（车辆工程专业论文）焊接构架侧梁残余应力数值模拟分析.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 转向架作为机车车辆的主要部件，对行车安全起着至关重要的作用，而 构架又是转向架的重要承载和传力构件，一般情况下构架由箱型结构梁组焊 而成。由于焊接过程中不可避免地产生残余应力，在一定条件下，残余应力 的存在使焊接构架在使用过程中产生裂纹甚至开裂，产生安全隐患。常用的 降低或消除焊接残余应力的方法是在焊后采用热处理或机械处理，但这些方 法在没有前期测量分析的情况下实施，消除效果的不确定性较大。因此，预 报、测量和分析焊接残余应力，根据其产生的原因和存在的规律性，采取相 应的技术措施减少其大小、改善其分布，这对提高焊接结构承载能力、延长 其使用寿命具有重要的工程实用价值。 本文分析了焊接残余应力数值模拟技术的特点以及国内外焊接应力研究 现状和进展，其中有限元数值分析方法受物体几何形状、边界条件和物理特 性的限制较少，实用性强、应用灵活等特点，越来越受到有关研究人员的关 注，但目前在焊接领域的应用尚不十分广泛。因此，本文在限元分析理论的 基础上，分别给出了焊接温度场及应力场的数学模型及有限元求解方法。以 热弹塑性有限元法为基础，采用有限元分析软件a n s y s 对t 型焊接接头和 箱型结构梁焊接过程中的温度场、动态应力以及焊后残余应力进行了数值模 拟分析。针对焊接转向架构架侧梁的残余应力数值模拟分析计算量大、时间 步长难以确定、计算结果难以收敛等问题，对单元的选择、网格的划分、时 间步长的选择以及边界条件参数的规范进行了研究，采用形状规则的无中间 节点的三维实体六面体单元进行网格划分，在近热源区域采用极细网格，远 热源区域则采用稀疏网格，较大程度地提高了计算效率。焊接热源的加载及 焊缝金属填充过程的模拟是焊接数值模拟技术的难点之一，本文采用单元生 死技术模拟焊缝金属的填充过程，得到了与经典理论相符合的计算结果；采 用高斯热源模型模拟焊接热源，并通过a n s y s 参数化设计语言a p d l 编程 西南交通大学硕士研究生学位论文第l l 页 模拟热源移动，得出了t 型焊接接头及箱型结构梁的焊接温度场、热应力场 及残余应力的演化规律，为复杂焊接结构的数值模拟研究的可行性提供了依 据。 影响箱型结构梁残余应力的因素很多，其中焊接顺序对残余应力产生的 影响极大。本文参照t 型焊接接头有限元建模的步骤和方法，并建立局部坐 标系和定义各焊缝名称，通过互换局部坐标系模拟了四种不同焊接顺序下箱 型结构梁的焊接，得到不同焊接顺序下的焊接残余应力分布及其焊接变形， 这为焊接残余应力的控制以及焊接顺序的优化提供重要的依据，具有一定的 应用价值。 关键词：焊接；数值模拟；残余应力；t 型焊接接头；箱型结构 西南交通大学硕士研究生学位论文第1i l 页 a bs t r a c t a st h em a i nc o m p o n e n to fl o c o m o t i v e ，b o g i ep l a y sav i t a lr o l ef o rt r a f f i c s a f e t y a n dt h eb o g i ef r a m e ，w h i c hi sw e l d e db yb o xb e a m ，i st h em a i nc a r r y i n g a n dt r a n s f e r r i n gp o w e rp a r to fb o g i e a st h e r ei si n e v i t a b l yr e s i d u a ls t r e s si nt h e w e l d i n gp r o c e s s ，t h ef r a m e w o r k w i l lc r a c ko re v e nc r a z e ，i tw i l lg i v er i s et om a n y p o t e n t i a ls a f e t yp r o b l e m s c o m m o n l yu s e dm e t h o dt or e d u c eo re l i m i n a t et h e r e s i d u a ls t r e s so fw e l d i n gi st oh a v eh e a tt r e a t m e n to rm e c h a n i c a lt r e a t m e n ta f t e r t h ew e l d i n g h o w e v e r , w i t h o u tp r e d i c t i v ea n a l y s i s ，t h e r ei sg r e a tu n c e r t a i n t yo f t h ee l i m i n a t i o ne f f e c t t h e r e f o r e ，t h r o u g ht h ep r e d i c t i o n ，m e a s u r e m e n t ，a n d a n a l y s i so fw e l d i n g r e s i d u a ls t r e s s ，a n da c c o r d i n gt oi t sc a u s ea n de x i s t e n c er u l e ， w ec a nt a k ec o r r e s p o n d i n gm e a s u r e st or e d u c er e s i d u a ls t r e s sa n di m p r o v et h e d i s t r i b u t i o nc h a r a c t e r i s t i c s ，w h i c hh a sa ni m p o r t a n tp r o j e c tp r a c t i c a lv a l u ef o r i m p r o v i n gt h ec a r r y i n gc a p a c i t yo fw e l d e ds t r u c t u r ea n d t oe x t e n di t ss e r v i c el i f e t h ep a p e r a n a l y s e st h e c h a r a c t e r i s t i c so fn u m e r i c a ls i m u l a t i o na b o u t w e l d i n gr e s i d u a l s t r e s sa sw e l la st h es t a t u sa n dp r o g r e s so fw e l d i n gs t r e s s r e s e a r c hb o t ha th o m ea n da b r o a d f i n i t ee l e m e n tn u m e r i c a la n a l y s i sa t t r a c t st 、h e a t t e n t i o no fm o r ea n dm o r er e s e a r c h e r sb e c a u s ei ti ss e l d o ml i m i t e db yt h e g e o m e t r yo fo b j e c t s ，a n db o u n d a r yc o n d i t i o n sa n dp h y s i c a lc h a r a c t e r i s t i c s ，a n d a l s ob e c a u s ei ti sv e r yp r a c t i c a la n df l e x i b l ee t c h o w e v e r , i ti sn o tw i d e l yu s e di n w e l d i n gy e t t h e r e f o r e ，m a t h e m a t i c a lm o d e l sa n df i n i t e e l e m e n tm e t h o df o r w e l d i n gt e m p e r a t u r ef i e l da n ds t r e s sf i e l da r eg i v e ni nt h i sp a p e ro nt h eb a s i so f f i n i t ea n a l y s i st h e o r y a n dw i t ht h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i ss o f t w a r ea n s y s ，o n t h eb a s i so fe l a s t i c - p l a s t i cm e t h o d ，t h ep a p e rm a k e sn u m e r i c a ls i m u l a t i o no ft h e t e m p e r a t u r ef i e l d ，d y n a m i cs t r e s sa n dw e l d i n gr e s i d u a ls t r e s sf o rt h et - s h a p e w e l d e dj o i n t sa n db o xb e a ms t r u c t u r e a i m i n ga tt h ep r o b l e m st h a tt h e r ea r el o t s o fc a l c u l a t i o n sf o rt h ew e l d i n gr e s i d u a ls t r e s ss i m u l a t i o no ft h es i d eb e a mo f w e l d i n gb o g i ef l a m e ，a n di ti sd i f f i c u l tt od e t e r m i n et h et i m es t e p ，a n dt h er e s u l t s a r ed i f f i c u l tt oc o n v e r g e ，t h ea u t h o ro ft h ep a p e rr e s e a r c h e de l e m e n t ，m e s h ，t i m e s t e pa n db o u n d a r yc o n d i t i o n s ，a n du s er e g u l a rs h a p e d3 ds o l i dh e x a h e d r o n 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 v 页 e l e m e n tw i t h o u tm i d d l en o d et om e s h ，a n dr e f i n ei nt h en e a rh e a tr e g i o na n d s p a r s ei nt h ef a rh e a tr e g i o n ，w h i c he n h a n c e st h ec a l c u l a t i n ge f f i c i e n c y i t i s d i f f i c u l tt os i m u l a t eh e a ts o u r c ea n dt h ef i l l i n gp r o c e s so ft h em e t a l t h ep a p e r g e t s t h er e s u l t st h a tm a t c hw i t ht h ec l a s s i c a lt h e o r yb yu s i n gt h eb i a h - d e a t h e l e m e n tm e t h o dt os i m u l a t et h em e t a lf i l l i n gp r o c e s s t h ep a p e ra l s og e t st h e e v o l v e m e n to ft h ew e l d i n gt e m p e r a t u r ef i e l d ，h e a ts t r e s sf i e l da n dr e s i d u a ls t r e s s o ft h et - s h a p ew e l d e d jo i n t sa n db o xb e a ms t r u c t u r eb yg a u s sh e a ts o u r c em o d e l ， a n db ya p d lp r o g r a mt os i m u l a t et h eh e a ts o u r c em o v e m e n t ，w h i c hp r o v i d e s e v i d e n c ef o rt h ef e a s i b i l i t ys t u d yo ft h en u m e r i c a ls i m u l a t i o no fc o m p l e xw e l d i n g s t r u c t u r e t h ef a c t o r si m p a c t i n gt h er e s i d u a ls t r e s so fb o xb e a ma r en u m e r o u s ，a m o n g w h i c ht h ei m p o r t a n to n ei st h ew e l d i n gs e q u e n c e t h r o u g ht h ec o n s u l to ft h e m e t h o do ft - s h a p ew e l d e dj o i n t sf i n i t ee l e m e n tm o d e l i n g ，a n di n t e r c h a n g i n go f l o c a lc o o r d i n a t ew h i c hi se s t a b l i s h e d ，t h ep a p e rs i m u l a t et h eb o xb e a mw e l d i n g u n d e rf o u rd i f f e r e n to r d e la n dg e t st h ed i s t r i b u t i o no ft h ew e l d i n gr e s i d u a l s t r e s s e sa n dp e r m a n e n td e f o r m a t i o n t h ep a p e rh a sc e r t a i np r a c t i c a lv a l u ef o ri t p r o v i d e si m p o r t a n t d a t af o rt h ec o n t r o lo fw e l d i n gr e s i d u a ls t r e s sa n d o p t i m i z a t i o no fw e l d i n go r d e r k e yw o r d s ：w e l d i n g ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，r e s i d u a ls t r e s s ，t - s h a pw e l d e dj o i n t s ， b o xb e a m ， 西南交通大学 学位论文使用授权书 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。本人授权西南交通大学可以将 本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。 本学位论文属于 1 保密口，在_ 年后解密后适用本授权书。 2 不保事囹，适用本授权书。 ( 请在方框内打“”) 学位论文作者签名：美小叶指导教师签名：? 0 孚构 日期：2 0 0 8 年暑月陆日 日期：2 0 0 8 年乡月日 西南交通大学曲南父逋大罕 学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作 所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包括任何其他个人 或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体， 均已在文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律责任由本人承担。 本学位论文的主要创新点如下： 1 采用单元生死技术有效地模拟焊缝金属的填充过程，得到了与实际 相符合的计算结果： 2 采用高斯热源模型进行热源的模拟，并通过a n s y s 参数化设计语 言a p d l 模拟热源的移动，得到了焊接结构的焊接温度场、热应力 场及残余应力的演化规律； 3 通过互换局部坐标系模拟四种不同焊接顺序下的焊接，得到不同焊 接顺序下的焊接残余应力分布及焊接变形。这为选用合理的焊接顺 序、对焊接残余应力的分布状态进行控制提供重要的依据。 学位论文作者签名：点小叶 日期：2 0 0 8 年( 月1 1 ) 日 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1选题的背景及意义 焊接是一种将材料永久连接，并成为具有给定功能结构的制造技术。由于 焊接结构具有成本低、质量稳定、生产周期短、效率高、市场反应速度快、 适合制成形状复杂的结构等优点，因此广泛应用于国民经济的各个部门。例 如世界关注的长江三峡水利枢纽工程，其水电站的水轮机为世界最大、最重 的不锈钢焊接转轮；西气东输工程的天然气管线，全长约4 3 0 0 k m ，其中涉 及到大量的螺旋管焊接和直缝管焊接；“世界第一拱桥l 上海卢浦大桥， 全长3 9 0 0 m ，跨度5 5 0 m ，为世界跨度最大的全焊钢结构拱桥；上海的金茂 大厦也是采用焊接钢结构框架；“神舟”载人飞船和长征系列运载火箭的燃料 箱，都是全焊接的铝合金结构。 焊接已经渗透到制造业的各个领域，在国民经济建设和社会发展中发挥 着无可替代的重要作用。焊接质量的好坏将直接影响到产品的质量、可靠性 以及生产成本、效率和市场反应速度。但是焊接是一个极其复杂的高温、动 态、瞬时过程，焊接材料在高温时所发生的塑性变形或相变在冷却后被保留 下来，在构件内部形成了一个自相平衡的内应力场，即残余应力场，残余应 力的峰值往往达到或超过基体材料的屈服点应力，当这些焊接构件投入使用 时，它们所受载荷引起的工作应力与其内部的焊接残余应力相叠加，将导致 焊接构件产生二次变形和焊接残余应力的重新分布，从而降低焊接构件的刚 性和尺寸稳定性。焊接构件在焊接残余应力和工作温度、工作介质共同作用 下，其疲劳强度、抗脆断能力、抵抗应力腐蚀开裂和高温蠕变开裂的能力将 大大降低。 转向架作为机车车辆的主要部件，它对行车安全起着至关重要的作用， 其可靠性直接决定了机车车辆的行车安全，而构架作为转向架的重要承载和 传力构件，同时也是转向架上其它部件的安装定位基础，它不仅要支撑车体、 电机和各种零部件，还要传递车体与轮对之间的横向、垂向和纵向等各种力。 机车和客车转向架构架一般情况下由箱型结构梁组焊而成，各箱型结构梁在 焊接过程中，由于受到不均匀的温度场，从而导致受约束的热变形和塑性变 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 形，不可避免的产生残余应力，在一定条件下，残余应力的存在，使焊接构 架产生裂纹甚至开裂，形成许多安全隐患，严重情况下还会出现重大事故， 造成巨大经济损失。2 0 0 3 年对1 3 5 台2 0 9 t 型转向架的运用进行检查时发现， 有4 4 辆车在纵向牵引拉杆座的焊缝处发现不同程度的裂纹，最大裂纹长度有 5 0 m m ；此外，在对2 9 台在运的s s 7 d 型电力机车进行检查时发现，有7 台机 车在电机悬挂臂补强筋的焊缝处发现不同程度的裂纹，最大裂纹长度有 6 0 m m ；近年来，s s 6 b 、s s 7 、蓝箭等车型的电力机车牵引杆座根部都有裂纹 出现的情况；出口到越南的c k d 7 f 型9 0 2 、9 0 4 、9 0 7 号机车在2 0 0 3 年初出 现转向架构架侧梁开裂和构架电机吊座裂纹，严重危及机车行车安全并造成 极为不利的国际影响。经分析这些开裂的原因主要由于结构不合理和工艺不 合理引起局部焊接残余应力过高所致。焊接残余应力的存在还会使焊缝质量 得不到保证，导致部分产品提前失效，s y z 1 g 型转向架在试验中存在这一现象 【l 一5 1o 为了降低或消除焊接残余应力，通常在焊后通过热处理或经锤击、碾压、 喷丸( 砂) 、振动以及爆炸等机械作用产生的塑性变形来降低或消除焊接残余 应力，这些方法即耗时又耗资，而且，在锤击、碾压等机械作用过程中，可 能会在焊缝附近区域产生压裂现象。例如，s s 7 e 型电力机车转向架构架侧梁 在生产过程中，采用机械作用的方法来减少焊接残余应力，结果造成焊缝区 多次压裂现象，造成不必要的浪费【6 j 。因此，对焊接残余应力进行预报、测量 和分析，掌握其产生和存在的规律性，并采取相应的技术措施改善其分布特性， 对于提高焊接结构或接头的承载能力，延长使用寿命具有重要的工程实用价 值【7 1 。最初对焊接残余应力的预测和分析主要是依靠一些经验方法和简单数 学模型，这些经验方法的获取需要大量的实验，使产品的制造成本增加，制 造周期延长；而简单数学模型主要是在各种假设简化下求解得到的一些解析 表达式，但对于许多实际焊接结构而言，由于影响焊接残余应力因素非常复 杂，这些公式也往往只能提供一些定性的指导。随着计算机技术的发展以及 有限元等数值方法的应用，数值模拟方法广泛应用于工程中。使用数值模拟 方法预测焊接残余应力不但降低了为确定工艺参数所做的实验成本，而且可 以深入理解焊接变化规律，为减少、控制焊接残余应力提供更多的量化数据， 因此，本文以转向架构架侧梁为研究对象，采用有限元分析软件a n s y s 对t 型焊接接头和箱型结构梁焊接过程中的动态应力以及焊后残余应力进行了数 值模拟分析，实现对复杂工程焊接结构的模拟。通过建立局部坐标系并用互 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 换局部坐标系的方式改变焊接顺序，模拟了四种顺序，得到各焊接顺序下焊 接残余应力分布状况，并对各焊接残余变形量进行比较，得到四种焊接顺序 下的最优焊接顺序，这为选用合理的焊接顺序和方向，对焊接残余应力的分 布状态及变形量进行控制提供重要的数据依据，具有一定的应用价值。通过 对复杂或不可观察的焊接现象和过程进行进行定量分析，有助于我们认清焊 接现象本质，弄清焊接过程规律，为优化结构设计和工艺设计提供依据。 1 2 焊接数值模拟技术特点及难点 数值模拟的基础是能用数学模型来描述自然界或工程界所发生的现象， 通过数值模拟可以重现这些现象，从而使人们对产生这一现象的机制及各种 影响因素有更深的了解。当某一现象可以用数学模型推导或演绎求解时，所 获得的结果就是解析解。对于一些复杂的数学模型，例如，高阶的、非线性 的、与时域相关的微分或积分方法，往往只能求助于数值方法求解，数值解 法的工作量非常大，但这对于当今计算机技术以及数值技术理论发展水平来 说，这已不是不可克服的困难【8 1 。焊接数值模拟技术，实质上指的是计算机 数值模拟技术在焊接领域的应用，它以电子计算机为手段，通过数值计算和 图像显示的方法来描述一个焊接过程或一个焊接过程的某一个方面，以达到 对该过程的定量认识( 如焊接温度场、焊接热循环、焊接h a z 的硬度、焊接 区的强度、断裂韧性等) p j 。 1 2 1 焊接数值模拟技术的特点 焊接数值模拟主要包括以下几个方面：( 1 ) 焊接热过程的数值模拟；( 2 ) 焊接熔池液体流动及形状尺寸的数值模拟；( 3 ) 焊缝金属凝固和焊接接头相变 过程的数值模拟；( 4 ) 焊接应力和应变发展过程的数值模拟；( 5 ) 非均匀焊接接 头的力学行为的数值模拟：( 6 ) 焊接接头组织变化和热影响区氢扩散的数值模 拟；( 7 ) 焊接结构断裂韧性、疲劳裂纹扩展的数值模拟。 焊接数值模拟是采用数值分析方法、通过计算机求解的一个过程，常用 的数值分析方法有：( 1 ) 解析法；( 2 ) 蒙特卡洛法；( 3 ) 差分法；( 4 ) 有限元法。 解析法用在原函数难于找到的微积分计算中。常用的数值积分法有梯形 公式、辛普生公式、高斯求积法等。 蒙特卡洛法又称随机模拟法。即对某一问题做出一个适当的随机过程， 把随机过程的参数用由随机样本计算出的统计量的值来估计，从而由这个参 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 数找出最初所述问题中的所含未知量。 差分法的基础是用差商代替微商，相应的就把微分方程变为差分方程来 求解。差分法的主要优点是对于具有规则的几何特性和均匀的材料特性问题， 其程序设计和计算简单、易于掌握理解，但这种方法往往局限于规则的差分网 格，不够灵活。在焊接研究中，差分法常用于焊接热传导、熔池流体力学、氢 扩散等问题的分析【9 j 。 有限元法是讲连续的物体离散化，分解成有限个单元组成的模型，即进 行网格划分，进而对离散化模型求数值解，由于这种方法概念清晰，单元网 格划分形象、直观、不受物体几何形状、边界条件和物理特性的限制、实用 性强、非常灵活，因此在工程领域内得到广泛应用 1 0 j 。 目前在焊接过程数值模拟中，基本上是以有限元法为基础，以解析法、 有限差分法、蒙特卡洛法为辅，在实际应用中，各种方法常常相互交叉渗透。 1 2 2 焊接数值模拟技术的难点 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，并局部溶 化。焊接区材料受热而膨胀，热膨胀受到周围较冷区域的约束，并造成弹性 热应力。受热区域温度升高后屈服极限下降，热应力可部分地超过该屈服极 限，结果焊接区形成塑性的热压缩，冷却后比周围区域相对缩短、变窄，因 此，这个区域呈现拉伸残余应力，周围区域则承受压缩残余应力，冷却过程 显微组织的转变会引起体积的增加。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，则会导致焊接区产生压缩残余应力，周围屈服则 承受拉伸残余应力】。由此可知，产生焊接残余应力的根本原因是极不均匀 的焊接温度场导致的塑性应变和相变应变，为掌握焊接应力的变化规律，就 应对焊接温度场及焊接过程中的应力应变进行准确分析。焊接数值模拟技术 是计算机数值模拟技术在焊接领域的应用，但由于焊接过程本身的复杂性， 使得焊接数值模拟面临许多需要解决的问题，以下是焊接数值模拟技术中的 部分难点分析。 ( 1 ) 焊接结构三维模型中自由度数目庞大，计算时间冗长。 由于焊接构件特别是焊接区域需考虑内部和表面的不同冷却条件，在焊 接数值模拟分析中，若用二维代替三维分析将产生较大的误差，因此焊接有 限元分析的模型应该是三维的。而且，焊接热源高度集中，温度场分布极其 不均匀，因此，在划分网格时，网格密度需足够细才能满足精度要求。这样 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 一来就会使得焊接结构三维模型自由度数目庞大，计算时间相当冗长。 ( 2 ) 材料高温性能参数的缺乏。 焊接过程中焊接温度随时间急剧变化，这使得热物理性能参数和力学性 能参数等材料性能随温度呈高度非线性变化，但许多材料的性能参数( 比热、 导热系数、弹性模量、屈服强度等) 数据在高温特别是接近溶化态时还是空 白，某些材料仅是室温数据，这给非线性计算带来困难。 ( 3 ) 小步长导致计算量大，时间步长难以确定 由于焊接温度场、应力应变场是随时间变化的动态场，因此，在数值模 拟中需要将连续变化的焊接过程离散为若干个时间增量步，而每一时间增量 步中将动态场近似为稳态场进行分析。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变化，时间域上不得不用很多增量步描述这种快速变 化，而小增量步长必将造成大计算量，增大时间步长不仅不能真实的反映这 种温度场及应力应变场随时间急剧变化的过程，而且会导致计算无法收敛， 不能进行计算。因此时间步长的确定对计算精度和计算量有着很大的影响。 ( 4 ) 严重的材料非线性导致求解过程收敛困难 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。在数值模拟中，由于非线性变化需要在每一次瞬态分析中利用迭代 计算求解非线性矩阵，而且在系数矩阵中反映熔池部分的值与其他部分相比 是个小量，方正矩阵奇异性大，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【l 1 3 j 。 焊接领域的数值模拟技术虽然早在上个世纪六十年代就已经开始较为广 泛的研究，但由于上述原因，直到八十年代末九十年代初才开始进行简单焊 接接头的三维模拟【1 4 。9 1 。由此可知，焊接数值模拟技术发展之难足见一斑。 近年来，计算机软、硬件都在飞速发展，已经使原来许多不可行的问题得到 了解决，但对实际复杂构件的焊接过程进行数值模拟分析计算仍难实现。 1 3 焊接残余应力数值模拟技术的发展及研究现状 焊接是一个较复杂的过程，焊接中各种物理参数以及它们之间的相互影 响对焊接的残余应力分布和变形影响很大。早期关于焊接应力与变形研究主 要由实验得出很多工程应用的经验公式，这些经验公式主要解决的是一些较 为简单的问题。随着焊接热力模拟理论的不断发展，有限元技术的引入和计 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 算机技术日新月异的发展，有关焊接数值模拟技术的研究也在迅速发展 2 0 - 2 1 】。上个世纪六七十年代开始，国外开始于焊接应力应变的数值模拟研究， 并取得了不少成果。国内有关焊接残余应力的数值模拟技术的研究起步较晚， 但发展迅速【2 2 1 。 1 3 1国外对焊接残余应力数值模拟技术的研究进展 利用计算机研究焊接应力和变形问题始于2 0 世纪6 0 年代，主要研究一 维焊接应力的产生机制，1 9 6 1 年，t a l l 等人首次利用计算机对焊接热应力进 行计算，编制了一条沿板条中线进行堆焊的热应力一维分析程序“引。 2 0 世纪7 0 年代初，随着有限元技术的引入和计算机技术的发展，极大 的促进了焊接应力的数值模拟技术的研究，日本的u n d ay 等人首先以有限元 法为基础，提出了考虑材料力学性能与温度有关的焊接热一弹塑性分析理论， 导出了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过程的 分析成为可能。1 9 7 3 年，v a i d y a n a t h a n 利用板壳理论，在分析平板对接过程 焊接应力的基础上，提出了薄壁管对接环焊缝残余应力的计算方法，并将计 算结果与试验结果进行比较，结果表明，计算值与试验值吻合较好。但该方 法是作为二维应力状态模型得到的计算公式，对于厚壁管道的三维应力状态 就不再适用了。1 9 7 8 年，r y b i c k i 等人将管道对接环焊时的焊接应力问题进 行了适当的简化，即认为整个圆周上的焊接是同时作用在管道上的，将三维 焊接应力问题简化为轴对称问题【2 4 | 。 随着对热一弹塑性理论的深刻认识和有限元方法的广泛应用，德国学者 a r g y r i s 首次提出用弹一粘塑性组成的方程来分析焊接应力。接着，加拿大的 c h i d i a c 等人对a s s l 3 0 8 不锈钢材料分析了由焊接时引起的晶粒生长规律， 并用热一弹粘塑性方程来预测焊接热循环引起的残余应力，结果发现纵向应力 达到屈服应力值，而横向应力约为纵向应力的一半。瑞典的lk a r l s s o n 等人 对薄壁管道的焊接残余应力进行了分析，计算中考虑了材料性能的温度依赖 性和相变膨胀的影响。t e n gtl 对t 型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及角变形问题，应用死活单 元法模拟了焊缝金属的填充过程，并讨论了法兰厚度、焊接穿透深度以及约 束条件对焊接残余应力和变形的影响。1 9 9 7 年，lel i n d g r e n 等用三维热一 力耦合的有限元方法模拟了大型铜罐电子束焊接接头残余应力，并采用一种 新型自动重新划分网格的单元，结果发现，这种新型网格单元在不影响计算 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 精度的前提下可以节省6 0 的c p u 时间。同时这种跟随热源移动的更精密的 有限元网格可以更好地体现强烈的非线性热一力效应。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【2 3 - 2 6 。 1 3 2国内对焊接残余应力数值模拟技术的研究进展 国内对焊接残余应力数值模拟技术的研究主要开始于上个世纪8 0 年代 初，西安交通大学唐慕尧、楼志文等对焊接过程的力学行的数值模拟技术进 行了研究，把数值分析应用到焊接温度场和热一弹塑性应力场中去【27 1 。 上海交通大学同样也在焊接力学模拟方面进行了大量的研究，提出了求 解非线性热传导方程的变步长外推法，并编制了二维热一弹塑性有限元分析程 序，计算平板对接焊应力应变发展过程及残余应力分布。 刘仁培等人通过采用单元再生、单元死活方案，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，从而建立了一种计算凝固裂纹驱动力的有效方法 2 8 - 2 9 】 o 清华大学的鹿安理等针对实际结构应力和变形的数值模拟，研究了焊接 移动热源、动态可逆的自适应网格技术、焊缝熔敷金属填充的处理、并行计 算、材料性能在高温时的处理、降阶积分等关键性问题，提出了相似理论、快 速焊接变形实时测量在焊接数值模拟中的应用。并已应用于三峡1 2 0 0t 桥式 起重机主梁焊接变形的控制和大型挖掘机的工艺设计中 3 0 - 3 1 】。 董俊慧等利用a d i n a 非线性分析有限元程序，对低碳钢管道环焊缝接头 焊接残余应力进行有限元分析。在热弹塑性分析中考虑了材料热物理和力学 性能随温度的变化。结果表明，在管道接头内表面焊缝中心及近缝区轴向和环 向残余应力均为拉应力，随离开焊缝距离的增加，逐渐过渡为压应力；在管道 接头外表面焊缝中心处的轴向残余应力为压应力，而环向残余应力为拉应力， 计算预测值与实测值基本一致2 j p 2 。 哈尔滨工业大学的田锡唐教授进行了关于焊接热力过程有限元模拟等方 面的大量研究。航空工业制造研究所的关桥院士在焊接变形预测与控制方面 进行了深入的探讨，并在薄壁焊接结构第应力无变形控制技术方面取得了诸 多科研成果。天津大学的陈俊梅利用a n s y s 软件对q 2 3 5 b 钢的十字接头焊接 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 残余应力进行了研究。 1 4 有限元分析软件在焊接数值模拟技术中的应用及特点 随着有限元技术的发展与应用，以及近年来计算机技术的突飞猛进，优 秀的有限元计算分析软件已不在少数，目前在焊接领域应用广泛的有限元分 析软件有：a n s y s 、a b a q u s 、a d i n a 、n a s t r a n 、m a r c 等。各个软件所处理问 题的侧重点有所不同，各有各的优势。 a b a q u s 侧重于高级有限元程序的开发、材料的非线性研究等，专注于处 理最复杂的问题，它具有高效的非线性求解器、丰富而实用的非线性材料库， 他们的客户对象主要是大、中型企业。a b a q u s 有两个主要分析模块： a b a q u s s t a n d a r d 提供了通用的分析能力，如应力和变形、热交换、质量传 递等；a b a q u s e x p l i c i t 应用对时间进行显示积分求解，为处理复杂接触问 题提供了有力的工具，适合于分析短暂、瞬时的动态事件。 a d i n a 非线性有限元分析软件由著名的有限元专家、麻省理工学院的 k j b a t h e 教授领导开发。一直以来，a d i n a 在计算理论和求解问题的广泛性 方面处于全球领先的地位，尤其针对结构非线性、流固耦合等复杂问题的求 解具有强大优势，其单一系统即可进行结构、流体、热的耦合计算。并同时 具有隐式和显式两种时间积分算法。被业内人士认为是非线性有限元发展方 向的先导。 n a s t r a n 有限元分析系统是由美国国家宇航局( n a s a ) 在1 9 6 5 年委托美 国计算科学公司和贝尔航空系统公司开发的。该系统发展至今已有几十个版 本，是目前世界上规模最大、功能最强的有限元分析系统之一。n a s t r a n 在 航空航天领域有着很高的地位，早期主要用于航空航天方面的线性有限元分 析，后兼并了非线性分析软件m a r c ，具有强大的非线性分析功能。 a n s y s 软件是以有限元分析为基础的大型通用c a e 软件，它拥有丰富和 完善的单元库、材料模型库和求解器，其致力于耦合场的分析计算，能够进 行结构、流体、热、电磁四种场的计算，具有强大的热结构耦合、瞬态及非 线性分析能力，广泛应用于铁道，建筑和压力容器等各个方面。 本文以a n s y s 分析软件为手段，对复杂焊接结构焊接过程中的动态应力 以及焊后残余应力进行了数值模拟分析。 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 1 5 本文主要研究内容 由于焊接过程本身的复杂性，实际结构焊接数值模拟一直以来较难实现。 本文以转向架构架侧梁为研究对象，应用有限元分析软件a n s y s ，对t 型 焊接接头及箱型结构梁的焊接温度场和应力场进行有限元分析计算，为实际 结构焊接热应力和残余应力的数值模拟分析提供了可行的方法和依据。通过 分析箱型结构梁焊接顺序对残余应力的影响，改变不同的焊接顺序得到不同 的焊接残余应力值，这为解决箱型结构焊接残余应力问题具有普遍意义。本 文主要内容和章节安排如下： 第二章，主要介绍了焊接有限元分析计算的理论基础：温度热传导方程 和焊接热一弹塑性理论，并阐述焊接残余应力的影响因素及其控制措施。这为 后面实际结构焊接热应力及残余应力的数值模拟分析提供了理论依据。 第三章，基于第二章的理论基础，以有限元分析软件a n s y s 为计算工具， 详细介绍了焊接残余应力数值分析过程以及需解决的关键技术。对单元的选 择、网格的划分以及边界条件的确定予以规范。对如何模拟焊接热源移动问 题进行了分析和研究。 第四章，基于第三章提出的焊接有限元数值分析过程及关键技术，采用 有限元分析软件a n s y s 对t 型焊接接头焊接过程进行了数值模拟分析，得到 t 型焊接接头的温度场和应力场的数值模拟结果，通过对所得结果进行分析， 得到温度场、热应力场及残余应力的演化规律。 第五章，由于转向架构架侧梁为典型的箱型结构梁，因此以箱型结构梁 为研究对象，在t 型焊接接头技术实现的基础上，分析箱型梁焊接温度及应 力的变化规律。通过模拟四种顺序，得到各焊接顺序下焊接残余应力分布状 况，并对各焊接残余变形量进行比较，得到四种焊接顺序下的最优焊接顺序。 这为箱型结构梁的焊接顺序优化提供了可行的技术路线。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 第二章焊接过程有限元分析理论与方法 焊接过程是一个牵涉到电弧物理、传热、冶金和力学的复杂过程，影响 焊接残余应力、应变的因素有焊接温度场和金属显微组织。焊接温度场、显 微组织状态与应力应变三者之间的关系如图所示【l l 】： 图2 1温度、相燹、热应力三者之间的耦合效应 图中箭头表示三者之间的影响：实线表示强烈的影响，虚线表示较弱的 影响。从图2 - 1 可以看出，影响焊接应力应变的因素有焊接温度场和金属显 微组织，而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 焊接过程中应力应变场对焊接温度场和金属显微组织的影响。研究表明：对 于低碳钢，相变一般发生在较高的温度，此时材料的屈服强度很低，材料容 易变形，此时材料的相比应力也很低，它对最终的残余应力影响不大，可以 忽略不计。因此，焊接残余应力分析可以简化为热传导( 瞬时温度场) 和力学 平衡状态( 非线性应力应变场) 两个过程的分析计算【7 】【l l 】。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 2 1 焊接温度场分析 2 1 1焊接温度场的意义 焊接温度场通常是一个动态温度场，其温度分布及动态变化过程对焊接 接头的形态、金相组织、性能及应力变形等有着非常密切的关系。由于焊接 过程中施加的局部依从于单位时间的集中热输入，这种高度集中的热输入一 方面使得焊接温度场非常的不均匀和不稳定，从而产生焊接应力和变形，另 一方面它使焊接部位形成熔化区，在溶化区内，母材和填充金属均被熔化并 发生各种冶金反应，而在加热和冷却过程中，母材和填充金属还会发生显微 组织的转变，这些都会产生焊接应力和变形。因此焊接温度场不仅直接对焊 接应力应变产生影响，而且还间接通过金相组织及显微组织的变化来影响应 力应变。所以在分析焊接应力场之前首先应确定焊接温度场【i 。 2 1 2 温度场计算的数学模型 焊接温度场计算的数学模型即焊接热传导的微分方程。对于任何一种固 体材料，假定其求解域矿r 3 ，则v 内任何一点的瞬态温度丁g ，y ，z ，f ) 应满足 如下方程【1 0 】【2 i 】 3 3 】【3 4 】： 伊瓦0 t = 昙( 七罢) + ；卜等) + 导( 尼訇+ q c 2 此方程就是焊接热传导微分方程。 式中：q ( x ，y ，z ，f ) 求解域y 中的内部热源强度 j 导热系数 c 材料比热 p 材料密度 f 传热时间 其中，k ，c ，p 都随温度变化 上式为泛函方程，为获得定解，需给出定解条件，即微分方程的边界条 件及初始条件。假定f r 3 为求解域y 的边界，热分析过程中分三类边界条 件，即f = r 1ur 2ur 3 c 为给定温度边界条件，即一类边界条