（材料加工工程专业论文）中国低活化马氏体钢tig焊焊接的三维数值模拟.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 c l a m 钢( c h i n al o wa c t i v a t i o nm a r t e n s i t i cs t e e l ) 是中国研制的 具有完全自主知识产权的低活化马氏体钢，是我国在i t e r ( 国际热核 聚变实验堆、) 实验包层模块研究中的首选材料，作为焊接结构件在包 层模块中得到大量应用，因此c l a m 钢的焊接性是其走向实际应用 的关键技术之一。目前，我国已经开展了对c l a m 钢热等静压扩散 焊接的初步研究，为了适应聚变堆包层模块制造的发展需求，其它焊 接工艺如激光焊、氩弧焊、电子束焊以及焊接的热模拟分析等研究工 作显得尤为重要和紧迫。 本文应用a n s y s 有限元分析软件建立了平板对接焊和t 形焊的 三维有限元数学模型，并利用a p d l ( a n s y sp a r a m e t r i cd e s i g n l a n g u a g e ) 参数化语言实现了焊接热源的移动加载及参数化建模过 程。对c l a m 钢焊接过程的温度场、焊后残余应力与变形情况进行 了模拟分析。在不考虑相变情况下对平板对接焊和t 形焊的温度场、 焊后焊件上的残余应力分布和焊后变形进行了分析；探讨了焊件不同 位置在焊接过程中经历的焊接热循环以及不同时刻下焊件的温度分 布；分析了沿不同路径的焊后残余应力分布情况；并利用x 射线衍 射法对平板对接焊焊后焊件上的残余应力分布进行了测量，并与模拟 结果进行对比分析，模拟结果与实验结果吻合较好，从一定程度上证 明了模型的有效性。 关键词：c l a m 钢，有限元分析，温度场，残余应力，变形 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t a so n ek i n do fr a f m ( r e d u c e da c t i v a t i o nf e r r i t e m a r t e n s i t i c ) s t e e l s ，c l a m ( c h i n al o w a c t i v a t i o nm a r t e n s i t i c ) s t e e l i sd e v e l o p e da n d i t sp r o p e r t yr i g h ti sc o m p l e t e l yo w n e db yc h i n a i ti sw o r t ht ob et h e p r e f e r r e dm a t e r i a la n dl a r g e l ya p p l i e da st h es t r u c t u r a li nc h i n a si t e r ( i n t e r n a t i o n a lt h e r m o n u c l e a re x p e r i m e n t a lr e a c t o r ) t e s tb l a n k e tm o d u l e t h e r e f o r et h er e s e a r c ho fc l a ms t e e l sw e l d i n gp r o p e r t yi si m p e r a t i v e a tp r e s e n t ，p r i m a r ys t u d yo nh o ti s o s t a t i cp r e s s i n gd i f f u s i o nw e l d i n gh a s b e e nc a r d e do u ti nc h i n a ，i no r d e rt os a t i s f yt h er e q u i r e m e n t so ff u s i o n r e a c t o r sb l a n k e tm o d u l ed e v e l o p m e n t ，t h eo t h e rw e l d i n gp r o c e s ss u c ha s l a s e rw e l d i n g ，a r g o na r cw e l d i n g ，e l e c t r o nb e a mw e l d i n ga n dt h ew e l d i n g t h e r m a ls i m u l a t i o nt e c h n i q u ea r ee s p e c i a l l yi m p o r t a n ta n d u r g e n t t h r e ed i m e n s i o n a lf i n i t ee l e m e n tn u m e r i c a lm o d e lo fb u t tp l a t e s w e l d i n g a n d t - s h a p e w e l d i n g w e r ee s t a b l i s h e d u s i n g f e a s o f t w a r e - - a n s y s d y n a m i cs i m u l a t i o no ft h em o v i n go ft h ew e l d i n g h e a ts o u r c ea n dp a r a m e t r i cm o d e l i n gw e r er e a l i z e db yu s i n ga p d l ( a n s y sp a r a m e t r i cd e s i g nl a n g u a g e ) w e l d i n gt e m p e r a t u r ef i e l d ， w e l d i n gr e s i d u a ls t r e s sd i s t r i b u t i o na n ds t r u c t u r ed i s t o r t i o np r o b l e ma f t e r w e l d i n gw e r es i m u l a t e d a n da n a l y z e d t h eh e a tr e c y c l eo fd i f f e r e n t p o s i t i o na n dt h et e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o no nc o n d i t i o n so fd i f f e r e n tt i m e w e r ed i s c u s s e d ；a n a l y z e dw e l d i n gr e s i d u a ls t r e s sd i s t r i b u t i o na l o n gt h e p a t h sa n ds t r u c t u r ed i s t o r t i o np r o b l e ma f t e rw e l d i n gt a k i n gn oa c c o u n to f t h ep h a s et r a n s i t i o n ；s i m u l a t i v er e s u l t so fr e s i d u a ls t r e s sd i s t r i b u t i o no f b u t tp l a t e sw e l d i n gw a sv e r i f i e db yx r a yd i f f r a c t i o nm e a s u r e m e n ta n dt h e s i m u l a t i n gr e s u l t sa p p r o x i m a t e l ya g r e ew i t ht h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s ，i t p r o v e dt h ev a l i d i t yo ft h em o d e l ；t h es t u d yl a i daf o u n d a t i o nf o rf u r t h e r s i m u l a t i o nr e s e a r c hw o r ko fc l a mt i gw e l d i n g k e yw o r d s ：c l a ms t e e l ；f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ；t e m p e r a t u r ef i e l d ； r e s i d u a ls t r e s s ；d e f o r m a t i o n i i 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已注明引用的内容以外，本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。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。 学位论文作者签名：岁乡 日期： 加吵年，z 月 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部内容或部分内容编入 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。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用本授权书。 不保密 学位论文作者签名：岁萝 触7 年2 - 月口日 一嚅赵弋 年其2 z 日 江苏大学硕士学位论文 1 1 选题背景 第一章绪论 能源是整个世界发展和经济增长的最基本的驱动力，是人类赖以生存的基 础。随着全球工业化进程的飞速发展，能源消耗量的与日剧增，人类面临着两个 严峻的问题：一是能源危机，二是环境污染。目前作为人类主要能源的煤、石油、 天然气这些不可再生性能源已面临枯竭的境地，目前世界上常规能源的储量有的 只能维持半个世纪( 如石油) ，最多的也能维持一、两个世纪( 如煤) 人类生存 的需求。能源问题已经成为影响人类可持续发展的一个重要问题。清洁高效能源 的开发和利用，成为人类生存和发展的必须。 作为世界上最大的发展中国家，中国是一个能源生产和消费大国。能源生产 量仅次于美国和俄罗斯，居世界第三位；基本能源消费占世界总消费量的l 1 0 ， 中国又是一个以煤炭为主要能源的国家，发展经济与环境污染的矛盾比较突出。 近年来能源安全问题也日益成为国家生活乃至全社会关注的焦点，日益成为中国 战略安全的隐患和制约经济社会可持续发展的瓶颈。走能源可持续发展之路，从 大的能源结构来讲，还是要加快发展核电。 核能包括裂变能和聚变能两种主要形式。由于裂变堆核燃料( 主要是铀等重 金属元素) 的蕴藏极为有限，而且常规裂变反应产生带有很强放射性的核废料物 质无法处理，对环境造成很强的放射性污染，这些因素限制了裂变能的发展。而 聚变能燃料主要是氘和氚，在地球上储量非常丰富，其聚变产物是惰性物质氦， 对环境没有任何污染，而且释放出的能量是核裂变放出能量的3 4 倍，聚变堆是 次临界堆，是安全可控的【1 - 3 】。综上所述，可以看出，核聚变为人类摆脱能源危 机展现了美好的前景，聚变能的开发是人类未来能源的希望所在【钙】。 世界各国都在加紧研究受控核聚变装冕，我国从二十世纪五十年代后期开始 涉足受控核聚变反应的研究领域，并给予了相当的关注和支持。目前在磁约束和 惯性约束上都已建成了相当规模的研究装置，并取得了很多有自己特色的研究成 果。由我国自行设计、自行研制的全超导非圆截面核聚变实验装置( e a s t ) 是世 界上第一个同时具有全超导磁体和主动冷却结构的托卡马克( t o k a m a k ) 。它 江苏大学硕士学位论文 的建成使我国迈入了磁约束核聚变领域先进国家行列，标志我国的受控核聚变研 究已接近世界先进水平。我国于2 0 0 3 年参加i t e r ( 国际热核聚变实验反应堆) 重大国际合作项目。国际热核聚变实验堆项目由国际热核聚变实验堆组织承担， 总部设在法国南部普罗旺斯艾克斯附近的卡达拉奇。2 0 0 6 年中国i t e r 谈判联合 小组代表我国政府与欧盟、印度、日本、韩国、俄罗斯和美国共同草签了i t e r 计划协定，标志着i t e r 计划进入全面实施的准备阶段。i t e r 计划也被称为“人 造太阳”计划，是一个大型国际科技合作项目，该计划旨在建立世界上第一个受 控热核聚变实验反应堆，规模可与未来实用聚变反应堆相仿，用以解决建设聚变 电站的关键技术问题，为人类开发洁净新能源扫平道路。 材料问题是聚变能可否实现最终商业应用的关键问题之一，是目前世界上许 多国家聚变研究的一个主要领域【6 】。当今聚变设计中正在研究发展及计划使用低 活化结构材料，低活化材料的含义是经过若干年辐照后其放射性主要来自于短寿 命或中等寿命放射性元素。这样，合金材料放置3 0 0 年后其放射性水平将能够满 足手工处置条件。由于低活化铁素体马氏体钢钢( r a f m ) 具有较低的辐照肿胀和 热膨胀系数、较高的热导率等优良的热物理、机械性能以及相对较为成熟的技术 基础，因此被普遍认为是未来聚变示范堆和聚变动力堆的首选结构材料。目前世 界各国均在发展和研究各自的r a f m 钢，如日本的f 8 2 h 和j l f 1 ，欧洲的 e u r o f e r 9 7 以及美国的9 c r - 2 w v t a 等【7 捌。为了赶上国际聚变堆研究形势发展 的步伐，适应即将建造的i t e r 实验包层模块( t b m ) 和未来动力示范堆发展的需要， 从2 0 0 1 年开始，中科院等离子体物理研究所f d s ( f u s i o nd e s i g ns t u d y ) 团队在国家 自然科学基金、中科院知识创新工程、9 7 3 计划等项目的支持下与国内外多家单 位，如北京科技大学、中国原子能科学研究院、中科院金属研究所、日本国立聚 变科学研究所、西安交通大学等单位合作，开展了对中国低活化马氏体钢一 c l a m ( c h i n al o w a c t i v a t i o nm a r t e n s i t i c ) 钢的设计与研究，以发展具有中国自主知 识产权的、成分及性能优化的r a f m 钢。近几年来c l a m 钢的研究取得了较大 进展，c l a m 钢的熔炼制备规模已经达到吨级水平，铸锭成分重复可控，与j l f 一1 的辐照前性能对比测试显示，二者性能相当，且c l a m 钢部分性能更优越，目 前c l a m 钢的更高剂量的中子离子辐照实验等正在进一步的深入研究中。 在我国一系列i t e r 实验包层模块的设计研究中c l a m 钢是被认为是首选 2 江苏大学硕士学位论文 结构材料。而c l a m 钢的焊接技术和工艺关系到t b m 能否最终成功制造，是 c l a m 钢走向实际应用的关键技术之一【9 】。由于热等静压扩散焊接技术具有没有 热影响区、可实现复杂形状部件焊接等独特的优点，目前被普遍认为是将来托马 克装置第一壁及包层冷却板和强化板的制造技术，许多国家都对r a f m 钢的热 等静压焊接技术进行了比较全面的研究。目前我国已经开展了对c l a m 钢的热 等静压扩散焊接工艺研究，研究结果显示焊接接头拉伸与冲击性能已经接近基材 水平，达到了国际研究的先进水平，c l a m 钢的其它焊接工艺，如激光焊、电 子束焊接、氩弧焊以及焊接的热模拟分析等焊接技术正在计划之中【协1 1 】。为了适 应中国聚变堆包层及t b m 模块制造的发展需求，对c l a m 钢焊接的进一步研究 尤为重要和紧迫。 但对于这样一种新型钢仅通过焊接实验来积累经验，确定产品的生产工艺， 无论是资金还是时间上都要付出很高的代价。在实验基础上结合数值模拟的方 法，即可降低为确定工艺所做实验的成本又可以深入的理解焊接热过程的本质规 律，缩短产品的设计与制造周期，为了解c a l m 钢的焊接性能及制定合理的焊 接工艺提供更多的信息，因此，用数值模拟的方法研究c l a m 钢的焊接性具有 重要理论意义和实际应用价值。本文正是基于这一背景下，运用有限元分析软件 结合实验的方法对c l a m 钢1 g 焊的数值模拟进行了初步研究。 1 2 数值模拟技术及其在焊接中的应用 1 2 1 焊接数值模拟概述 焊接领域长期以来是以经验来解决实际生产问题，如焊接工艺一般是凭经验 来制定，通常是通过一系列试验或根据经验来获得可靠而经济的焊接结构。但对 于新型材料或新的工程结构，就没有多少经验可以凭借，若只依靠实验方法积累 数据将耗时、耗资，而且任何尝试和失败都有可能造成重大经济损失。另外在焊 接热循环过程中，焊件的温度场、应力与应变场都是与过程相关的，同时伴随着 复杂的非线性现象，如几何非线性，材料非线性和状态非线性，焊接热过程的影 响因素几乎都具有非线性行为，采用解析法无法解决热力过程的非线性问题，此 时数值模拟的方法将发挥其独特的优点和作用。 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 3 江苏大学硕士学位论文 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) 【1 2 】。正确的焊接数值模拟有助于我们对复杂焊接物理现象的本质和规律有进 步深入的了解，为解决焊接问题带来新思路和新方法。随着计算机软件与数值 模拟技术的发展，在焊接制造过程预测焊接工艺的可行性，并与焊接产品的设计、 开发与制造实现集成，是焊接从“技艺 走向制造科学的重要标志。数字化制造 的出现也要求设计人员借助于信息技术完成焊接建模以快速开发产品与工艺，减 少在实际生产过程中不协调因素的影响。通过数值模拟有助于产品开发人员选择 合适的焊接方法并更准确地预测焊接性能。将焊接热力模拟过程集成到产品设计 系统，可以减少产品设计到投入生产所需的时间，降低生产成本，减少返修，提 高生产率，同时可以通过数值模拟对严重影响产品质量的工艺行为结合经验数据 进行验证，有助于改进焊接产品的质量，加深对焊接工艺的了解，从而选择优化 的工艺。因此焊接数值模拟技术具有重要的理论意义和实际应用价值，在精益生 产和并行工程中，焊接数值分析具有巨大的工业发展潜力。 目前，焊接数值模拟已遍及各个焊接领域，主要研究内容包括以下几个方面： ( 1 ) 焊接热传导分析；( 2 ) 焊接熔池液体动力学；( 3 ) 电弧物理；( 4 ) 焊接冶金和焊接 接头组织性能的预测；( 5 ) 焊接应力与变形；( 6 ) 焊接过程中的氢扩散；( 7 ) 特殊焊 接过程的数值分析，如陶瓷金属连接、激光焊接、摩擦焊接和瞬态液相焊接等； ( 8 ) 焊接接头的力学行为。 有限元法起源于2 0 世纪5 0 年代航空工程中飞机结构的矩阵分析，由于它所 依据的理论的普遍性，几乎适用于所有连续介质和场的问题的求解。在焊接领域， 有限元法广泛用于焊接热传导、焊接热弹塑性应力和变形分析、焊接结构的断裂 力学分析等方面的研究。有限元法是将连续体离散化，分解为有限个单元组成的 离散化模型，进而对离散化模型求数值解。由于这种方法概念清晰，容易掌握， 有很强的灵活性和适用性，便于编制计算机程序，能充分利用计算机资源，因此 在各个工程领域得到广泛的应用【1 4 1 。 1 2 2 焊接数值模拟国内外研究现状 从上世纪5 0 年代开始，人们开始用数值法解决传热学中的温度分布问题， 4 江苏大学硕士学位论文 而真正意义上的焊接热过程数值分析始于2 0 世纪7 0 年代，1 9 6 6 年w i l s o n 和 n i c k l l 把有限元法用于固体热传导的分析计算中【1 5 】。7 0 年代有限元法逐渐在焊 接温度场的分析计算中使用。1 9 7 5 年加拿大的z p a l e y 和h d h i b b e r t 1 6 】用有限 差分法编制了可以分析非矩形截面以及常见的单层、双层u ，v 型坡口的焊接热 传导的计算机程序，考虑了材料物理性能与温度的关系，并将熔化区内的单元作 为加热的热源来处理，但忽略了向周围环境的散热损失，并假设工件为无限长。 1 9 7 6 年美国的gw k r u t z y l l7 】建立了二维温度场计算模型，考虑了动态的导热系 数和比热，并将其设为温度的函数，同时考虑相变潜热和辐射、对流的影响，建 立了温度场模拟技术的雏形，为其后的工作奠定了基础。加拿大学者j g o l d a k 1 8 _ 1 9 】等应用有限元对焊接温度场进行了比较详细的分析，提出一种新的双 椭球形焊接热模型该模型考虑了熔池内液体的流动和电磁力作用下，内部的磁流 体动力学情况，比较清楚的给出了熔化焊时能量密度分布的结果，并试图把焊接 电流、电压、焊速和焊丝直径等参数与模型中的有关参数联系起来，该模型不仅 适用于焊条电弧焊接，而且还可以用于埋弧焊，使焊接模拟有了进一步改进。之 后其他学者针对具体焊接方法提出了一些瞬态温度场分析模型。s o n t i 和 a m a t e a u l 2 0 提出铝合金激光深熔焊接热流二维有限元模型；t e k r i w a l l 2 1 】使用三维 有限元模型分析了气体保护焊的瞬态温度场；为了进一步分析焊接瞬态温度场， s w w h 、e h i l t o n 和d c j f a r r u g i a 等人利用大型有限元分析软件a b a q u s 模 拟厚板埋弧焊的焊接过程，比较分析了二维和三维有限元模型的计算结果，以及 不同焊接工艺参数和焊接接头的几何形状对焊接结果的影响，并与试验相比较， 成功预测了焊接温度场的分布【2 2 】。 上海交通大学的陈楚【2 3 1 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，在编制的相应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。并在脉冲t i g 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。武传松对m i g 及t i g 焊接热过程 做过较系统的数值研究，他在分析焊接热过程时，针对以往模型中只注重熔池外 部固体热传导的局限性，还特别考虑到熔池内部液体以对流为主的传热过程，指 出影响焊接熔池液体动力学状态及传热的因素，首先建立了电弧固定时焊接熔池 5 江苏大学硕士学位论文 内部液体流动状态及传热过程的二维数学模型；之后又与德国的ld r o n 建立了 运动电弧作用下焊接三维温度场数学模型【2 5 侧。上海交通大学汪建华【2 9 。3 0 1 等人和 日本大阪大学合作对三维问题进行了一系列的有限元分析研究，探索了焊接温度 场的三维分布特点和提高计算精度的若干途径。西安交通大学蔡洪能【”】等引入 表面双椭圆热源分布模型，编制相应程序，用该模型对t i g 焊接温度场进行了 分析计算，得出了t i g 焊接熔池的形状、尺寸和热影响区的温度分布，计算结 果与实验结果吻合较好。 焊接过程中应力应变的研究工作始于二十世纪三十年代，直到六十年代，随 着计算机的推广应用，焊接应力应变的数值模拟才发展起来。2 0 世纪7 0 年代初， 日本大阪大学的上田幸雄教授【3 2 】等人首先以有限元法为基础，提出考虑材料力 学性能与温度有关的焊接热弹塑性分析理论，推导出分析焊接应力应变过程的表 达式，从而使复杂的动态焊接应力应变的分析成为可能。此后，美国h d h i b b e r t ， e f r y b l i c k i ，y i a m u k 以及美国m i t 的k m a s u b u c h i 等在焊接残余应力和变形的 预测和控制方面进行了许多研究工作。a n d e r s o n l 3 3 - 3 4 分析了平板埋弧焊时的热应 力，并考虑了相变的影响十年代后有限元技术日益成熟，对焊接应力应变过程及 残余应力的分布规律的认识不断深入。1 9 8 5 年b l j o n s o n 等人通过大量的数值 模拟计算，进一步提高了预测焊缝周围残余应力分布的精度，同时考虑了定位焊 对残余应力分布的影响【3 5 1 。进入九十年代，随着计算机性能的进一步提高，对 焊接应力应变的研究更加深入。1 9 9 1 年m a h i n 3 6 】等人在研究中考虑了耦合的热 应力问题，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。美国的s h i m 3 7 】等人利用平面应 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。焊接应力应变三维问题的研 究也始于九十年代，瑞典的l k a r l s s o n 等对大板拼装的焊接应力和变形进行了研 究，其模型为三维板壳结合的焊接模型【3 8 】。近来英国焊接研究所开发了一个“结 构变形预测系统”( s d p s ) ，可以用来预测复杂结构的焊接变形。 国内在8 0 年代初西安交通大学和上海交通大学就开始了关于焊接热弹塑性 理论及在数值分析方面的研究。西安交通大学的楼志文【3 9 】等人把数值分析应用 到焊接温度场和热弹塑性应力场的分析中，编制了热弹塑性有限元分析程序，并 6 江苏大学硕士学位论文 对两个较简单的焊接问题进行分析。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有限元分析，开发了 二维平面变形和轴对称的焊接热弹塑性有限元分析程序，并在薄板、厚板和管子 等焊接应力分析方面得到成功应用，此后又引入了蠕变和高温相变的影响。近些 年来上海交通大学与日本大阪大学对三维焊接应力和变形问题进行了共同研究， 提出了改善计算精度和收敛性的若干途径，发展了有关的三维焊接分析程序，并 有不少成功的应用实例 4 0 - 4 2 。清华大学的梁陈剑等人进行了焊接数值模拟的网络 化和参数化方面的研究，实现了焊接数值模拟的远程化和智能化，消除了焊接数 值模拟在空间和技术上的限n t 4 3 1 。 综上所述，国内外学者们对焊接数值模拟做了不懈的努力，试图在焊接数值 模拟分析中全面的考虑各种影响因素，以便能真实的反应焊接热过程及应力应变 行为。在计算机技术日益发展的今天，采用数值模拟技术来模拟复杂的焊接现象 已经取得了很大进展，数值模拟技术已经渗入到焊接的各个领域，并取得了可喜 的成绩。然而这些研究还是初步的，还有待于进一步深入研究和发展以满足科学 研究和实际工程的需要。可以相信随着人们对焊接过程和现象认知的进一步深入 及计算机技术的高度发展，焊接数值模拟技术也将进一步发展并具有广阔的应用 前景。 1 3 课题研究的意义和主要内容 目前我国对c l a m 钢的研制工作还在深入之中，每一炉次的钢产量有限， 且要用来做大量的除焊接之外其它各种相关性能的研究工作，在c l a m 钢焊接 性能研究阶段，借助建模与仿真技术对焊接结构性能和可制造性进行模拟预测， 可以大大减少实验工作，缩短产品研究周期，并可以对实验中无法观察或定量分 析的焊接过程进行研究。通过数值模拟分析和少量的实验验证，可以更全面、深 入地分析c l a m 钢焊接行为。 本文应用a n s y s 有限元分析软件，在总结前人工作基础上，对c l a m 钢 t i g 焊建立三维有限元分析模型，通过数值模拟计算获得焊件在整个焊接过程中 的瞬态温度分布及熔池变化情况，并在温度场模拟基础上对焊接残余应力以及焊 后变形情况进行了模拟。通过对应力应变场模拟结果的分析及残余应力测定实 7 江苏大学硕士学位论文 验，来验证了模型的有效性和模拟结果的准确性，为c l a m 钢焊接模拟的进一 步研究打下基础。本文具体研究内容包括以下几部分： ( 1 ) 基于a n s y s 有限元分析软件，建立c l a m 钢t i g 焊平板对接焊和t 形 焊的三维有限元模型，采用双椭球热源模型，根据经验公式和模拟调试选取适当 的热源形状参数，使选取的热源模型在模拟过程中达到满意的熔池效果。 ( 2 ) 运用a p d l 参数化语言编程实现参数化建模过程，大大提高模型修改速 度，并结合生死单元技术实现焊接热源的移动加载，从而实现整个焊接过程的动 态模拟。 ( 3 ) 通过模拟计算对平板对接焊和t 形焊的瞬态温度场的分布和焊件不同位 置在焊接过程中经历的焊接热循环进行了分析。 ( 4 ) 采用热结构耦合技术，模拟了平板对接焊和t 形焊的焊后残余应力和变 形情况。 ( 5 ) 采用x 射线衍射法对平板对接焊焊件表面的样点进行残余应力测量，并 与模拟结果进行比较。 8 江苏大学硕士学位论文 第二章有限元分析过程 典型的a n s y s 有限元分析大致可分为3 个步骤：( 1 ) 建立有限元模型；( 2 ) 加 载和求解；( 3 ) 结果后处理和查看结果【4 6 1 。本文对焊接温度场和应力应变场采用 顺序耦合的分析方法进行分析，温度场和应力场的计算流程如图2 - 1 所示。 2 1 建模过程 图2 - 1 计算流程图 f i g 2 1f l o wc h a r to fn u m e r i c a lc a l c u l a t i o n 2 1 1 单元类型的选取及网格划分 本课题选用间接耦合方法，首先进行温度场计算，将温度场计算结果存储在 温度历程文件中，在随后的应力场计算中直接从温度历程文件读取温度数据，将 不同时刻的节点温度作为体载荷施加到结构分析中，从而实现热弹塑性应力应变 分析。网格划分时是由面网格拉伸成体网格，所以单元类型分三部分，一是划分 9 江苏大学硕士学位论文 面网格时选用的平面单元，二是热分析时选用的三维热单元，三是在结构分析时 选用的结构单元。由于焊接是一个温度随时问和空问都急剧变化的过程，温度梯 度很大。在焊接过程中，焊缝和热影响区的温度梯度变化较大，而远离焊缝的区 域，温度梯度变化相对较小。因此，在远离焊缝的区域网格划分的较粗，而在离 焊缝较近的区域进行网格细分。有限元分析中采用八节点六面体单元划分网格， 热分析中选用单元s o l i d ? o ，而在结构分析中将热单元转换为相应的结构单元 s o l i d 4 5 ，网格化模型如图2 - 2 所示。 ( a ) 平板焊 t 形焊 图2 - 2 网椿划分围 f i 昏2 - 2 g r i d m o d e l 2 12c l a m 钢性能参数 由于低活化铁素体，马氏体铜f r 删具有较低的辐照肿胀和热膨胀系数、较 高的热导率等优良的热物理性能、机械性能以及相对较为成熟的技术被普遍认为 江苏大学硕士学位论文 是未来聚变示范堆和聚变动力堆的首选结构，c l a m 钢的主要成分见表2 1 【4 7 郴】。 材料，热物理性能参数如图2 3 所示，在计算中认为材料各项同性，密度恒定为 7 7 8 k g c m 3 ，材料熔点在1 4 2 0 左右【4 9 】。 表2 - 1c l a m 钢的主要成分( 质量) t a b l e2 1t h em a i nc o m p o n e n t so fc l a ms t e e l ( m a s s ) 01 0 02 0 03 0 04 0 0 5 0 0 6 0 0 7 0 0 温度 图2 - 3c l a m 钢的物理i 生胄e 4 9 f i g2 - 3t h ep h y s i c a lp r o p e r t i e so fc l a m s t e e l 2 2 温度场计算过程 2 2 1 温度场分析理论 焊接热作用贯穿于整个焊接结构的制造过程中，是影响焊接质量和生产率的 主要因素之一。在焊接过程中需要对焊接区域进行加热，使其达到或超过材料的 熔点( 熔化焊) 或热塑性温度( 固相焊接) ，随后在冷却过程中形成焊缝和焊接 接头。这种焊接热过程具有局部性、瞬时性和不稳定性等特征，随着热源的移动 整个焊件的温度随时间和空间急剧变化，且材料的热物理参数如传导系数、比热 容、换热系数等均与焊接热循环过程相关，是温度的非线性函数，同时还存在熔 化潜热和相变潜热现象。因此，焊接温度场分析属于典型的非线性瞬态热传导问 0 o 0 0 0 0 o 0 0 0 的 为 柏 约 伯 江苏大学硕士学位论文 趑。 2 2 1 1 焊接温度场控制方程 三维瞬态热传导普遍微分方程式是根据傅立叶定律和能量守恒定律建立的。 体积元由x ，y ，z 三个方向输入的热能为a a x 、a q ，、, a a ：，传出的热能为a q x + 出、 a q y + 匆、a q = + 出，热流密度口( w m 2 ) 与温度梯度成正比，其矢量表示为 q ：一五望n ( 2 一3 一) 2 一以_ l j 五是导热系数；刀为单位法向矢量。则 a a x = q d y d z d t ( 2 4 ) q 肿出= g 抖出方d z d t ( 2 5 ) 在x 方向瞬时积累的热能为 d q = a q 一q _ 肿出= 一d q ，d y d z d t ( 2 - 6 ) 同理在y 、z 方向上瞬时积累的热能为 d o , = a q y a q , + 咖= 一d q y d r d z d t ( 2 - 7 ) d o ：= a q = 一q 2 + 出= 一由：d x d y d t ( 2 8 ) 体积元内总共所积累的热能为 d o = d o + d q y + d q = 一( d q 。d y d z d t + d q y d x d z d t + 由：d x d y d t ) ( 2 - 9 ) 由由，：誓出，由，：誓方，由：冬比再将式( 2 3 ) 代入式( 2 9 ) 得 呶 删o z 坦= t 昙( 羽+ 乃茜( 豺t 昙( 羽 一 协 另外，体积元实际所积累的热能为坦= c p d x d y d z d t ( 2 1 1 ) 又刀：一c 3 t d t ( 2 1 2 ) 由式( 2 1 1 ) 和( 2 1 2 ) 联立得 膨百c o t = 丢( 以罢) + 参一多 + 昙( 以警) ( 2 - 1 3 ) 1 2 江苏大学硕士学位论文 式中c 为比热；夕为密度：以，a ，屯分别为x ，y ，z 方向的导热系数；t 为温 度；t 为时间。 上式即热传导微分方程式，它是热加工中最基本的传热计算公式。它确立了 内部温度随空间和时间的变化关系。当考虑有内热源情况时，三维热传导微分方 程式为： 肛鲁=州胛、+号(勺琴+旦azft,五=塑azjkl嵯-) 1 + 孬 ( 2 出) 肛百2 + 万l 勺万，j + 一五一| + q 心上剖 孬为内热源强度。这样求解导热问题，实质上归结为对热传导微分方程式的求解。 当给出定解条件，即微分方程的边界条件和初始条件，即可获得定解【1 3 】【删。 2 2 1 2 焊接温度场有限元求解 由上可知热传导的微分方程是一组复杂的非线性偏微分方程，除了某些简单 的情形外，很难获得这些偏微分方程的精确解。在采用有限元法求解焊接热传导 问题时，通常是把一个求解微分方程的问题根据变分原理转化为求解泛函极值的 变分问题，然后对物体进行有限单元分割，把变分问题近似地表达成线性方程组， 求解线性方程组，将所得的解作为热传导问题的近似解。 瞬态导热时温度不仅是空间的函数，而且是时间的函数。所以在用有限元法 求解时，不仅要把求解区域r 离散化，还必须对时间域进行离散化。通常在空 间域离散时采用有限元法，而时间域离散则采用差分法。 空间域的离散就是将求解域r 离散化，把求解区域分成有限个单元，本文研 究的是三维瞬态温度场，在网格划分时采用的是八节点六面体单元。取其中任一 单元e ，其求解区域为r 的一个子域a r ，设它的节点为n ( i ) ，i = 1 ，2 8 ，则六面体 中任一点的温度t 离散到单元的八个节点上去，即用乙八个温度值来表示单元 中的温度场t ，则 t = 厂以。，l 2 疋8 ) ( 2 1 5 ) 通常表示为 t = 【f r( 2 1 6 ) 【】- 【n 1 ，。】( 2 1 7 ) 江苏大学硕士学位论文 防】- ( 2 1 8 ) n 瓜是插值计算得到的形函数表达式，且随单元形状和类型的不同而变化。由于 温度场已经离散到全部节点上去，泛函实际成为一个描述这些未知节点温度的多 元函数，泛函的变分问题转化为多元函数求极值的问题。 采用加列金的加权残数法，把所有单元进行有限元的总体合成可求得如下 瞵】p ) + 【c 】昙p ) = 尸) ( 2 1 9 ) 对任意时刻t ，式( 2 1 9 ) 可写成 k i v 。+ 【c 】昙留) ，= p ) ， ( 2 2 0 ) 式中 k 】导热矩阵，也称为温度刚度矩阵，【k 】= ( k 。1 。+ 【k ：1 8 ) ； 【c 】变温矩阵，它是考虑温度随时间变化的一个系数矩阵，是瞬态温度场计算 特有的一项，考虑系统内能的增加【c 】2 孕c 。】； 扩) 节点温度列向量 p ) 一k ；节点热流率向量，包含热生成，【p 】= 旺b 】8 + 心】8 + 【b 】。) 其中k ：为单元对热传导矩阵的贡献 附= 上y ( 等五警+ 等见等+ 掣兄警卜； 【k ：i 。为单元热交换边界对热传导矩阵的修正，【k ：1 8 = l 【】，口 n l d s ； 【c 】8 为单元对热熔矩阵的贡献， 【c 】。= 工r 【】，p c n d v ； 【只】8 为单元热源产生的温度载荷，嵋】。= 工y 【】rq 吖； 【b 】。为单元给定热流边界的温度载荷，【】。= l 【】丁筇； 暇】8 为单元对流换热边界的温度载荷，【b 】。= l 【】7 吮峦； 1 4 江苏大学硕士学位论文 a v e 0 单元区域，a s 为单元周界。式中的晖】， c 】，【用都与温度t 有关，其中 包含的p ，c ，g 和口也都是温度t 的函数，式( 2 1 9 ) 是一个非线性的微分方程组。 因为温度与时间相关，所以式( 2 1 9 ) 也随时间变化，用处理线性问题的方法处理 时间域的离散就不合适，而要采用加权差分法。 在每个时间步长垃内对于t + a t 点建立差分格式，秒是加权系数( 0 秒1 ) 利用泰勒公式将r 件& 和z 展开，对p 作同样处理，代入式( 2 1 9 ) 得 怯蚪口k 口妒出) ) = 怯蚪0 一日舡口归+ p 扫r + 0 - t 9 坳冲啦) 【c 口】， k 口】是根据t + o a t 时刻的温度z ( f + 锄) 代入而计算出来的。经过时间域的离 散化，就将一个非线性微分方程组转化成一个非线性代数方程组。下面就是如何 求解代数方程组的问题。式( 2 2 0 ) 可简化为 陋弦) = 扩 ( 2 2 2 ) 日】，垆】都是温度t 的函数。经过上述处理之后，非线性微分方程组就被化为非 线性的代数方程组。求解上述非线性方程组有许多方法，如直接迭代法、牛顿一 拉普森法、增量法、极小化法以及变步长外推法等。由于牛顿一拉普森法具有较 好的收敛性和较高的收敛率，使它成为求解各种类型非线性问题的重要近似方 法。在a n s y s 中求解非线性问题时大多也选用这种方法。 2 2 2 基本假设 依据上文分析对焊接过程作出几点假设及简化： ( 1 ) 材料为各向同性，密度恒定，其它热物性参数随温度变化； ( 2 ) 焊件初始温度为焊件的预热温度； ( 3 ) 忽略熔池内的液体的流动作用； ( 4 ) 忽略焊缝金属与母材材料特性的差异。 2 2 3 施加载荷及求解 在a n s y s 中通常以热流密度和生热率两种形式施加焊接热源载荷，对于可 以忽略熔敷金属填充作用时，一般将热源以热流密度作为面载荷的形式施加在单 江苏大学硕士学位论文 元上就可以得到较满意的结果，但对于开坡口焊缝或填角焊缝等，应将热源作为 焊缝单元内部生热处理，以生热率的形式施加载荷。本文采用双椭球热源以生热 率作为体载荷施加在焊缝单元上，由于焊接温度场的分析是典型的非线性瞬态热 传导问题，如果分析选项设置不当，通常会导致计算难收敛。因此在计算过程中 要对一些分析选项进行设定。 ( 1 ) 求解控制：首先打开瞬态分析选项、自动时间步长选项和热分析时间积分 选项以及结构分析积分选项。焊接中几何非线性的特点是大变形，焊接属于大应 变问题，因此在结构分析中打开大应变效应，大应变是指所产生的应变大到足够 引起单元形状的变化以至于引起刚度变化。为了加速计算收敛，激活线性搜索功 能。采用f u l ln e w t o n r a p h s o n ( 牛顿一拉普森) 方法进行平衡迭代并激活自适应下 降功能，本文热源模型是用函数功能器生成，a n s y s 默认为以表格方式加载， 因此载荷步中的载荷总是阶越的。 ( 2 ) 输出控制：计算结果的存储在默认情况下是只存储最后一个子步的计算结 果，为了跟踪整个过程中应力的变化情况，最好将每个载荷子步的计算结果都存 入结果文件中，但这样将使结果文件很大，有可能使磁盘空间不够，所以输出项 设置为只输出每个载荷步最后子步的结果。 2 2 4 热源选取 焊接热源模型是实现焊接过程数值模拟的基本条件，热源模型的选取不仅决 定了模拟过程中熔池的大小和形状，还与焊接温度场，应力应变场模拟的精确性 密切相关，因此一个合适的热源模型是焊接模拟过程中的重要部分。现有焊接热 源模式通常有以下几种形式：高斯热源、球状热源、椭球热源、双椭圆热源、双 椭球热源以及由两种热源叠加而成的复合热源等。高斯热源没考虑电弧挺度对熔 池的影响，其它几种都热源都考虑了电弧力的影响，几种热源模型的计算精度也 依次提高，但计算量也依次加大。基于a n d r e a si u n d b a c k 5 0 1 、m a w a h a b 5 1 】和 p n s a b a p a