（材料加工工程专业论文）基于marc的典型焊接结构件残余应力预测及应用.pdf

c l a s s i f i e di n d e x ： u d c ： ad i s s e r t a t i o nf 6 t h ed e g r e eo fm e n g r e s i d u a ls t r e s sp r e d i c t i o na n d a p p l i c a t i o n b a s e do nm a r c c a n d i d a t e ：c h uy u a n z h a o s u p e r v i s o r ：p r o f g a id c n g y u a c a d e m i cd e g r e ea p p l i e df o r ：m a ，s t e ro fe n g i n c o r i n g s p e c i a l t y ：m a t e r i a l sp r o c e s s i n g d a t eo fs u b m i s s i o n ：s e p ，2 0 0 9 d a t eo f o r a le x a m i n a t i o n ：o c t , 2 0 0 9 u n i v e r s i t y ：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 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 作者本人独立完成的有关观点、方法、数据和文献的引用已在 文中指出，并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内容外， 本论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 本文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 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ：栅鸺 日期：们年f 0 月砑日 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。 本论文眦授予学位后即可口在授予学位1 2 个月后口 解密后) 由哈尔滨工程大学送交有关部门进行保存、汇编等。 作者( 签字) ：橱砧召 日期：叫年j o 月可日 导师( 签字) ：细 叉鲈1 年f 明工旧 哈尔滨工程大学硕士学位论文 于两要 计算机数值模拟技术在焊接领域中有广泛的应用。利用数值模拟技术预 测焊接温度场和应力场的分布情况能够指导工艺优化，从而得到高质量的焊 接结构。焊接工艺的优化、焊接参数的选择、控制和消除焊接残余应力的方 法均可由计算机完成，不必进行大量的试验工作，这样就大大地节省了人力、 物力和时间，具有很大的经济效益。 本论文运用大型通用有限元分析软件m a r c ，对中厚板对接焊结构进行 了三维有限元模拟。根据焊接的实际情况，选取不同的焊接热源，并使用生 死单元技术模拟实际焊料的填充过程，求解得到焊接残余应力场。数值模拟 结果与实测结果对比，结果表明，采用高斯面热源与双椭球体热源结合的组 合热源模型，模拟的焊接残余应力与实测结果的吻合度最高。 本论文运用焊接数值模拟技术对管板焊接结构进行了三维有限元模拟， 考虑焊接工艺条件对焊接残余应力场的影响，焊接工艺条件包括大小焊缝、 焊接顺序、熔修处理和超声波冲击处理。研究结果表明，采用双椭球体热源， 并使用生死单元技术模拟实际焊料的填充过程，得到焊接工艺的最佳方案为： 大焊缝外形、两面交替焊接、熔修处理和超声波处理。 关键词：数值模拟；m a r c ；焊接应力场；组合热源：焊接工艺 哈尔滨工程大学硕士学位论文 a b s t r a c t c o m p u t e rn u m e r i c a ls i m u l a t i o nt e c h n o l o g yh a sw i d e l yu s e di nt h ew e l d i n g f i e l d t e m p e r a t u r e f i l e da n dw e l d i n gr e s i d u a ls t r e s sf i e l dd i s t r i b u t i o nw a s c a l c u l a t e db a s e do nc o m p u t e rn u m e r i c a ls i m u l a t i o n i ti su s e f u lt oo p t i m i z e d w e l d e dp r o c e s s ，t h e nt h eh j i g hq u a l i t yo fw e l ds t r u c t u r ew a so b t a i n e d t h eb e s t p r o c e s s e s ，w e l d i n gp a r a m e t e rs e l e c t i o n , c o n t r o la n de l i m i n a t i o no fw e l d i n gr e s i d u a l s t r e s sc a nb ec o m p l e t e db yc o m p u t e ri n s t e a do fs u b s t a n t i a le x p e r i m e n t a lw o r ki n w o r k s h o p o r l a b o r a t o r y i t h a s g r e a te c o n o m i cb e n e f i t sb yg r e a t l ys a v i n g m a n p o w e r , m a t e r i a la n dt i m e b a s e do nf m i t ee l e m e n ta n a l y s i ss o f t w a r em a r c ，at h r e e d i m e n s i o n a lf i n i t e e l e m e n tn u m e r i c a ls i m u l a t i o no nm u l t i - p a s sw e l d i n gw i t hm e d i u ma n dh e a v y p l a t es t r u c t u r ei sc a r r i e do u t a c c o r d i n gt ot h ea n t u a ls i t u a t i o no fw e l d i n g ，s e l e c t e d d i f f e r e n tw e l dh e a ts o u r c e ，a n dt h e b i r t ha n dd e a t h e l e m e n tm e t h o di sa p p l i e dt o s i m u l a t et h eg r a d l l a l “g r o w t h o fw e l dm e t a l ，a n dt h e nt h es t r e s sf i e l di so b t a i n e d t h ec o m b i n e dw e l d i n gh e a ts o u r c ew h i c hc o m b i n e dg a u s s i a nf a c eb e a ts o u r c e 诵t hd o u b l e e l l i p s o i d a lb o d y h e a ts o u r c ew a su s e di nw e l d s i m u l a t i o n c o m p a r i s o ns i m u l a t i o nr e s u l t s 研mm e a s u r e dr e s u l t s ，t h er e s i d u a ls t r e s sf i e l do f s i m u l a t i o nu s i n gt h ec o m b i n e dw e l d i n gh e a ts o u r c ec o n s i s t s 、析t l lt e s tv a l u em o r e e x a c t l yt h a nu s i n gt h eo t h e rt w oh e a ts o u c e b a s e do nf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i ss o f t w a r em a r c ，at h i n e d i m e n t i o n a lf i n i t c e l e m e n tn u m e r i c a ls i m u l a t i o no nm u l t i p a s sw e l d i n gw i t hp i p e - p l a t es t r c t u r ci s c a r r i e do u t ，a n dt h e nt h es t r e s sf i e l di so b t a i n e d t h ee f f e c to f w e l d i n gt e c h n o l o g y o nt h er e s i d u a ls t r e s si si n v e s t i g a t e di nt h i sp a p e r t h ew e l d i n g t e c h n o l o g yi n c l u d e s t h ew e l d i n gs e q u e n c e ，t h es i z eo fw e l db e a d ( b i go r s m a l l ) ，m e l t i n gr e p a i r 哈尔滨工程大学硕士学位论文 讹砒m e n 伽da n du l t r a s o n i c i m p a c tt r e a t m e n t t h er e s u l t ss h o w 斌龇b e s t w e l d i n gt e c h n o l o g ya p p l y i n gad o u b l ee l l i p s o i dh e a ts o u r c em o d a lf o rp i p c - p l a t e 妣嘶躺b i gw e l dh e a d ，a l t e r n a t i v ew e l d i n gs e q u e n c e ，m e l t i n gr e p a i r 眈咖e n t a n du l t r a s o n i ci m p a c tt r e a t m e n t k e yw o r d s ：n u m e r i c a l s i m u l a t i o n ；m a r c ；w e l d i n gs t r e s sf i e l d ；c o m b i n e dh e a t s o u r c e ；w e l d i n gt e c h n o l o g y 哈尔滨工程大学硕士学位论文 一目录 第1 章绪论l 1 1 课题产生背景2 1 2 焊接数值模拟技术的概述3 1 2 1国外焊接数值模拟技术的发展3 1 2 2 国内焊接数值模拟技术的发展5 1 2 3 实际焊接模拟过程中的难点与对策7 1 3 焊接残余应力涉及的问题1 2 1 3 1 焊接残余应力的概念1 2 1 3 2 焊接残余应力产生的原因1 3 1 3 3 影响焊接残余应力的主要因素1 4 1 3 4 焊接残余应力对焊接结构的影响1 5 1 4 本文主要研究内容1 6 第2 章有限元法在焊接数值模拟中的应用。1 8 2 1 有限元法的介绍。1 8 2 2 焊接数值模拟基本原理及有限元分析2 l 2 2 1 热传导问题的数学描述2 1 2 2 2 热传导问题的有限元法2 3 2 2 3 焊接热机耦合问题概述2 5 2 2 4 焊接热机耦合问题有限元法2 6 2 3m 刖妃软件介绍3 0 2 3 1m a r c 软件结构3 l 2 3 2m a r c 程序结构的特点3 l 2 3 3m a r c 中的“生死 单元技术3 2 2 4 盲孔法测残余应力3 3 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 4 1 实验装置3 3 2 4 2 实验原理3 3 2 4 3 实验测试步骤3 8 第3 章组合热源模型在焊接数值模拟中的应用4 1 3 1 前言4 1 3 2 组合热源模型的建立4 l 3 3 有限元模型的建立4 4 3 3 1 几何模型的建立4 5 3 3 2 网格划分4 5 3 4 有限元模拟计算4 6 3 5 对接焊数值模拟及其结果分析4 6 3 5 1 温度场结果分析4 6 3 5 2 应力场结果分析4 8 3 6 本章小结4 9 第4 章管板结构单元焊接工艺优化5 0 4 1 前言5 0 4 2 有限元模型的建立5 0 4 2 1 几何模型的确定5 0 4 2 2 确定单元类型及划分网格5 2 4 2 3 材料特性参数5 5 4 2 4 确定热源模型5 5 4 3 有限元模拟计算5 6 4 3 1 焊接工艺参数的确定5 6 4 3 2 施加边界条件5 8 4 4 焊接温度场结果6 0 4 5 焊接应力场结果6 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 4 5 1小焊缝外形、顺序焊接应力场结果6 2 4 5 2 大焊缝外形、顺序焊接应力场结果6 5 4 5 3 大焊缝外形、交替焊接应力场结果6 7 4 5 4 大焊缝外形、交替焊接、熔修处理应力场结果6 9 4 5 5 大焊缝外形、交替焊接、熔修、超声冲击应力场结果7 0 4 6 本章小结7 3 结论7 4 参考文献7 5 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果8 2 致谢8 3 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题产生背景 焊接是一种运用加热或加压条件、添加或不添加填充材料将构件不可拆 卸的连接在一起或在基材表面堆敷盖层的加工工艺。从微观上讲是两种或两 种以上的材料( 同种或异种) 通过原子或分子间结合或扩散形成永久性连接 的方法。作为工艺生产中最重要的材料成型方法之一，焊接技术已经广泛应 用于国民经济的各个部门，如航天工业、造船工业、机械工业、海上平台、 汽车工业、微电子工业和核电设备等领域。焊接是一个涉及到电弧物理、传 热、冶金和力学的复杂过程，焊接现象包括焊接式的电磁、传热过程、金属 的升华和凝固、冷却时的相变、焊接应力和变形等。焊接过程产生的焊接应 力和变形，不仅影响焊接结构的制造过程，而且还影响焊接结构的使用性能。 这些缺陷的产生主要是焊接时不合理的热过程引起的。由于高集中的瞬时热 输入，在焊接过程中和焊后将产生相当大的残余应力( 焊接残余应力) 和变 形( 焊接残余变形、焊接收缩、焊接翘曲) ，并且焊接过程中产生的动态应力 和焊后残余应力也影响构件的变形和焊接缺陷，而且在一定程度还影响结构 的加工精度和尺寸的稳定性。因此，在设计和施工时必须充分考虑焊接应力 和变形的特点。焊接应力和变形是影响焊接结构质量和生产率的主要问题之 一，焊接变形的存在不仅影响焊接结构的制造过程，而且还影响焊接结构的 使用性能【l 】因此对焊接温度场和应力场的定量分析、预测、模拟具有重要意 义。 传统的焊接温度场和应力场预测依赖于试验和统计基础上的经验曲线或 经验公式。但仅从实验角度研究焊接热应力和焊后残余应力和变形问题难度 很大，无前瞻性，不能全面预测和分析焊接对整个结构的力学特性影响，客 观评价焊接质量。在研究焊接生产技术时，往往采用试验手段作为基本方法， 但大量的试验增加了生产成本，耗费人力物力，尤其在军工、航天、潜艇、 哈尔滨工程大学硕士学位论文 核反应堆等大型重要焊接结构制造过程中，任何尝试和失败都将造成重大经 济损失，而数值模拟将发挥其独特的能力和优势。随着有限元技术和计算机 技术的飞速发展，为数值模拟技术提供了有力的工具，很多焊接过程可以采 用计算机数值模拟。随着差分法、有限元法的不断完善，焊接热应力和残余 应力模拟分析技术相应的发展起来。 随着计算机技术发展，2 0 世纪末提出了计算机模拟的技术，为热加工包 括焊接技术的发展创造了有利的条件。焊接过程数值模拟可包括以下几个方 面：( 1 ) 焊接热过程的数值模拟；( 2 ) 焊缝金属凝固和焊接接头相变过程数 值模拟；( 3 ) 焊接应力和应变发展过程的数值模拟；( 4 ) 非均质焊接接头的 力学行为的数值模拟；( 5 ) 焊接熔池液体流动及形状尺寸的数值模拟：( 6 ) 重大结构及其部件的应力分析( 7 ) 焊接接头组织变化和热影响区氢扩散的数 值模拟( 8 ) 焊接结构断裂韧性、疲劳裂纹扩展的数值模拟。利用这种方法可 以展望2 1 世纪热加工的研究模式将转变为“理论计算机模拟一生产 ，从 而大大提高了焊接和材料热加工的科学水平，节约了用于实验研究的人力、 财力。 1 2 焊接数值模拟技术的概述。 数值模拟是对具体对象抽取数学模型，然后采用数值分析方法，通过计 算机求解。随着计算机技术和计算方法的发展，数值模拟技术成为解决各种 复杂工程问题的有效工具，在各个学科领域迅速得到了广泛推广与应用，是 现代工程学形成和发展的一个重要推动力。 焊接数值模拟，是以物理模型为基础，采用一组控制方程来描述一个焊 接过程或焊接过程的某一个方面，采用分析或数值方法求解以获得该过程的 定量认识( 如焊接温度场、焊接热循环、焊接热影响区的硬度、焊接区的强 度、断裂韧性等) 。焊接数值模拟的关键是确定被研究对象的物理模型及其控 制方程( 本构关系) 一 目前，焊接数值模拟技术几乎遍及各个焊接领域，如焊接热传导分析、 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 焊接熔池流体力学、电弧物理、焊接应力与变形等诸多领域【2 】。 近2 0 年来，国内外对焊接残余应力的模拟技术进行了许多研究，取得了 不少成果。焊接应力与应变的数值分析研究包括：焊接动态应力应变过程、焊 接残余应力与残余变形、拘束度与拘束应力、消应力处理等。但应看到这些 研究还处在初步阶段，还有许多工作需要深入研究，但必须正确阐明焊接现 象的本质，才能建立起正确的模型。焊接应力预测方法基于有限元分析。近 年来，随着计算机软、硬件和有限元法的发展i 焊接三维数值模拟的研究已 成为该领域的前沿，三维焊接热应力和残余应力演化虚拟分析技术也逐渐发 展起来。计算机硬件的发展为焊接过程的模拟和工程预测创造了条件，现在 p c 机的性能已和十几年前的小型机、中型机性能相差无几，对于简单的、结 构不是很复杂的焊接结构可以在p c 机上实现模拟过程。 焊接数值模拟的理论意义在于，通过对复杂或不可观察的现象进行定量 分析和对极端情况下尚不可知的规则的推测和预测，实现对复杂焊接现象的 模拟，以助于认清焊接现象本质，弄清焊接现象规律。 焊接数值模拟的现实意义在于，根据对焊接现象和过程的数值模拟，可 以优化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。 1 2 1 国外焊接数值模拟技术的发展 2 0 世纪7 0 年代，日本的上田幸雄等首先以有限元为基础提出了考虑机 械性能与温度有关的热弹塑性分析理论，从而使复杂的焊接应力应变过程的 分析成为可能。之后，佐藤、上田等又研究了多层多道焊及管子焊接、管子 内壁强制水冷法焊接过程的应力应变状况，并用于指导生产实践【3 1 。 1 9 7 9 年e e r y b i c h i 与r b s t o n e s i f e r 4 1 利用有限元方法对管道系统环形对 接焊管多道焊中的残余应力的分布与大小进行了分析，该模型分为温度分析 模型和热应力分析模型两部分，温度模型包括了热输入、管件厚度、焊接速 度、焊接热效率；应力分析模型包括了材料的热物性、弹塑性应力应变影响、 管线几何尺寸和从弹塑性应力状态干线弹性卸载的影响。并且该模型中考虑 哈尔滨工程大学硕士学位论文 了热机械性能和由于应力反向引起的卸载的影响。用该模型得到的7 道焊和 3 0 道焊的残余应力和实验数据相比较取得了良好的吻合性。 1 9 8 6 年t t n o u c e 5 】等研究了伴有相变的温度变化过程中，温度、相变、 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。 1 9 9 2 年y s h i m 和e f e n g 【6 】等开发了在厚板上多道焊焊接过程的残余应 力沿厚度上分布的模型。该模型分两步进行，第l 步是在板的二维横截面上 的热流分析模型，对于横截面燕输天模型使用= 个倾斜热输入，防止数值不 稳定性，也分析了移动热源的影响；第2 步是开发一个结构模型并使用在第 1 步得到的热载荷来进行应力分析，在应力分析中使用了平面应变假设，焊 道每一层被认为是整体焊道以减少计算时间，结果显示了与实验数据良好的 一致性。 1 9 9 8 年t s o l i a n gt e n 9 1 7 j 等利用a n s y s 软件采用弹塑性有限元技术分析 了薄板焊接时焊接速度、试件尺寸、外拘束度、预热等对焊接残余应力的影 响，从结果分析发现，随着焊缝长度的增加，其横向残余应力峰值逐渐降低， 而在热影响区的压应力变为拉应力，当焊缝长度达到4 0 0 m m 时，横向残余应 力几乎为零。而外部拘束度可大大增加焊接残余应力，随着预热温度的增加， 残余应力略有下降，焊接速度增加可降低残余应力数值。同年，b b r i c k s t a d i s l 等研究不锈钢管多道焊在不同厚度变化下的周向应力和轴向应力分布，给出 减少表面缺陷的建议。 19 9 9 年澳大利亚的m r f r e w i n 和d a s c 嘣等人1 9 】对激光脉冲焊接进行 了有限元分析，提出了激光脉冲点焊的三维模型，计算了瞬态温度场、熔池和 焊接热影响区。结果表明：温度分布与焊缝尺寸是激光束能量分布和吸收率的 函数，并且其模型也推广到了低碳钢的点焊研究。 2 0 0 1 年美国的z c a o 等【i o 】对复杂构件的三维多道焊热流过程进行了研 究，该方法是通过分析边界条件的热传导损失的热量来分析复杂结构中的多 哈尔滨工程大学硕士学位论文 道焊与曲边焊道，并且用辅助热源弥补热损失，用a b a q u s 软件分析了残余应 力与变形。2 0 0 1 年，t s o l i a n gt e n g i n 等研究t 型角焊缝焊接的残余应力和 角变形，在分析中采用生死单元来模拟焊料的填充，同时考虑法兰厚度、贯 入深度、约束条件对焊接应力和变形的影响。结果表明，横向应力在焊趾附 近出现最大的拉应力，随着距离的增大，逐级增大到零；对于纵向应力，在 焊趾附近出现最大的拉应力，在远离焊缝的位置，出现压应力；增加法兰厚 度和内约束将增加焊趾附近的拉伸应力，而增加贯入深度将降低焊趾附近的 残余拉应力。 2 0 0 4 年，j r c h o 1 2 】等采用耦合热应力分析对三维多道焊焊后和热处理 后的应力场分布进行数值模拟，并采用钻孔法对应力场结果进行测量。结果 表明，焊后热处理能有效地降低应力数值。 2 0 0 6 年与2 0 0 7 年，d e a nd e n 9 0 3 l 等基于a b a q u s 软件对s u s 3 0 4 不锈 钢管进行多道焊温度场和应力场的数值模拟。3 d 模型与2 d 轴对称模型数 值模拟结果进行对比，发现2 d 的轴对称模型能够很好的预测温度场和应力 场结果；同时考虑随温度变化的材料参数、加工硬化行为、焊缝屈服强度对 残余应力结果的影响：2 0 0 6 年他们【1 5 j 又研究9 c r - l m o 不锈钢对接焊固相 转变对残余应力场分布的影响，考虑体积变化与屈服强度的变化对残余应力 的影响。结果表明，体积变化不仅改变应力数值，而且改变改变应力符号， 而屈服强度的变化仅仅改变应力的数值。 1 2 2 国内焊接数值模拟技术的发展 我国在计算机分析焊接力学方面起步较晚，但发展迅速。西安交通大学 唐慕尧等人于1 9 8 1 年编制了有限元热传导分析程序，进行了薄板焊接准稳态 温度场的线性计算，其结果与实验值吻合。随着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，能进行固定热源或者移动热源、薄板或厚板、准稳态或者非准 s 哈尔滨工程大学硕士学位论文 稳态二维温度场的有限元分析。并在脉冲t i g 焊接温度场以及局部干法水下 温度场等方面进行了实例分析【1 6 , 1 7 。 2 0 0 0 年哈尔滨工业大学的魏艳红等【1 8 】对不锈钢焊接凝固裂纹应力应变 场数值模拟结果分析，通过单元再生方案消除了焊接结构中熔池变形对熔池 尾部应力应变场的影响，并考虑了凝固收缩对熔池尾部应力应变场的影响， 从而得出了较理想的焊接应力应变场。 2 0 0 1 年清华大学赵海燕、张建强等1 1 9 2 0 】对多层焊及焊缝金属熔敷进行了 数值模拟。他们对多层焊焊接金属的熔敷是通过单元死活技术来实现的，同 时用分段移动热源模型对焊接过程进行了数值分析，他们把移动的高斯点热 源分段化，作为分段的带状高斯热源处理，在保证一定的精度的前提下，大 大提高了计算效率。并且利用并行计算技术提高了焊接数值模拟和计算效率， 通过适当调整材料高温性能参数有利于有限元解的收敛性。在焊接物理模拟 中，采用相似理论可以有效地减少模拟件的几何尺寸，减少节点自由度和计算 工作量。 ， 2 0 0 1 年清华大学的鹿安理等【2 i l 对厚板焊接过程温度场、应力场进行了数 值模拟。在简单构件的基础上进行了焊接过程三维数值模拟的初步研究，并 且采用了热耦合算法，但只考虑了温度场对应力应变的耦合作用，而没有考 虑应力应变场对温度场的作用。 清华大学蔡志鹏 2 2 1 研究大型结构焊接变形数值模拟，因计算模型和计算 量大，以及收敛困难等原因而难以实现。通过对移动热源进行分段化处理， 可以在保持精度的同时极大的提高计算效率，从而为这一普遍性难题的解决 提出了一条有限途径。同时利用相似理论推导出相似准则，确定了物理模型 和实际结构的对应关系。 2 0 0 2 年薛忠明等刚认为连续统力学、现代数值方法和计算机技术相结合 可以作为计算焊接残余应力的主要工具。连续统力学是一套严整的力学体系， 研究整个系统的平衡标志，可以考虑物质的各种形态，主要包括：质元、能 哈尔滨工程大学硕士学位论文 量、动量守恒定律和材料的本构关系。其本构方程考虑了热传输物理、热膨 胀力学、材料微观组织变化过程及相变。边界条件考虑焊接热输入、表面热 损失，更主要的是考虑焊接结构部件中金属的熔敷，至少应当包括依温度变 化的热弹塑性材料模型。 2 0 0 6 年，哈尔滨工业大学的姬书得i 冽研究水轮机转轮焊接残余应力调控 措施的虚拟优化，从多道焊、分段焊、多层焊与多个接头等四个角度分别讨 论了焊接顺序对t 型接头焊接残余应力的影响。并在利用兀定理以及相似定 数法推导出在温度场完全相似的条件下模型和实际构件对应位置的残余应变 关系式的前提下，利用焊接热传导理论和虚拟模拟件的概念，建立了实用的 大型构件和模拟件对应位置的焊接残余应力对应关系。 1 2 3 实际焊接模拟过程中的难点与对策 由极不均匀的焊接温度场导致的塑性应变与相变应变是产生焊接残余应 力与变形的根本原因。为了掌握焊接变形的规律，就应对焊接温度场及焊接 过程中的应变进行准确的分析。但由于焊接过程本身的复杂性使数值模拟中 的建立模型与数值求解都面临许多需要解决的问题。下面仅针对实际构件焊 接应力与焊接变形有限元模拟过程中的部分难点进行分析。 1 ) 焊接温度场、应力应变场是随时间变化的动态场，在数值分析中需要 将连续变化的焊接过程离散为若干个时间增量步，在每一时间增量步中将动 态场近似为稳态场进行瞬态分析。但由于在焊缝附近温度场、应力应变场随 焊接过程发生急剧的变化，不得不用很多时间增量步体现这种快速变化，造 成计算量非常大。例如对于一条5 0 0 m m 米长的单道焊缝，焊接速度为5 m m s ， 则整个焊接过程需l o o s 。在数值模拟中，假设采用o 1 s 的时间增量步，那么 这道焊缝的焊接过程需1 0 0 0 次瞬态分析。在每次瞬态分析中都要进行温度 场、应力应变场的数值求解，其计算量可想而知。对于大型实际构件而言， 焊缝长度通常上百米，对焊接全过程的分析其计算量将大得不能承受。 2 ) 焊接热源高度集中，温度场分布极不均匀，在焊缝附近应采用足够细 哈尔滨工程大学硕士学位论文 密的网格划分以达到必要的精度，结果造成自由度数目庞大，解题规模大。 如图1 1 所示为一典型t 形接头的三维有限元模型【2 5 】，共有9 7 2 0 个单元， 1 1 9 7 9 个节点。如果采用如此细的网格划分，对于长达几米甚至几十米的大 型复杂实际构件，其自由度数目将大得难以进行分析。 图i it 型接头的三维有限元模型卿 3 ) 焊接过程中材料力学性能随温度成高度非线性变化，尤其在熔池附近， 材料的屈服强度、弹性模量等力学指标降低为很小的值，影响了数值模拟的 求解效率 2 6 - 3 i l 。在数值模拟中，由于材料性能非线性变化需要在每一次瞬态 分析中利用迭代计算求解非线性方程组，而且在系数矩阵中反映熔池部分的 值与其它部分相比是个小量，方程矩阵奇异性大，使得求解收敛困难，不得 不需要更多迭代次数才能达到必要的精度，造成计算时间冗长。 4 ) 对工程构件的数值模拟，一般需要进行三维数值分析。研究表明，大 型结构中远离焊缝的弹性体在焊接变形协调中所起的作用是不容忽视也无法 用简单方法替代的 3 2 - 3 5 】。尤其在起弧端和收弧端，未达到准稳态，并且构件 哈尔滨工程大学硕士学位论文 本身的拘束条件也比较特殊，与准稳态区域的假设相去甚远，而此区域又往 往是工程结构分析的重点，用二维分析代替三维分析将产生较大的误差。这 就决定了三维研究在准确分析大型结构焊接应力与变形中是不可避免的。三 维数值模拟除自由度数目巨大，计算时间冗长外，在高温区控制计算精度和 稳定性较二维问题困难得多，要求采用比二维计算更精确的数值方法，进一 步延长了分析时间【2 的蜘。 除此之外，具体的焊接工艺，如焊接方法，焊接顺序，坡口形状，填充 金属等细节在特定情况下都会对焊接变形产生很大的影响，因而需要根据实 际情况进行仔细分析。而建模时对这些细节的描述会大大增加计算量和计算 时间。 为了解决以上的难题，许多科学工作者提出了以下的措施： 1 ) 单元技术的开发：单元技术一直是有限元技术的核心问题。通过开发 合适的单元技术是提高有限元计算效率的主要办法。就焊接过程的数值模拟 分析而言，在焊接快速的局部加热和冷却及其导致的局部应力应变的急剧变 化过程中，焊缝附近的单元并非在焊接全过程中都经历着复杂的温度和应力 变化，只是在很短的时间范围内经历这种变化。根据这个特点，来开发新型 单元，充分体现单元在大部分时间内求解量保持相对稳定的，简化计算过程， 来提高计算效率。 2 ) 并行计算和分布式并行处理：并行计算技术是目前有限元分析中缩短 计算时间的主要手段之一。随着网络技术和数据通讯技术的迅猛发展，分布 式并行处理系统正逐渐成为并行系统的主流。它的优越性主要体现在高性能 价格比和灵活性上。同时，分布式并行系统的扩展也非常方便，可以随着计 算机技术的发展而扩充系统规模，或在已有的基础上更新换代。 3 ) 网格自适应技术：焊接结构数值模拟自由度数目庞大的主要原因为： 焊缝附近区域的温度场、应力应变场在焊接过程中空间梯度非常大，需对整 条焊缝用很细的网格来描述这种分布才能达到必要的精度。然而在焊接过程 哈尔滨工程大学硕士学位论文 中，在移动热源未达到的地方，或者温度、应力应变梯度已变得较缓和的部 位，并不需要用很密的网格。对整条焊缝都采用密网格划分浪费计算机资源， 并影响求解效率的提高。 网格自适应技术是一种根据求解精度的需要，自动调整网格粗细以便效 处理存在局部大梯度分布问题的方法。最早由m c d i l l 等人提出，并在焊接领 域得到应用【3 6 】。这种方法允许将焊缝附近的网格在开始时划得较粗，随着焊 接热源的移动，自动将熔池附近网格细分到必要的数目，在焊接热源过去后， 当焊接温度、焊接应力应变的梯度减缓时，又可用较粗的网格替代已细分的 网格，从而既始终保持网格划分的合理分布，又提高计算效率。 4 ) 整体局部处理方法：这种方法的思路是：先用二维的简单单元类型 ( 如壳单元、杆单元) 或较疏的网格划分对构建进行整体分析，找出需要关 注的区域( 如危险点) 后，将此区域从整体网格中单独取出，细分网格进行 重点分析。此方法可有效避免大型焊件计算量大的困难，局部进一步分析的 保障作用使得这种方法精度也是可以接受的。所以在一定范围得到了应用。 如美国对a a a v ( 海陆两栖装甲突击车) 进行优化设计就是采用此方法【3 7 l 。 德国宝马汽车公司的h a c k m a i r 利用此方法对汽车底架的焊接状况进行了模 拟，得到了有指导意义的结果【3 酊。s h e r i f 也利用此方法对航行器的空气动力 学形状的设计进行了研究等【3 9 l 。 5 ) 动态区域分解算法的实现：该方法是针对焊接过程只有焊缝金属及其 附近区域经历快速加热和冷却的特点提出的设想。因为在热和特定时刻，都 只有一部分单元处于温度和应力的急剧变化中，而其它单元却处在相对稳定 的状态下。同时，这些处于急剧变化情况下的单元在不同的时刻是动态变化 的。一般针对结构进行的区域分解算法在求解的全部时间域内是静态的，应 用于焊接过程的数值模拟中降低了效率。而动态区域分解算法针对有限元网 格终于求解相关的各物理量的动态分布情况，改变区域分解方案来提高计算 效率。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 6 ) 固有应变法：2 0 世纪7 0 年代初，日本的上田幸雄等首先以有限元法 为基础，提出了考虑材料机械性能与温度有关的焊接热弹塑性分析理论，从 而使复杂的动态焊接应力应变过程的分析成为可能。此后，他们在这方面有 许多发展，特别是发展了固有应变理论，取得了丰硕的成果。固有应变是表 征材料从应力状态切离后处于自由状态时，与基准状态相比所发生的应【删。 焊接时的固有应变包括塑性应变、温度应变和相变应变。焊接构件经过一次 焊接热循环后，温度应变为零，固有应变就是塑性应变与相变应变残余量之 和 4 1 4 2 】。固有应变法的关键参数为固有应变量的大小和范围。在试验的基础 上，假设固有应变仅受约束条件，热输入方式和材料性能等因素的影响而与 具体结构无关。通过大量试验，对典型材料、典型接头和不同的焊接工艺方 法所产生的固有应变关键参数进行测量，可以获得固有应变数据库。如改变 条件，则焊接过程产生的固有应变关键参数可以通过对已知数据的处理获得 4 3 郴】。在数值模拟中，将固有应变参数作为载荷施加在结构上，因而可以进 行简单的静载弹塑性分析，求解焊接残余应力和变形。该方法将焊接过程的 瞬态影响归纳到固有应变关键参数中，避免了数值模拟过程中的瞬态分析和 高温导致的计算难点，大幅度地缩短了计算时间，同时能够获得有一定准确 度的残余应力和变形值，因而得到了一定的应用。 固有应变法中将在一定试验条件下测得的平均应变值替代实际构件中的 未知应变是有一定误差的。首先，实际构件中远离焊缝的弹性体在焊接变形 协调中所起的作用不容忽视也无法用简单方法替代，甚至相同结构在不同焊 接顺序下也会产生明显的不同。换句话说，任何不同焊接构件其固有应变均 不相同。用典型接头、典型工艺方法近似具体结构、具体工艺，忽略了远离 焊缝的弹性体对焊缝应变的影响，忽略了同一焊缝先焊部分对后焊部分的影 响，忽略了焊接顺序的影响，必然引起一定误差。其次，对固有应变关键参 数的测量是有一定误差的。焊接过程复杂，焊接试验中的应变值一般需经过 多次测量取平均值才较为可靠。如果因条件的限制，固有应变参数不能通过 哈尔滨工程大学硕士学位论文 多次试验确定，则会给计算带来误差。上述两点误差可以随着固有应变数据 库的完善而减小，而且对于符合数据库中测量条件下的结构，利用该方法可 以得到很好的结果。但对于固有应变数据库中不存在的情况，该方法并不能 作出预测。固有应变法实质上是利用经验值解决问题的。 7 ) 相似理论：数值模拟方法本身对于大型构件如坦克，潜艇等计算是比 较困难的但其结果的验证也是不容易的阳。直接进行物理模拟成本高得无 法接受。利用相似理论可得到合理的简化模型，在此基础上进行模拟和验证 工作，将大大提高效率，节省资金。由于焊接过程的复杂性，模型与实物之 间的准确的对应关系难以建立，因此相似理论在焊接领域的应用的非常少。 清华大学的蔡志华利用相似准则建立了模型与实际构件焊接残余变形的相似 关系式，在数值模拟工作得以顺利进行的前提下，大大缩短了计算周期与降 低了试验成本。由上面分析可知，利用有限元模拟大型复杂结构的焊接变形 规律需要进行热弹塑性分析，而为了提高计算效率，可以结合网格的合理划 分，并从减少时间增量步的角度进行有效的研究。 1 3 焊接残余应力涉及的问题 1 3 1 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，焊接区域以远高于周围区域的速度被急剧加热，并局部 熔化。焊接区域材料受热而膨胀，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 哈尔滨工程大学硕士学位论文 i i 服极限。结果焊接区域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，则会导致焊接区域产生压缩 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别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。 1 3 2 焊接残余应力产生的原因 焊接残余应力产生的主要原因是由焊接过程中不均匀加热所引起的。焊 接应力按其发生源 4 7 4 1 1 来区分，有如下3 种情况： ( 1 ) 直接应力：这是进行不均匀加热和冷却的结果，它取决于加热和冷却 时的温度梯度，是形成焊接残余应力的主要原因。 ( 2 ) 间接应力：这是由焊前加工状况所造成的压力。构件若经历过轧制或 拉拔时，都会使之具有此类残余应力。这种残余应力在某种场合下会叠加到 焊接残余应力上去，而在焊后的变形过程中，往往也具有附加性的影响。另 外，焊件受外界约束产生的附加应力也属于此类应力。 ( 3 ) 组织应力：这是由组织变化而产生的应力，也就是相变造成的比容变 化而产生的应力。它虽然因含碳量和材料其它成分不同而有异，但一般情况 下，这种影响必须要加以考虑的是，发生相变的温度和平均冷却速