（船舶与海洋结构物设计制造专业论文）船体型材对接焊的焊接顺序优化研究.pdf

人连理l ：人学硕f ：学位论文 摘要 船体结构属于一种典型的焊接结构，而焊接则是个极其复杂的高温、动念、瞬时过 程，船体结构在焊接过程中不可避免地会产生焊接应力和变形。焊接应力和变形使得船 体构件的强度、韧性下降，并且能导致焊接部位产生应力腐蚀开裂，对结构的断裂特性、 疲劳强度和形状尺寸精度产生极为不利的影响。型材对接焊是船舶焊接中最典型的焊接 结构，包含了外板的对接焊缝、面板的对接焊缝、腹板的对接焊缝和腹板与外板的角接 缝四条焊缝。利用有限元软件模拟不同的焊接顺序下结构的焊接应力和焊接变形，通过 对焊接结果的比较分析，得到合理的焊接工艺方案。 本文首先建立型材对接焊件的有限元模型，并对对焊接有限元模型进行必要的简 化。通过a p d l 语言编写焊接程序，实现焊接过程焊接热源的移动加载和构件焊接加热 后的冷却过程。对型材对接焊多种焊接顺序的模拟温度场和应力场进行分析，得出不同 焊接顺序下焊接构件的焊接应力和变形。 对结果进行对比分析，得到如下结论：在焊接后构件焊缝处的残余应力较大，特别 是在角焊缝、腹板对接焊缝和面板对接焊缝相交处的残余应力最大；不同的焊接顺序对 构件的变形影响不是很大，且构件的应变也主要集中在焊缝区域；不同焊接顺序下构件 应力中的拉应力变化较大，而压应力变化较小；以“腹板对接焊一角接焊一面板对接焊 一外板对接焊”为顺序的焊接方式下，构件的残余应力最小。船体型材对接焊的焊接顺 序优化研究为造船焊接工艺的优化设计提供了重要的依据。 关键词：焊接模拟；型材对接焊；有限元；温度场 船体珥! 材对接焊的焊接顺序优化研究 o p t i m i z a t i o ns t u d y o nw e l d i n gs e q u e n c eo ft h en a u t i c a lp r o f il eb u t t w e l d i n g a bs t r a c t t h eh u l ls t r u c t u r ei sat y p i c a lw e l d e ds t r u c t u r e t h ew e l d i n gi sa e x t r e m e l yp r o c e s so f t h e h i g ht e m p e r a t u r e t h ed y n a m i cs t a t ea n dt h ei n s t a n t a n e o u ss t a t e a n da l s op r o d u c et h ew e l d i n g s t r e s sa n dd e f o r m m i o n t h ew e l d i n gs t r e s sa n dd e f o r m m i o nm a k e st h es t r e n g t ha n d t o u g h n e s s o f t h eh u l ls t r u c t u r ed e c r e a s e d ，a n da l s om a k e st h es t r e s sc o r r o s i o nc r a c k i n go f t h ew e l d i n g s p o t ， w h i c hl e a d st ou n f a v o r a b l ei n f l u e n c eo nf r a c t u r ec h a r a c t e r i s t i c s ，f a t i g u es t r e n g t h ，f o r ma n d d i m e n s i o n a lp r e c i s i o no fs t r u c t u r e t h ep r o f i l eb u t t - w e l d i n gi st h em o s tt y p i c a lw e l d i n g s t r u c t u r eo fs h i pw e l d i n g ，i ti n c l u d e st h eb u t tw e l d i n go fo u t e rp l a t e ，t h eb u t tw e l d i n go f p a n e l ， t h eb u t tw e l d i n go fw e b p l a t e ，t h ea n g l ej o i n to fo u t e rp l a t ea n dw e bp l a t e u s i n gt h en u m e r i c a l s i m u l a t i o na n a l y s i st oa n a l y s et h ew e l d i n gt e m p e r a t u r ea n dt h es t r e s ss t r a i nf i e l d ，a n ds i m u l a t e t h ew e l d i n gs t r e s sa n dt h e w e l d i n gd e f o r m a t i o nf r o md i f f e r e n tk i n d so fw e l d i n gs e q u e n c e a n a l y s i n gt h ew e l d i n gr e s u l ti no r d e rt oo b t a i nt h er e a s o n a b l ew e l d i n gp r o c e d u r ep l a n e s t a b l i s h i n gt h ef i n i t ee l e m e n tm o d e lo ft h ep r o f i l eb u t t w e l d i n g ，a n ds i m p l i f y i n gt h ef e m m o d e lw e l d i n g u s i n gt h ea p d lt oc o m p i l et h ew e l d i n g p r o c e d u r e ，i no r d e rt or e a l i z et h e m o v e a b l el o a d i n go ft h ew e l d i n gh e a ts o u r c ea n dr e a l i z et h ec o o l i n go ft h ew e l d i n g a n a l y s i n g t h et e m p e r a t u r ef i e l da n dt h es t r e s sf i e l do fd i f f e r e n tk i n d so ft h ew e l d i n gs e q u e n c eo ft h e p r o f i l eb u t t w e l d i n g ，c o n c l u s i n gt h ew e l d i n gs t r e s sa n dt h ew e l d i n gd e f o r m a t i o no ft h ew e l d e d c o m p o n e n t si nd i f f e r e n tk i n d so ft h ew e l d i n go r d e r s a n a l y s i n gt h er e s u l t s ，t h ea u t h o rc o n c l u d e st h a tt h ew e l d i n gs e a mo ft h ep o s t - w e l d i n g c o m p o n e n th a sal a r g e rr e s i d u a ls t r e s s ，e s p e c i a l l yt h ef i l l e tw e l d ，t h ew e bb u t tw e l d a n dt h e i n t e r s e c i o no fp a n e lb u t tw e l dh a s t h em o s tr e s i d u a ls t r e s s t h ed i f f e r e n c ew e l d i n gs e q u e n c ei s n om o r ei n f l u e n c et ot h ed e f o r m a t i o no fc o m p o n e n t s ，a n dt h ec o m p o n e n t s s t r a i ni sc o n t r a l i z i n g t h ew e l d i n gz o n e ；u n d e rt h ed i f f e r e n c ew e l d i n gs e q u e n c et h et e n s i l es t r e s so ft h ec o m p o n e n t s t r e s sc h a n g e sm o r e ，b u tt h ec o m p r e s s i v es t r e s sc h a n g e sl e s s ；u n d e rt h es e q u e n c eo ft h ew e b b u t tw e l d t h ef i l l e tw e l d - t h ep a n e lb u t tw e l d - t h eo u t e rb u t tw e l d ，t h er e s i d u a ls t r e s so f c o m p o n e n t si st h el e a s t o p t i m i z a t i o ns t u d yo nw e l d i n gs e q u e n c eo ft h en a u t i c a lp r o f i l eb u t t w e l d i n gp r o v i d ei m p o r t a n tb a s i sf o ro p t i m i z a t i o nd e s i g no f t h ew e l d i n g t e c h n o l o g yi np r a c t i c a l s h i p b u i l d i n g k e yw o r d s ：w e l d i n gs i m u l a t i o n ；p r o f i l eb u t t w e l d i n g ；f i n i t ee l e m e n t ； t e m p e r a t u r ef i e l d i i 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文题目：整体型挝盟接煜鲍煜接邀庄选丝盟究 作者签名：生窖k 釜日期：和。9年上月膳日 人连理l ：人学硕十学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位期间 论文工作的知识产权属于大连理工大学，允许论文被查阅和借阅。学校有 权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，可以将 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。 学位论文题目： 照签型挝殖接煜鲍煜接题庄选丝盟究 作者签名：兰! 魈日期：垄1 2年j l 月j l 日 导师签名：奎抱羞日期：圣型年生月三生日 人连理l ：人学硕十学位论文 1绪论 1 1 选题背景和意义 船体结构属于一种典型的构造复杂、刚性较大的焊接结构。船体的各种纵向、横向 构件都是通过焊接连接在一起，所以焊接构件应用于船体建造的各个工序中。从零件的 装焊到分段总段的合拢，钢结构的焊接贯穿整个过程，但焊接接头内部存在着复杂的焊 接应力和应变，直接关系着船体的强度和韧性。如果焊接应力和焊接变形不合理，即不 利于后序焊接工作的进行，又影响船舶建造精度的控制，最终影响船舶的整体质量。但 焊接是个极其复杂的高温、动态、瞬时过程，在这个过程中由于非平衡加热、冷却导致 了焊接结构高动态的应力应变过程，因而不可避免地产生了焊接应力和应变。而焊接应 力和变形不仅使得船体构件的强度、韧性下降，并且能导致焊接部位产生应力腐蚀开裂， 对结构的断裂特性、疲劳强度和形状尺寸精度产生极为不利的影响。 从微观上讲焊接是两种或两种以上材料通过原子或分子结合或扩散形成永久性的 联接，宏观上焊接就是一个快速加热到高温，并随后快速冷却的过程。焊接过程中的物 理现象包括焊接时的电磁、传热过程、金属的熔化和凝固、冷却时的相变、焊接应力和 变形等。要想对焊接结果加以控制必须考虑焊接过程的所有因素，在研究焊接生产技术 时，传统方式往往采用试验手段作为基本方法，但大量的焊接试验增加了生产的成本， 同时需要了大量人力物力，不能全面预测和分析焊接对整个结构的力学特性影响。随着 有限元技术和计算机技术的飞速发展，为焊接的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束实现。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。在利用计算机对焊接过程的数值模拟过 程中，通过给各种焊接方式、焊接顺序的模拟，借助计算机得出最佳焊接工艺方式。通 过计算机模拟实现对焊接残余应力应变的控制和消除，能节约大量的焊接成本，并得到 较为精确的焊接结果，为实际焊接提供指导，在工程实践中创造可观的经济效益。 在造船业发展中焊接代替铆接以后，通过大量的实践和研究，船舶焊接工艺得到迅 速的发展，形成了交完整的船舶焊接工艺系统，为船舶建造向自动化、大型化、专业化 发展提供了可靠的技术保证。不可避免的焊接结构也有一些缺点，由于焊接采用局部加 热，所以焊接后构件的刚性不可避免地产生焊接应力和变形。研究如何克服和减小焊接 的应力和变形有重要的工程意义。在船体装配过程中，构件通过焊接联接在一起，在现 有的焊接设备和工艺下，选择合理的焊接顺序是保证焊接质量、减少焊接变形和焊接应 力的便利手段。如果焊接顺序不合理将会造成构件在焊接后出现局部应力集中或者应力 船体刑材对接焊的焊接顺序优化研究 过大，造成船体构件产生较大的小合理变形，增加后期矫正的工作量；还可能导致船体 结构和焊缝脆性断裂，甚至导致整个构件的报废。通过现有焊接模拟技术，并根据船体 焊接的自身特点，选取船舶建造中最常见的焊接结构( 型材对接焊) 为研究对象。通过 有限元软件建立焊接模型，并模拟焊接加热和冷却整个过程。对焊接构件多种焊接顺序 的方案进行模拟，对比各个方案的焊接残余应力和应变的的数值结果，找到型材对接焊 接的应力应变规律，得出焊接顺序的最佳方案。 1 2 焊接应力与变形成因和影响因素 焊接过程中，由于焊接热源在焊件上局部加热，且加热温度较高的特点，使焊件金 属各部位受热膨胀与冷却收缩不同，这样经过焊接加工后焊件中就产生了应力和应变。 物体受外力作用其内部会产生应力，应力的大小与外力的大小成j 下比，与受力物体 的载面积成法比，方向相反。当物体受到不均匀作用( 不均匀的加热) ，作用取消后物 体内部也会产生内应力。内应力按其产生原因可分为温度应力、残余应力和组织应力。 温度应力是由于构件受热不均匀，变形是符合材料力学中的“平面假设原理 引起的。 温度应力不是在外力的作用下产生的，而是由于不均匀加热造成的，如果温度不高产生 的温度应力低于材料的屈服极限，当温度均匀化后，热应力将随之消失。残余应力是由 于不均匀温度场造成的内应力达到材料的屈服极限，是局部受热区域产生压缩的塑性变 形。当温度恢复到原始的均匀状态后，将产生新的内应力，新内应力的温度均匀后残存 在物体中就称之为残余应力。 物体在某些外界条件( 如应力、温度等) 的作用下，其形状和尺寸发生变化称作变 形，变形形式有： 1 自由变形某金属物体温度发生变化或产生相变，它的尺寸和形状就会发生变化， 如果变化没有受到外界的任何阻碍能自由进行，这种变形称作自由变形。以金属杆为例， 温度为t o 时，其长度为k ，当温度由t o 升至t t 时，如不受阻碍杆长将由k 增长至l l ， 这段长度的改变就是自由变形，可用下式表示： a l r = 口l o 孵一r o ) ( 1 1 ) 式中，口为金属的热膨胀系数。 单位长度上的自由变形量称作自由变形率，用岛表示 a ， 岛= 竺2 = 口i 乃一只) ( 1 2 ) 。 厶 人连理i ：人学硕十学位论文 2 外观变形在温度变化过程中金属物体变形受阻，不能自由变形，只能部分表现出 来，能够表现出来的这部分变形称作外观变形，用址表示。外观变形率可用下式表 示： 乞：等 ( 1 3 ) 3 外部变形未表现出来的那部分变形称作内部变形，内部变形数值是自由变形矛u j , i - 观变形，内部变形数值是自由变形和外观变形之差。因杆件受压为负值，可用下式表示： 址= 一( 缸r 一缸) = 他一屿 ( 1 4 ) 内部变形率用下式表示： 占：丝( 1 5 ) 厶 应力一应变关系 通过图1 1 材料试验的应力一应变图可得，在弹性范围内，应力与应变的线性关 系，可用虎克定律表示。 仃= e 占= e 也一岛) 对于低碳钢，应力一应变曲线可简化为o b c d e 线，即当试件中的应力达到材料的 屈服极限后不再升高。 图1 1 拉伸应力一麻变曲线 f i g 1 1 l o w c a r b o ns t e e ls t r e s sa n ds t r a i ng r a p h 1 拉伸受阻但可自由收缩；金属杆件加热伸长受阻，长度不能自由增长，杆件中将 产生内部变形。如果内部变形率的绝对值小于金属屈服时的变形率h l 6 s ，说明杆件受 到小于仃。的应力的作用。杆件温度从墨恢复到t o 时，可自由收缩的杆件将恢复到原来 的长度厶，杆件中不存在应力。 船体刑材对接焊的焊接顺序优化研究 2 伸长受阻自由收缩；杆件温度升高达到z 时，杆件的内部变形率将大于金属的 屈服变形率，即k f s 。此时，加热至高温的杆件中不但产生达到屈服极限的应力， 同时还产生压缩塑性变形，数值为i ，l = 乞一岛l _ 6 s 。杆件温度由互恢复到r o 时，杆件 比原来长度缩短址。，杆件中不存在内应力【i 】。 1 3 焊接研究现状概述 在焊接技术普及以后，焊接变形和应力对构件的影响越来越突出，因而受到了越来 越多工程人员的重视。从上个世纪以来很多研究者在这个方面做了大量的工作，并取得 大量理论成果，特别是计算机技术出现以后，焊接变形和应力测试技术不断提高，对残 余应力的测量的精度大大提高，数据更加准确。计算机运算速度的提高为焊接变形和应 力的模拟提供了前提，数值分析法得到应用。 早在2 0 世纪3 0 年代就丌始了焊接应力和应变的研究，由于受到当时技术条件和测 量手段的限制，研究工作只是在实验室展开，记录各类简单的基本焊接模型变形情况。 由于实际焊接构件比较复杂，不能完全依靠基本焊件的变形来估算，所以实验法只能用 于简单焊接构件的变形情况。焊接应力方面由于受到测量条件的限制，无法得到精确的 结果。 有限单元法是一种求解数学物理问题的数值计算法，将连续的物体离散化，分解为 有限个单元组成的模型，进而对离散化的模型求解。2 0 世纪4 0 年代有限元思想已经提 出，5 0 年代最早用于飞机设计。此后该方法广泛的应用到结构分析、流体力学、电磁场 等物理和工程问题。由于有限元法采用矩阵形式表达，便于计算机编制程序，随着计算 机技术的发展，有限元在焊接领域的应用也更加广泛，焊接热传导，热弹塑性应力和应 变等焊接模拟的各个方面。目前在进行有限元分析的商业软件也得到了全面的发展，如： m a r c ，a n s y s ，a b a q u s ，n a s t r a n 等都进行焊接的有限元模拟。这些大型有限 元分析软件都具有划分网格和自动整理计算结果，并形成可视化图形的前后处理的强大 功能。 7 0 年代初，上田幸雄等人以有限元法为基础，应用材料机械性能与温度有关热弹塑 性理论，导出了分析所需的各个表达式，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，他们有发展了基于线弹性有限元的固有应变理论，解决了热弹塑性有限 元计算过程复杂、收敛困难等问题【2 1 。美国的h d h i b b i t 和p v m a r c a l 将有限元用于 焊接领域的残余应力的预测，将一个平板上气体保护焊还原抽象化为一个轴对称的模 型，采用无耦合模型进行模拟。其后h d h i b b i t 等人在焊接残余应力和变形的预测和控 人_ 连理l ：人学硕t 学位论文 制方而进行了深入的研究工作，并取得了大量的成果1 3 儿引。9 0 年代，d a n i e w i c zs r 对大 型海洋船体结构进行了试验和数值模拟的研究，在有限元结构分析的模型中加入固有收 缩量，利用线弹性有限元预测了船体结构的焊接变形【5 】。1 9 9 1 年j o s e f e n 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1 6 j 。加拿大的j g o l d a k 等对 从熔点到室温的焊接热应力进行了分析研究，提出了各个温度段的木构方程：在温度低 于0 5 倍熔点时速率不依赖性或弹塑性；温度从0 5 倍熔点到0 8 倍熔点时速率依赖性或 粘弹塑性；温度超过0 8 倍熔点时为线粘塑性模型【1 7 1 。瑞典的l k a r l s s o n 等对大板拼接 的焊接变形和应力进行研究，分析了焊缝d 仃端间隙的变化和点固焊的影响，另外还采用 同样方法对薄壁管子的焊接残余应力和变形进行了分析，还提出了采用辅助热源防止单 面焊终端裂纹的有效方法【8 】。b a n d e r s o n 等人对平面应力条件下的平板对接应力场进行 了数值模拟，考虑了材料性能随温度的变化及动态应变强化效应【9 】。t s o l i a n gt e n g 等 对t 形接头角焊缝进行了热弹塑性有限元模拟，分析了焊接过程的热力行为与焊接残余 应力和角变形问题川。 国内对焊接应力和变形起步于2 0 世纪8 0 年代初，首先是西安交通大学，其后是上 海交通大学等学校就开始了关于焊接温度场和热弹塑性理论及数值分析方面的研究土 作。西安交通大学的楼志文等人把数值分析应用到焊接温度场和热弹塑性应力分析中， 编制了有限元分析程序，并对简单焊接问题进行分析。西安交通大学与沪东造船厂合作 对单面焊终端裂纹的产生机理和防止进行了试验和数值模拟研烈1 1 】。汪建华研究了薄板 焊接失稳变形，同时提出了预测焊接变形的残余塑变法，通过焊接热输入和板厚确定残 余塑变的总和及其所在位置，由一次弹性有限元计算预测较复杂焊接结构的焊接变形 【1 2 】【1 3 】。天津大学在焊接力学过程的数值模拟方面取得进步，鹿安理、董俊慧等人通过采 用有限元单元生死，消除了焊接构件中熔池变形对熔池尾部应力应变场的影响；通过加 大材料线膨胀系数的方法，考虑凝固收缩对熔池尾部应力应变场的影响；通过采用热弹 塑性力学方法处理了固相区的应力应变本构关系【1 4 】【1 5 】。陈仲波应用有限元软件a n s y s 对球罐环焊缝焊接过程进行数值模拟，同时对错边缺陷进行有限元计算及分析。通过对 焊接有限元模型的简化，只考虑焊接温度场对焊接应力场的影响，利用生死单元技术解 决了焊缝金属的熔敷问题【i 酬。大连交通学王成强采用非线性有限元法，用i - d e a s 软件 对时速2 0 0 k m 动车组转向架焊接构架建立有限元模型，用m s c m a r c 软件对焊接构 架侧梁进行有限元分析，通过改变焊接顺序来对侧梁变形进行数值模拟研究，对多种焊 接方案进行对比，进而通过对焊后残余变形的比较，得到焊接构架的焊接顺序优化顺序 旧。哈尔滨工业大学傅卫基于m a r c 求解器，用v b 语言开发中文界面的有限元前处理 系统，并建立某型号导弹油箱典型舱段结构焊接过程的有限元模型。分析不同焊接顺序 船体刑材对接焊的妒一接顺序优化研究 下结构的变形规律，并优化其焊接顺序，实现对结构的变形控制。并对导弹油箱壁板实 际结构进行焊接，测最壁板的焊后变形，并与模拟结果进行对比分析【l 引。哈尔滨工业大 学张利国等人研究了t 形接头焊接顺序的优化方案。在选择了合理的焊接热源形式和建 立优化的有限元模型的基础上，利用单元生死技术从多道焊、分段焊与多层焊的角度对 焊接顺序对t 形接头焊接残余应力场的影响进行数值分析【l 9 1 。 对于焊接应力与应变数值模拟其趋势是：通过计算机在建立精确的模拟模型，通过 精确的讨算获得焊接应力与变形的规律，为焊接应力应变的工程预测和控制提供条件。 由于早期受到计算机硬件计算能力和存储空间的限制，对大型复杂的焊接单元的研究无 法进行，即早期大运算量的焊接模拟计算机无法完成。随着计算机技术的发展，对于大 型复杂焊件的模拟提供了必要的条件，但运用焊机模拟技术对实际焊接工艺进行优化仍 有大量的问题亟待研究。 近年来焊接模拟技术不断向各个科研领域发展，较早的研究工作一般在温度场、应 力应变场中进行，而目前研究者已经进入到焊接模拟结构、性能等更高层面，部分研究 者初步进入到焊接的微观模拟方面。由独立的温度场、应力和应变场模拟进入到多重耦 合阶段；由原来单纯的实验模拟进入焊接工程实践、焊接工艺优化和消除残余应力等实 际应用阶段。经过多年的研究的发展，我国在焊接有限元模拟方面取得了很大的进步， 研发了一批面向商业化的大型软件，在焊接顺序优化模拟方面也取的了很大的成就，并 有部分研究成果已经应用于工程实践中，但是和发达国家相比还有很长的路要走。目前 只能以现有的成熟商业软件为基础，加快成熟数值模拟软件在生产实际中的应用，优化 现有的工艺水平，同时加快自身数值模拟软件的研发。伴随着我国计算机硬件和软件开 发技术的快速发展，焊接数值模拟技术必将广发应用到船舶焊接技术的研究及生产中， 提高船舶行业的焊接工艺水平，推动船舶生产制造的现代化、自动化进程，为我国成为 世界造船强国作出贡献。 1 4 焊接有限元模拟研究的不足 1 许多材料的热物理性( 比热容、导热系数、密度等) 数据在高温特别在接近熔化态 时还是空白，这就给非线性计算带来困难。 2 电弧的有效加热半径及热量分布形式与焊接方法和参数有关，目前也缺乏系统而 准确的资料。电弧热流通常采用高斯分布的形式，a g o l d a k 则提出了一个双椭圆的模 型。此外，对于角焊缝、坡口焊缝、多层焊缝等的热源分布形式也须进一步研究。 人迮理l ：人学硕f ：学位论文 3 焊接热源热效率的选取也是提高计算精度的问题之一。目前这方面的资料比较分 散，出入较大，必须根据实际焊接情况慎重选择。 4 焊接热传导分析一般基于固体导热微分方程式，没有考虑焊接熔池内部液态金属 的对流传热特点。通常这种方法对于焊接冶金分析以及焊接力学行为的分析己有足够的 精度，但如果精确的研究熔池的形状和尺寸以及内部的热传过程，那么必须进行焊接熔 池中流体动力学状态的分析【2 0 】。 1 5 课题的研究意义 在船舶焊接中，型材与型材的对接焊是最典型的焊接构件。在船舶分段的焊接和合 拢过程中，这种形式的对接焊贯穿于船舶焊接的这个过程，也是船舶建造中最典型的焊 接结构。在船舶建造规范中，对焊接材料、焊接工艺、质量检验及验收标准有明确的规 定，但是对于这种构件的焊接顺序没有明确的规定，各规范的要求也不尽相同。目前型 材对接焊的焊接顺序一般是按工人的经验或者随机进行焊接，缺少必要的规范规定，所 以本文对型材对接焊进行有限元模拟，并研究不同焊接顺序所产生的焊接应力和应变的 结果，通过对不同焊接结果的对比，得到最佳的焊接顺序为工程实践提供指导意义。在 型材对接焊中有四条焊缝：外板与外板的对接焊缝；腹板与腹板的对接焊缝；面板与面 板的对接焊缝；纵向构件与外板的角焊缝。四条焊缝按照合理的顺序进行排列，可以得 到多种焊接顺序排列结果。 利用有限元软件对焊接温度场与焊接应力场进行模拟，模拟型材对接焊的焊接过 程，模拟各种不同的焊接顺序，最后得到不同的有限元模拟结果。先对焊接温度场进行 模拟，得到焊件的焊接温度场，然后在进行冷却计算，得到焊接冷却过程的焊件温度场。 读取焊接过程和冷却过程各时刻的焊接温度具体计算数值，再通过单元转化将温度场单 元转化为应力应变场单元，最后可得到焊接过程应力和应变场的变化。分别计算不同焊 接顺序的有限元模型，及可得到对应的焊接应力和应变结果。最后通过对焊接结果的研 究分析，得到不同焊接顺序下的应力应变规律和最佳的焊接顺序方案。 1 6 课题的主要研究内容 通过有限元方法对船体构件的焊接应力和变形进行数值分析，并对多种焊接顺序方 案的结果进行对比分析，进而得到了最佳的焊接顺序方案。课题主要内容： 1 建立型材对接焊件的有限元模型，并对对焊接有限元模型的进行必要的简化，如 仅考虑温度场与应力场的单向藕合，即只考虑温度场对应力场的影响，忽略应力场对温 度场的作用。焊接模拟计算采用间接法，即先计算温度场，再读取温度场进行焊接应力 和应变的计算等。 船体j 弘材对接焊的焊接顺序优化研究 2 通过a n s y s 软件的a p d l 语占编写的程序，在焊接过程实现焊接热源的移动加 载和焊接加热后构件的冷却。并利用生死单元法模拟焊缝处单元的融化和凝固。 3 对型材对接焊的多种焊接顺序的模拟的温度场和应力场进行分析，得出不同焊接 顺序下焊接构件应力和应变在构件的分布规律，总结焊接后构件的焊接应力应变和焊接 顺序的关系。 4 通过对不同焊接顺序构件应力和应变的对比分析，得到最佳的焊接顺序，即焊接 残余应力最小和焊接变形最小的焊接方案 用a n s y s 软件对型材对接焊进行热弹塑性有限元分析，得到不同焊接顺序来下， 型材最终的焊接应力和应变。通过对焊接有应力应变的对比，得到最佳的焊接顺序，为 提高焊接工艺提供理论支持。 人连理i ：人学硕+ 学位论文 2 焊接过程有限元分析理论基础 2 1 有限元法 2 1 1 有限元法简介 有限元法( f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ) 是用有限个单元将连续的体结构离散化，并通过 对这有限个单元作分片插值，求解各种力学、物理问题的一种数值方法。 有限元法把连续体离散成有限个单元：如连续体的单元是各种形状( 如三角形、四 边形、六面体等) 的单元体。每个单元的场函数是只包含有限个待定节点参量的简单场 函数，这些单元场函数的集合就能近似代表整个连续体的场函数。根据能量方程或加权 残量方程可建立有限个待定参量的代数方程组，求解此离散方程组就得到有限元法的数 值解。有限元法已被广泛的应用于求解线性和非线性问题，并建立了各种形式的有限元 模型，应用于工程结构等问题。同时有限元法十分有效、通用性强、应用广泛，已有许 多大型或专用程序系统供工程设计使用，主流的有限元分析软件a b a q u s ，a n s y s ， a d i n a ，m s c n a s t r a n 等。 有限元方法能如此的快速的发展和广泛的应用，是因为有限元说具有独特的优越 性。有限元方法可以用任意形状的网格分割模型，还可以根据场函数的需要疏密有致的 布置节点，重要区域划分较密，增加计算精度；而次要区域划分较疏，提高运算速度； 同时对区域的形状有较大的适应性。有限元方法可以和计算机相结合，可以通过编制通 用的计算程序，进行有限元的计算。随着计算机硬件的发展，运算速度的提高，使有限 元法在工程实践中应用。 2 1 2 有限元方法分析的主要步骤 1 连续体的离散化。也就是将给定的物理系统分割成等价的有限元系统。一维结构 的有限单元为线段，二维连续休的有限单元为三角形、四边形，三维连续体的有限单元 可以是四面体、长方体或六面体，最典型的区分就是有无中节点。应用时必须决定单元 的类型、数目、大小和排列方式，以便能够合理地表示给定的物理系统。 2 选择位移模型。假设的位移函数或模型只是近似地表示了真实位移分布。通常假 设位移函数为多项式。实际应用中，没有一种多项式能够与实际位移完全一致。用户所 要做的是选择多项式的阶次，以使其在可以承受的计算时间内达到足够的精度。此外， 船体刑材对接焊的焊接顺序优化研究 还需要选择表示位移大小的参数，它们通常是节点的位移，但也可能包括节点位移的导 数。 3 用变分原理推导单元刚度矩阵。单元刚度矩阵是根据最小位能原理或者其他原理， 由单元材料和几何性质导出的平衡方程系数构成的。单元刚度矩阵将节点位移和节点力 联系起来，物体受到的分布力变换为节点处的等价集中力。刚度矩阵l k f 、节点力向量 伊y 和节点位移向量p y 的平衡关系表示为线性代数方程组：医r p 广= 扩y 4 集合整个离散化连续体的代数方程。也就是把各个单元的刚度矩阵集合成整个连 续体的刚度矩阵，把各个单元的节点力矢量集合为总的力和载荷矢量。最常用的原则是 要求节点能互相连接，即要求所有与某节点相关联的单元在该节点处的位移相同。但是 最近研究表明：该原则在某些情况下并不是必需的。总刚度矩阵l k l 、总载荷向量 f 以 及整个物体的节点位移向量) 之间构成整体平衡，其联立方程：k p = 扩 。这样得 出物理系统的基本方程后，还需要考虑其边界条件或初始条件，才能够使得整个方程封 闭。如何引入边界条件依赖于对系统的理解。 5 求解位移矢量。即求解上述代数方程，这种方程可能简单，也可能复杂，比如非 线性问题，在求解的每一步都要修正刚度和载荷矢量。 6 由节点位移计算出单元的应力和应变。视具体情况，可能还需要计算出其他一些 导出量，但这己是相对简单的了【2 1 1 。 2 2 焊接过程有限元分析特点 焊接结构明显的特点是有较大的焊接应力和变形。在焊接过程中，由于绝大部分焊 接方法都采用局部加热，所以不可避免地将产生焊接应力和变形。 焊接过程有限元分析特点： ( 1 ) 模型是三维的，至少在焊接区域如此，以反映内部和表面的不同冷却条件； ( 2 ) 由于快速加热和冷却，模拟的过程是高温瞬态的，具有与位移和时间相关的极不 相同的梯度场； ( 3 ) 由于材料的热力学行为，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，取决于局部加热的情况和力学的应力应变情况； ( 5 ) 焊接材料熔敷以及凝固后改变构件的连接状况； ( 6 ) 模拟材料的状态及显微组织变化； 人近理i ：人学硕十学化论文 如果在模型中某些j 、u j 题起主导作用，就不用全面的考虑上述的所有要点，这时在有 限元模型中只研究主要的影响参数，通过有限兀方法就可以给出确切的实际结果。比如 在焊接的温度场计算过程中就可以忽略高温相变问题。这就涉及到有限元模型简化问题 【2 2 】【2 3 】 o 2 3 焊接有限元模型的简化 在焊接热力学模拟时，通常着鼋考虑温度场、应力、变形及显微组织之问相互影响， 而忽略其它因素。实线箭头表示强烈的影响，虚线箭头表示较弱的影响。，影响焊接应 力应变的因素有焊接温度场和金属显微组织， 由于焊接应力应变场对温度场和显微组织的影响却很小，所以在分析时，一般仅考 虑单向藕合问题，即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 力场对它们的影响。在焊接的数值分析中，尽考虑焊接温度场对应力应变场的影响。 图2 1 温度场、应力场和变形场及显微组织状态场的相互影响 f i g 2 1 t h ei n t e r a c t i o nr e l a t i o n s h i po ft e m p e r a t u r ef i e l d ，s t r e s sf i e l d ，d e f o r m a t i o nf i e l da n d m i c r o s t r u c t u r e 2 4 焊接温度场的基本理论 2 4 1 传热学经典理论 热分析遵循热力学第一定律( 能量守恒定律) 对于一个封闭的系统： q 一矿= a u + a k e + a p e ( 2 1 ) 船体型材对接焊的焊接顺序优化研究 式中：q 一热量，w 一作功，u 一系统内能，k e - 一系统动能，p e 一系统势能， 对于大多数工程热问题： a k e = a p e = 0( 2 2 ) 通常考虑没有作功： w = 0 ( 2 3 ) 对于稳态热分析： q = a u = 0 ( 2 4 ) 即流入系统的热量等于流出的热量 对于瞬态热分析： 口：型 ( 2 5 ) 1 d t 即流入或流出的热传递速率q 等于系统内能的变化。 在焊接过程中，由于所以焊件是局部受热的，所以焊件中存在很大的温度差，因此， 无论是焊件内部还是焊件与周围介质之间都会发生热能的流动。根据传热学的理论，热 的传递有热传导、对流和辐射三种基本形式。 1 热传导；热传导是介质内无宏观运动时的传热现象。当物体内部存在温差，即存 在温度梯度时，热量从物体的高温内部传递到温度部分，而且不同温度的物体相互接触 时热量会从高温物体传递到低温物体。 温度随距离的变化程度以沿与等温面的垂直方向为最大。通常，将温度为( t + t ) 与两 相邻等温面的温度差t ，与两相邻等温血间垂直距离n 之比的极限称为温度梯度。温 度梯度的数学定义式为 ， a to t g r a 廊21 1 m ，l 枷石2 石 通常，将温度梯度的标量_ 0 t 也称为温度梯度。 o n ( 2 6 ) 描述热传导现象的物理定律为傅立叶定律( f o u r i e r sl a w ) ，其数学表达式为 d 9、8 t 兰= 一z d s瓠 ( 2 7 ) 人连理l ：人学硕 学位论文 式中：q 一热传导速率，即啦位时间传导的热，其方向与温度梯度的方向相反 s 一与热传导方向垂直的传热面( 等温面) 面积 入一物质的导热系数 上式所表达的就是著名的傅罩叶定律，又称热传导基本定律 2 对流；热对流是指固体的表面与它周围接触的流体之间，由于温差的存在引起的 热量的交换。高温物体表面常常发生对流现象。这是因为高温表面附近的空气因受热而 膨胀，密度降低并向上流动。与此同时，密度较大的冷空气下降并代替原来的受热空气。 热对流可以分为两类：自然对流和强制对流。 对流传热速率方程可以表示为 d q = 口仃一) d s ( 2 8 ) 式中：坦一局部对流传热速率 搬一微分传热面积 t 一固体表面温度 t 旷一气体或液体温度 a 一比例系数，又称局部对流传热系数 3 辐射传热定律：热辐射指物体由于具有温度而发射电磁能，并被其他物体吸收转 变为热的热量交换过程。温度体的辐射传热是其电磁波辐射过程，可穿过透明体，被不 透光的物体吸收后又转变成热能。一切温度高于绝对零度的物体都能产生热辐射，且物 体温度越高，单位时间辐射的热量越多。热传导和热对流都需要有传热介质，由于电磁 波的传播无需任何介质，所以热辐射无须任何介质，在真空中的热辐射是唯一的传热方 式。 热辐射定律：基尔霍夫辐射定律，普朗克辐射分布定律，斯蒂藩玻耳兹曼定律， 维恩位移定律。在工程中实践中，考虑两个或两个以上物体之间的辐射，系统中每个物 体同时辐射并吸收热量。 普朗克定律揭示了黑体的单色辐射能力瓦丑随波长变化的规律，其表达式为 = 篙 ( 2 9 ) 式中：t 一黑体的绝对温度，k 卜自然对数的底数 船体刑材对接焊的焊接顺序优化研究 c l 一3 7 4 3 1 0 1 6 w 。m 2 c 2 一1 4 3 8 7 1 0 - 2 m 。k 斯蒂芬玻尔兹曼定律揭示了黑体的辐射能力与其表面温度的关系， 瓯砜n c 糕t ) 4 汜 一黑体的辐射常数，其值为5 6 7 1 0 - 8 c o 一黑体的辐射系数，其值为5 6 7 斯蒂芬一玻尔兹曼定律，它表明黑体的辐射能力与其表面温度的四次方成正比。 2 4 2 焊接温度场的基本方程 在焊接过程中，焊接热输入和热传导对冶金过程、固念相变、组织性能和应力应变 等都有重要的影响。焊接是一个局部快速加热到高温，并随后快速冷却的过程。随着热 源的移动，整个焊接的温度随时问和空间急剧变化，材料的热物理性能也随温度剧烈化， 同时还存在熔化和相变的潜热现象。因此，焊接过程可看作非瞬态热传导过程。温度分 布根据能量守恒方程求得： p c _ 1 1 1 + d i v ( p u t ) = d i v ( k g r a d t ) + o ( 2 11 ) 不考虑传质过程时，可展开为： 胪詈= 丢( 兄篆) + 参( 旯等) + 昙( 五笔) + q c 2 2 ， 式中：q 一求解区域v 中的内热源强度 t _ 一温度场分布函数 入一导热系数 p 一材料密度 r 材料比热 上式为泛定方程，为了获得定解，需要给出定解条件，即微分方程的边界条件及初 值条件。焊接温度场的计算通常有下列几类边界条件： 人迩理l ：人学硕十学位论文 第一类边界条件，已知边界卜的温度值 五孥+ 兄挈，+ 力孥：c ( 五川) (一13)nn y2 21 3 九_ = 以，+ 九- = y + 允_ = ：2 = f ，【x ，u ( - c o y o z 第二类边界条件，己知边界上的热流密度分布 a 孥n x + 兄挈，z ，+ 兄挈刀：吼( 训石f ) ( 2 1 4 ) o 1 f c r y ( ，z 第三类边界条件，己知边界上的物体与周围介质间的热交换 兄娶，+ 兄挈，+ 力挈：屈( 乃一) (一15)n nn 21 5 九- = ，+ 九- = y + 力= ：= 肛( 2