( 7 5 0 ) ;t h em a x i m u mt e m p e r a t u r ei s 1210 。c ;w e l d i n gs t r e s sf i e l d si s o b t a i n e d ;w e l d i n gh a d ag r e a ti n f l u e n c eo nw e l d i n gj o i n ti nt h i c k n e s sd i r e c t i o n ;a n d a p p r o x i m a t e l yio o m p a o fr e s i d u a ls t r e s si sp r o d u c e di nt h i c k n e s sd i r e c t i o n ;r e s i d u a ls t r e s ss t a y ac e r t a i no fr e g u l a r i t yi nz o n eo fs t a b i l i t y ,a n dt h es t r e s sr e d u c ec o n s t a n t l yf r o mt h ew e l dt ot h e b a s em e t a l ;r e s i d u a ls t r e s sd i s t r i b u t i o ni sm o r ec o m p l i c a t e di nt h ee n d so ft h ew e l d ;e q u i v a l e n t s t r e s si st h eb i g g e s ti nt h ew e l ds e a ma n df u s i o nz o n e ,a n da c h i e v et h em a t e r i a ly i e l dl i m i t ;t o t a l d e f o r m a t i o ni st h el a r g e s ti nt h ew e l ds e a m ,a n dt o t a ld e f o r m a t i o ni st h es m a l l e s ti nt h eb a s e m e t a l ;t o t a ld e f o r m a t i o ni so 0 0 2 5 ma n d0 0 0 0 3 6 mr e s p e c t i v e l y k e yw o r d s :s a 5 0 8 - h is t e e l ;m u l t i p a s sw e l d i n g ;e l e m e n tb i r t ha n dd e a t ht e c h n o l o g y ; t e m p e r a t u r ef i e l d ;s t r e s sf i e l d n 内蒙占科技大学硕十学何论文 目录 摘要i a b s t r a c t i i 弓l占l l 绪 仑2 1 1 s a 5 0 8 i i i 钢简介及其焊接性2 1 1 1 s a 5 0 8 i i l $ 冈简介2 1 1 2 国产s a 5 0 8 一i i i $ 冈的焊接性能4 1 2 焊接温度场有限元发展概况5 1 2 1 国外焊接温度场有限元分析发展概况5 1 2 2 国内焊接温度场有限元分析发展概况。6 1 3 焊接应力场有限元分析的发展概况一7 1 3 1 国外焊接应力场有限元分析的发展概况一7 1 3 2 国内焊接应力场有限元分析的发展概况8 1 4课题研究的意义及主要内容9 2s a 5 0 8 i i i 钢热物理参数测定及组织性能观测1 0 2 1 s a 5 0 8 i i i 钢热物理参数测定1 0 2 2s a 5 0 8 i i i 钢焊接c c t 曲线的制定及组织性能观测。l o 2 2 1 试验材料与方法1 0 2 2 2 焊接c c t 曲线的绘制与试验结果分析1l 2 3s a 5 0 8 i i i 钢高温力学性能测定1 5 2 3 1 试验方法1 5 2 3 2 高温力学性能测定及分析15 3 焊接模拟理论及模型的建立1 9 3 1 焊接温度场模拟理论l9 3 1 1 确定焊接传热的基本形式1 9 3 1 2 焊接传热有限元基本方程1 9 3 1 3 焊接热传导有限元计算2 0 3 2 焊接结构场模拟理论2 1 3 2 1 焊接结构场塑性准则2 1 3 2 2 焊接热弹塑性有限元法2 2 3 3 模型的建立2 4 3 3 1 单元的确定2 4 3 3 2 几何模型的确定2 5 3 3 3 计算体的离散2 5 3 3 4 单元生死技术2 6 内蒙古科技大学硕士学位论文 3 3 5 确定焊接热源模型2 7 4 厚壁圆筒多道焊接三维温度场计算及结果分析2 8 4 1 厚壁圆筒多道焊接边界条件的确定2 8 4 2 移动热源的处理和焊接参数2 8 4 3 厚壁圆筒多道焊接三维温度场的后处理及结果分析2 9 4 3 1 焊接过程温度场分析2 9 4 3 2 焊接热循环曲线分析3 2 5 厚壁圆筒多道焊接三维应力场计算及结果分析3 8 5 1 热一结构耦合分析和边界条件3 8 5 2 厚壁圆筒多道焊接三维应力场结果及分析3 9 5 2 1 焊接过程等效应力场分析4 0 5 2 2 焊接每道次之间应力场变化分析4 3 5 2 3 焊接完毕后残余应力场分析4 4 5 2 4 瞬时等效应力变化分析一4 6 5 2 5 应力一路径分析4 9 5 2 6 焊后变形分析一5 6 结 论6 0 参考文献一61 在学研究成果6 5 致 谢6 6 内蒙古科技人学硕十学位论文 引言 本文研究的主要目的是为实际s a 5 0 8 i i i 钢厚壁圆筒多层多道焊接提供一定的参 考数据,为制定合理的焊接工艺,准确的预测焊接温度场、应力场的分布和焊后变 形规律奠定基础,提供计算数据。在国内,关于s a 5 0 8 i i i 钢的焊接模拟是仍是空 白。同时,以体生热率热源为焊接热源模型的文章也相对较少,基于此,作者通过 g l e e b l e 15 0 0 d 热模拟机对焊接c c t 和高温力学性能进行了测定和分析,以热传导 控制方程和热弹塑性理论对焊接温度场和应力场进行了模拟计算。得到了多层多道 焊接温度场和应力场分布情况,模拟结果与实际情况相吻合。为s a 5 0 8 i i i c n 的实际 焊接提供了一定的参考数据。 内蒙古科技人学硕十学位论文 1 绪论 s a 5 0 8 - 钢简介及其焊接性 1 1 1 s a 5 0 8 i i i 钢简介 随着国家经济及社会发展,核压力容器材料越来越被众多的企业和科研单位所 重视。核压力容器通常是在高温、高压流体冲刷和腐蚀,以及强烈的中子辐照等恶 劣条件下运行的。由于其特殊的用途及恶劣的工作条件,生产和制造核压力容器的 要求比较苛刻,通常要求采用优质的核压力容器材料、经过严格制造、制定完善的 试验方案,在服役期间要定期进行检查等。为了保证安全及设备的j 下常工作,核压 力容器材料必须具备良好的纯净度、致密度、成分和性能均匀性,在中高温度下具 有优良的力学性能( 强度、塑性、冲击韧性、断裂韧性等) 、冶金质量及良好的耐 腐蚀性、焊接性和抗中子辐照脆化敏感性、热稳定性、加工性等。 s a 5 0 8 系列钢是美国a s m ec o d e 钢铁标准制定的标号,属于低碳、低合会 钢。该系列钢是随着核压力容器的大型化和整体化发展起来的,到目前为止已发展 到了第三代。核压力容器材料s a 5 0 8 i i i 钢广泛的用于核反应堆压力容器的制造,适 用于制造压力容器简体、顶盖、法兰、封头等,在核电站中还应用于蒸汽发生器压 力壳、稳压器压力壳和主泵压力壳等部件。 核压力容器材料到现在已经经过了很长时间的发展。核压力容器材料都是在工 程上成熟材料的基础上改进而成的。早期以美国为代表的欧美国家第一代核压力容 器材料选用焊接性能和加工性能较好的锅炉钢a 2 1 2 b ,但是此钢种中的合余元素较 少,钢板淬透性和高温性能较差。为了提高钢板的淬透性,美国的第二代核压力容 器材料加入了合金元素锰和钼,发展了m n m o 钢a 3 0 2 b ,该钢种中的锰是强化基 体和提高淬透性的元素,它能提高钢的高温性能及降低回火脆性。随着核压力容器 向大型化发展,核压力容器原材料也不断增大和增厚,a 3 0 2 b 钢缺口韧性差的缺点 就慢慢显现出,为保证厚截面钢的淬透性,使强度与韧性有良好的配合,2 0 世纪中 期又对a 3 0 2 b 钢添加了镍,改用淬透性和韧性比较好的m n m o n i 钢a 5 3 3 b ,其锻 材为a 5 0 8 i i 钢| 2 1 ,并通过钢包精炼、真空浇铸等先进炼钢技术提高钢的纯净度、减 少偏析,同时将热处理工艺由f 火+ 回火处理改为淬火+ 回火的调质处理,使组织细 化,以获得强度、塑性和韧性配合良好的综合性能。为了减小由于壁厚增加和面对 内蒙古科技人学硕十学位论文 活性区的纵向焊缝辐照性能差的缺点,减少焊接次数和焊缝的长度,于是将焊接容 器改为坏锻容器,材料采用a 5 0 8 i i 钢。 经过一段时间的使用,上个世纪7 0 年代,西欧一些国家发现a 5 0 8 i i 钢不锈钢 堆焊层下有热裂纹。此后,在a 5 0 8 i i 钢此基础上又发展了a 5 0 8 i i i 宅8 。 s a 5 0 8 i i i 钢是在a 5 0 8 i i 钢基础上,通过减少碳化物元素c 、c r 、m o 、v 的含 量,从而减少热裂纹敏感性,使母材堆焊不锈钢后,降低产生热裂纹的倾向。为弥 补因减少淬透性元素而降低的强度和淬透性,于是增加了a 5 0 8 i i i 钢中的锰含量| j l 。 由于锰元素易增大钢中偏析,必须降低磷、硫含量,减小偏析。硅元素在s a 5 0 8 1 i i 钢中是非合会化元素,有增加偏析、降低钢的塑、韧性的倾向,必须降低硅的含 量。大厚断面的a 5 0 8 一i i i 韦8 淬火后,基体组织是贝氏体,当冷却速度不足时,将出 现铁素体和珠光体,这种组织较贝氏体粗大,对提高强度和韧性不利,所以反应堆 压力容器用钢要求采用优化的调制热处理工艺。 从以上可以看出,以美国为代表的欧美国家的核压力容器材料改进的目的主要 有两个:一、保证基体材料的综合性能,提高焊接性能,保证焊接接头满足核压力 容器材料要求;二、减少焊缝长度,提高整体核压力容器的安全能力。 与欧美国家有很大不同的另一个核压力容器大国俄罗斯使用的材料是c r - m o v 系钢及c r - n i m o v 系钢。该系列钢种的优点是高温性能和耐蚀性好,辐照效应小, 缺点是回火脆性倾向大,焊接性能差1 4 1 。俄罗斯经过降低磷、硫含量和改进热处理 工艺等方法对相应的缺点进行了改进,他们仍用该系列钢。 我国丌展核压力容器材料的研究和生产相对于外国较晚。关于s a 5 0 8 钢相关研 究工作开展于上个世纪八十年代初期,由西南反应堆工程研究设计院组建工作研究 组,通过研制大纲并于1 9 8 2 年初研制出我国首炉s a 5 0 8 i i i 钢,并对模锻产品进行 组织及性能分析评估,得出了较为理想的结论1 5 i 。真正实现了核压力容器材料的国 产化,为以后的核能的丌发及利用奠定了孥实的基础。 9 0 年代术期,一重公司真f 把s a 5 0 8 i i l 钢由实验室研制变为了实际生产,并在 此基础上,承担并制造了3 0 0 m w 核反应堆压力容器,这是我国首台自行制造的大 型核电主设备,也是我国第一次出口的核电产品l 。从材料的生产到各零部件的焊 接装配,都是一重公司自行研制,并取得了重大成功。 本世纪初,国内一些科研单位相继对国产s a 5 0 8 i i i 镅1 及焊接接头的性能进行了 进一步的研究和分析,为进一步普及国产s a 5 0 8 i i i n 提供了一系列的证据。郑隆滨 等绘制了国产s a 5 0 8 一i i i 钢的断裂韧性和疲劳特性曲线,得出国产s a 5 0 8 i i i 钢的安 全裕度较大的结论i l 。 内蒙古科技大学硕十学位论文 到目前为止,关于国产s a 5 0 8 一i i i 车n 各个方面的研究已经取得了较为系统的结 论,核压力容器材料已经实现了自给,并具备了自主设计核压力容器的能力。 1 1 2 国产s a 5 0 8 i i i 钢的焊接性能 s a 5 0 8 i i i 钢众多优良性能中,材料的优良的焊接性能是必不可少的。虽然核反 应堆压力容器向着一体化方向发展博j ( 上封头与上法兰联体铸造技术) ,以减少焊 接次数和焊缝的长度,从而减小焊接对整体压力容器的影响,但是核反应堆压力容 器一体化进程还需要的很长的时间。所以,核压力容器的生产仍是离不丌焊接这道 工序,s a 5 0 8 i i i 钢的焊接在今后的很长时问内是不可避免的。 由于核设备使用的特殊性,不但要求其焊缝余属的常规性能达到产品的技术要 求,而且更要求其焊缝会属的特殊性能亦能满足设计所规定的要求。这些特殊性能 包括主焊缝金属的辐照敏感性、低周疲劳性能和断裂韧性,以及不锈钢堆焊层的抗 静水腐蚀和应力腐蚀性能。 以上要求决定了s a 5 0 8 i i i n 焊接性能不但要好,而且其焊缝及热影响区性能也 必须满足核材料用钢的国际标准。为此,不仅要对s a 5 0 8 i i i 钢母材的各项性能进行 检测,还要对焊接后的性能进行检测。所以,对s a 5 0 8 i i i n 的焊接试验是必要的, 也是不可避免的。 欧美国家和俄罗斯的核压力容器材料由第一代发展到第三代,在改进综合性能 的前提下,必须要保证该材料的焊接性能。 国产s a 5 0 8 i i i 钢生产技术成熟后,相关s a 5 0 8 i i i 钢焊接试验已经进行了很 多。中国第一重型机械集团公司丌展的工作较早,他们在研制及生产核设备的同 时,对s a 5 0 8 i i i 韦冈的焊接性能做了大量的研究工作。一重集团公司的宋忠臣工程师 和冶金部钢铁研究总院的梁东图教授等制定了国产s a 5 0 8 i i i c n 详细的焊接工艺,并 研制出了与s a 5 0 8 i i i 钢k h 匹配的b h j 6 0 7 h r 焊条,满足了核压力容器材料的各项 性能要求| 。 中国第一重型机械集团公司l m 川的宋忠臣等相关人员在已完成的研究工作基础 上先后制定了国产3 0 0 m w 核反应堆压力容器产品的焊接技术路线、顶盖与驱动机 构管座异种会属的焊接技术路线、接管安全端异种钢焊接技术路线、球形顶盖向心 环焊缝的焊接技术路线和主焊缝窄间隙埋弧自动焊技术路线,并成功完成了焊接任 务,达到了国际先进水平。他们的工作在很大程度上为研究和生产核压力容器提供 了理论和实验依据。 此后,上海发电设备成套设计研究所的吴祖乾和上海锅炉厂有限公司的顾永康 探讨了由国产焊接材料焊成的s a 5 0 8 i i i 钢核反应堆压力容器主焊缝和不锈钢堆焊层 内蒙古科技人学硕十学位论文 的特殊性能| l :i ,包括主焊缝的抗辐照性能、断裂韧性和低周疲劳性能以及不锈钢堆 焊层的抗静水腐蚀和应力腐蚀性能。核工业第二研究设计院的邰江和钢铁研究总院 张庄| l3 i 等人研究了核一级、二级压力容器焊缝的拉伸、冲击性能及低周疲劳性能与 母材的匹配性,同时设计了疲劳曲线,并按照a s m e 和r c c m 规范进行了评价。 以上科研单位和科研人员所做的工作在一定程度上肯定了国产s a 5 0 8 i i i 宅犀1 的优 良的焊接性能,为进一步促进我国核压力容器生产和制造提供了试验数据。 1 2 焊接温度场有限元发展概况 焊接是制造技术的重要组成部分,在核压力容器的生产和装配上有不可替代的 重要作用。随着科学技术的发展,追求核压力容器焊接过程的优质、高效是核压力 容器生产单位永恒的目标,而焊接传热过程是决定焊接质量和焊接生产效率的关键 因素,同时,也是焊接工艺的科学基础。准确的计算焊接热过程,对于焊接应力变 形、过程控制及其工艺优化等都是具有十分重要的意义。 1 2 1 国外焊接温度场有限元分析发展概况 焊接传热问题的研究,从上个世纪3 0 年代以后才出露端倪。此后,随着生产的 需要和科学技术的发展,很多国家对焊接传热过程进行了深入的研究。 上个世纪四十年代初期,d r o s e n t h a l 和r y k a l i n 把焊接热源简化为点、线、面 三种形式的理想热源,假设材料在任何温度下都是固体,不发生相变,其物理性能 也不随温度的变化而变化,且焊件尺寸无限大i i 和l 。在以上假设条件下,通过移动 热源对焊接热循环进行了分析,做出了大量的工作,并用解析法导出了一套计算公 式,形成了焊接传热过程计算的r o s e n t h a l r y k a l i n 经典理论。 从2 0 世纪5 0 年代丌始,有许多研究者在r o s e m h a l r y k a l i n 公式的基础上进行 改进,并取得了一定的结果。之后,电子计算机技术的发展,为焊接热过程的有限 元分析提供了强有力的工具。2 0 世纪7 0 年代中期,p a l e y 利用有限差分法对焊接非 线性热传输过程进行了分析,并编制了一系列的焊接温度场分析程序i 1 。通过半经 验方法对焊接热源进行了处理,将焊缝和熔合区的单元作为被加热单元,较好的符 合了实际焊接中的要求。g o l d a k 提出一种新的焊接热源模型,该模型认为空问能量 密度服从高斯分布,将氩弧焊、激光焊和电子束焊热源用一个双椭球形来描述| l 引。 与此同时,其他学者针对具体的焊接方法和焊接工艺提出了一些瞬念温度场分 析模型。s o n t i 和a m a t e a u 提出铝合金激光深熔池焊接二维温度场有限元模型| l ”l :印 度的s u b o d hk u r m a r e t a l 在三维有限元模型的基础上,运用熔滴过渡不稳定收缩理论 和状态力平衡理论对气体保护焊熔池深度的特性进行了研究和分析e o 。t e k r i w a l l 通 内蒙古科技人学硕士学位论文 过二维有限元模型分析了气体保护焊过程中瞬念温度场的变化口l | ;h h u h 通过三维 有限元方法,对电阻点焊过程进行了电热分析口列。g b r u g g e m a n n 等通过焊接测温设 备得到了激光焊接的温度场,同时通过数值模拟方法得到了模拟温度场结果,然后 对焊接实验数据和数值模拟温度场进行了比较,从而确保了钢和铝合会的激光焊接 质量1 2 3 t 。 近期,b b i n d a 等建立了一种针对3 0 4 不锈钢激光焊接的半经验性的温度场模 型,并进行了温度场计算1 2 4 1 。k a m e la b d e r r a z a k 等利用f l u e n t 有限元软件,通过 有限体积法对a z 9 1 镁合金连续激光焊接过程中熔池形成进行了数值模拟并进行了 实验研究口引。a k e r m a n p u r 等人通过单元生死技术对i n c o l o y8 0 0 管道g t a w 进行 了三维有限元分析,利用热电偶测温方法得到了焊接温度场的分布。之后,通过模 拟结果与实验结果相对比,得到了两个结果相吻合的结论口0 1 。 1 2 2 国内焊接温度场有限元分析发展概况 在国内,2 0 世纪8 0 年代初期,唐慕尧、陈楚和武传松等对焊接传热简单热源 模型进行了基础性的研究和分析,为以后的学者研究提供了帮助1 17 列j 。2 0 世纪9 0 年代,汪建华等进行了三维瞬态温度场的有限元数值模拟研究工作l = h ”。蔡志鹏等在 大型结构的焊接变形数值模拟方面做了不少的工作,提出了分段移动热源说| 。 张亮峰利用a n s y s 有限元软件对焊接传热过程进行了模拟,有效地分析了焊 件设计和焊接生产过程中,焊接传热对焊件产品的影响,从而找到了解决问题的方 法1 3 2 l 。谭险峰针对低碳钢薄板件t i g 对接焊,应用双椭圆分布热源模型,建立了 t i g 对接焊三维温度场有限元数值分析模型,将有限元解同实验结果进行了比较, 两者基本吻合,表明了该分析模型的有效性,并以此有限元模型为基础,分析了焊 接板f b j 存在间隙和焊枪偏离焊缝中心这一实际情形下,温度场分布的不均匀性”“。 孙文婷针对应用有限元方法进行焊接残余应力数值预报时模拟普遍存在的三维模拟 过程复杂、计算时问冗长、计算费用较高的问题,通过引入焊接热循环过程的加热 和冷却时间比,提出了以线热源代替点热源的简化数值预报方法,使三维问题简化 为二维问题进行数值模拟,大大节省了计算时间i j 4j 。郑相锋利用有限元数值模拟方 法计算了激光加热镀锌钢板的温度场分布,采用多种方法得到了a n s y s 无法得到 的各种热循环图和重要图例数据1 3 5 1 。丰富了该软件的后处理数据显示功能,从而对 实际的激光加热工艺起指导作用。李慧娟通过建立厚板多层焊的三维有限元数值分 析模型,利用a n s y s 软件中的单元“生死”技术处理多层焊问题,模拟得到了厚 板多层焊接时的温度场,并利用红外热像仪实时测定了实际焊接过程的温度场i - 6 j 。 李晋梅以2 0 号钢中厚板对接接头为研究对象,运用a n s y s 有限元分析软件,建立 内蒙古科技人学硕十学位论文 了其多道焊接温度场的有限元模型,并采用分步加载的方法对其焊接过程的温度场 进行了模拟,得到了2 0 号钢中厚板焊接过程中焊缝区的瞬念温度场以及各点的焊接 热循环曲线1 3 。刘兴龙等以中厚板表面堆焊为例,利用a n s y s 软件对焊接过程三 维瞬态温度场、应力应变场进行了有限元模拟k 强l 。分析时采取了有效措施保证求解 的准确性和收敛性,计算结果与实测结果比较吻合,并编制了参数化的模拟分析程 序。 近期,陈玉喜等针对铝合会薄板对接焊,采用双椭球热源分布模式,基于 a n s y s 软件平台,建立了运动电弧作用下焊接过程的有限元数值分析模型”j 。在 模拟的过程中,利用a n s y s 软件的a p d l 语言,较好地模拟了焊接时焊接电弧移 动加热过程以及整个温度场的瞬态变化,实现了参数化编程。对模拟的动态过程进 行分析,得到了焊件温度场的分布规律,为以后焊接应力应变的准确分析奠定了基 础。 综上所述,国内外研究人员主要在焊接热源的建立上经历了由一维到三维、由 简单到复杂,由不全面到全面的一个过程。试图在此基础上,从一个方面或多个方 面来反映实际焊接热过程,从而得到较为准确的焊接温度场。这些研究工作为以后 的焊接应力场的计算和分析,打下了峰实的基础。 1 3 焊接应力场有限元分析的发展概况 焊接残余应力是由于焊接加热产生的不均匀的温度场引起的。焊接温度场是产 生焊接残余应力场的直接原因,焊接温度场的准确性直接关系到焊接残余应力场的 准确性。其中,影响焊接残余应力场的因素主要是焊接热循环。残余应力的存在对 焊件有着很大的危害,它不仅可以使焊件的综合力学性能降低,还可以使焊接接头 的抗腐蚀能力下降。所以,准确的预知焊件中残余应力的大小和分布对优化焊接工 艺,减小焊件中的残余应力有着很大的帮助。 1 3 1 国外焊接应力场有限元分析的发展概况 在国外| 4 ”i ,2 0 世纪6 0 年代,t a l l 、1 w a k i 先后利用计算机编制了一维和二维焊 接应力场模型,并得到了一定的结果;之后,m u r a k i 在前人的基础上,扩大了二维 模拟程序的功能。2 0 世纪8 0 年代中期,j o s e f s o n 对薄壁管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。进入9 0 年代,m a h i n 等人在研究中考虑了 热结构耦合的热应力问题。此后,c h i d i a c 等人研究了厚板焊接过程的残余应力分 布和变形。 内蒙占科技人学硕十学何论文 此外,t b r a n z a 等对焊接方法修复模具进行了实验和数值模拟研究1 4 i of e n g g u i l u 等通过综合流体与传热数学模型建立了g t a w 电弧和熔池模型”_ 。该模型可避 免对熔池表面温度的假设,同时可以提供可靠的边界条件来分析熔池的流场和温度 场。c s w u 等研究了完全浸入式氩弧焊熔池表面的前后端的变形数值分析1 4 。l 。 k a m e la b d e r r a z a k 等对连续激光焊接a z 9 1 镁合金的熔池形成进行了数值模拟和实 验研究| 4 引。h j z h a n g 等利用数值模拟的方法对双面双圆弧多次焊接工艺的三维应力 场进行了研究| 4 n 。g a m o r a i t i s 等研究了激光焊接铝合金的残余应力分布规律和变 形计算4 6 1 。 近期,a f z a a l 、m m a l i k 等人基于参数化的数值模拟进行研究了不同焊接工艺 对焊接残余应力的影响,建立了双椭球热源模型,分析了该模型对焊接温度场及应 力场的影响。d e a nd e n g 基于a b a q u s 有限元建立了热一冶会一结构3 d 有限元模 型,研究了低碳钢和中碳钢中固态相变对焊接残余应力和变形的影响一7 i 。 1 3 2 国内焊接应力场有限元分析的发展概况 在国内,2 0 世纪7 0 年代,楼志文、关桥等人先后利用有限元法对焊接温度场 和应力场进行了简单的计算和分析,并编制了相应的计算程序,其中焊接应力场是 建立在热、弹塑性理论基础上。此后,孟繁森、陈楚等人又针对具体的焊接方法进 行了具体的研究1 4 托4 川。汤小牛等人针对工程中焊接部件的热、弹塑性问题,编制了 温度场和热、弹塑性应力分析程序,计算了异种钢管焊接残余应力分布及焊缝宽度 对焊接残余应力的影响。2 0 世纪9 0 年代,上海交通大学与同本大阪大学针对三维 焊接应力场和变形问题进行了研究和分析,提出了改善计算精度和收敛性的方法, 编制了相关三维焊接程序。 此外,熊健民等通过对厚板焊接构件进行条形切割解体,从而实测截面上焊接 残余应力的大小,并根据统计理论,总结出厚板中焊接残余应力在截面上的分布规 律 。刘仁培等建立焊接凝固裂纹驱动力数值模拟模型,并采用单元死活的方法解 决了熔池的变形问题,采用热弹塑性理论处理了固相区域的应力、应变本构关系, 从而建立了一种计算凝固裂纹驱动力的有效方法| 5 。董航海等介绍了焊接应力应变 的形成机理和数值分析的理论发展,并讨论了建立模型的一些重要的要求和模拟分 析的关键技术p 引。何小东等基于a n s y s 有限元分析软件,采用三维移动热源,对 t c 4 钛合会激光焊接残余应力和变形进行了数值模拟和实验研究1 5 3 1 。张学秋等通过 有限元方法对t i g 焊接中厚板对接接头进行了动态模拟,分析了后焊层对已焊层纵 向焊接残余应力的影响| 、4 | 。 内蒙古科技人学硕+ 学仲论文 近期,贾坤荣等运用有限元计算软件a b a q u s ,对1 0m m 厚钢板电子束焊接 温度场和残余应力场进行了数值模拟,并通过移动体积生热的高斯锥形分布的模式 来模拟匙孔效应”州。陈星明等基于a n s y s 平台,考虑了材料物理性能随温度的变 化以及外界环境对焊接管道对流和辐射散热的影响,采用生死单元方法的热源加载 模式,对管道对接焊接头残余应力进行了数值模拟【5 6 j 。 综上所述,焊接应力场的有限元是建立在焊接温度场有限元和热弹塑性理论的 基础之上不断发展的,同

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