（化工过程机械专业论文）基于ansys的特大型液压挖掘机主平台焊接模拟.pdf

硕士学位论文 摘要 生产制造特大型液压挖掘机是工程机械行业的发展趋势。工程机械产品的制 造主要由焊接结构件的制造、铸件的制造和机械加工等工序组成，其中焊接是一 道非常重要的工序。尤其对特大型液压挖掘机而言，如何控制此类产品的大结构 件焊接变形的经验极为缺乏。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。对各种焊接现象进行计算机模拟，可以通过计算机 系统来确定焊接各种结构和材料的最佳设计、最佳工艺方法和焊接参数。焊接过 程的计算机数值模拟，能以较低成本并有效地在焊接工艺进行之前对结构热应力 和变形进行分析，为实际生产制造中的焊接提供理论依据。 本课题的主要研究工作如下： ( 1 ) 针对液压挖掘机主平台底板及其v 型对接接头建立焊接温度场和焊接 应力应变场的三维移动热源有限元分析模型。考虑材料的热物理性能和力学性能 随温度的非线性变化，加载空气对流系数等边界条件，选择s o l i d 7 0 热力耦合 单元，配合有限元模型的热结构耦合场的计算，利用a p d l 语言编写程序，实 现焊接热源的动态加载。 ( 2 ) 针对v 型接头开坡口的焊缝的特点，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，同时考虑金属的填充作用，运用生死单元的方法， 逐步将填充焊缝转化为生单元参与计算中，模拟焊接的熔敷过程。 ( 3 ) 对液压挖掘机主平台底板的焊接温度场及应力场进行分析，研究其在焊 接进行过程中不同时刻的关键部位的温度场及应力场分布规律，获得其焊接变形 分布情况，以便工装夹具部位设计参数的确定。 ( 4 ) 对存在大厚度差的液压挖掘机主平台底板的v 型对接接头焊接温度场 及残余应力场进行整体分析，提出多种焊缝坡口设计方案，比较在相同焊接热输 入和焊接速度情况下，不同设计方案下的焊缝温度场和应力应变场的分布情况， 以得出合理的坡口设计尺寸，从而指导实际焊接中的结构设计及工艺的编制。 摘要 关键词：特大型液压挖掘机焊接数值模拟焊接变形坡口设计 i i 硕士学位论文 a b s t r a c t t h em a n u f a c t u r eo fl a r g e s c a l ee x c a v a t o ri st h et r e n do fd e v e l o p m e n ti n c o n s t r u c t i o nm a c h i n e r y w e l d i n gp r o c e s sh a sa ni m p o r t a n tr o l ei nt h em a n u f a c t u r eo f c o n s t r u c t i o nm a c h i n e r y , w h i c hi n c l u d i n gt h em a n u f a c t u r ep r o c e s so fw e l d i n g ，c a s t i n g a n dm a c h i n i n g t h e r el a c k so fe x p e r i e n c e si nc o n t r o l l i n gt h ew e l d i n g d e f o r m a t i o no f t h ew e l d i n gp r o c e s so ft h el a r g e - s c a l ee x c a v a t o r w e l d i n gi sac o m p l i c a t e d p h y s i c o c h e m i c a lp r o c e s sw h i c hi n v o l v e si n a r cp h y s i c s ，h e a tt r a n s f e r , m e t a l l u r g y , m e c h a n i c s t h e r ea r ee l e c t r o m a g n e t i s m ，h e a tt r a n s f e r r i n g ，m e t a lm e l t i n g ，s o l i d i f y i n g ， p h a s e c h a n g e ，w e l d i n gs t r e s sa n dd e f o r m a t i o na n ds oo ni nw e l d i n gp r o c e s s b y s i m u l a t i n gt h e s ew e l d i n gp r o c e s s ，t h eo p t i m u mc o n s t r u c t i o na n dm a t e r i a ld e s i g n ， t e c h n o l o g i c a lp r o c e s sa n dw e l d i n gp a r a m e t e r sc a nb eo b t a i n e d m a k i n gu s eo fv i r t u a l w e l d i n gt e c h n o l o g y , w e l d i n gt e m p e r a t u r ef i e l d ，s t r e s s a n dd e f o r m a t i o nw i l lb e a n a l y z e de f f e c t i v e l ya tl o wc o s t ，w h i c hw i l lp r o v i d eav a l u a b l ee n g i n e e r i n gr e f e r e n c e f o rt h ew e l d i n gp r o c e s s t h em a i nr e s e a r c hw o r k so f t l l i st h e s i sa r es h o l 啪a sf o l l o w s ： ( 1 ) t h r e e d i m e n s i o n a lm o d e lo ft h eb o t t o mp l a t eo fe x c a v a t o rp l a t f o r ma n di t s v - j o i n t sw e r ed e v e l o p e dt os i m u l a t ew e l d i n gt e m p e r a t u r ef i e l d ，s t r e s sa n dd e f o r m a t i o n t h i sp a p e rc h o s es u i t a b l em a t e r i a lp r o p e r t yp a r a m e t e r s ，w h i c hw e r en o n l i n e a rv a r y i n g w i t ht e m p e r a t u r e ，c o n s i d e r e ds o m eb o u n d a r yc o n d i t i o n ss u c ha sa i rc o n v e c t i o n ，c h o s e e l e m e n ts o l i d 7 0t om a t c ht h eb i d i r e c t i o n a lc o u p l ef e am o d e la n ds i m u l a t e dh e a t s o u r c ee x a c t l yb ya p d l ( 2 ) h e a ts o u r c ew a st r e a t e dw i t hh e a tg e n e r a t e ri nt h ew e l dc e l lo ft h ev - j o i n t ， w h i c hw a st h el o a do nt h ew e l d c o n s i d e r i n gt h ef i l l i n ge f f e c to fm e t a l ，t h ed e p o s i t i n g o fm e t a lw a ss i m u l a t e db yt h em e t h o do f “b i r t ha n dd e a t h ( 3 ) t h ew e l d i n gt e m p e r a t u r ef i e l da n dw e l d i n gs t r e s so ft h eb o t t o mp l a t eo f e x c a v a t o rp l a t f o r mw e r ea n a l y z e dt og e tt h ed i s t r i b u t i o no fw e l d i n gt e m p e r a t u r ef i e l d a n dw e l d i n gs t r e s sa n dd e f o r m a t i o n ，w h i c hw o u l dp r o v i d ed e s i g n e rw i t hr e f e r e n c et o i i i a b s t r a c t d e s i g nw e l d i n gf i x t u r e ( 4 ) t h ew e l d i n gt e m p e r a t u r ef i e l da n dw e l d i n gs t r e s so ft h ev - j o i n to ft h e e x c a v a t o rp l a t f o r mh a st h i c k n e s sd i f f e r e n c ew e r ea n a l y z e d ，c o m p a r i n gt h ed i s t r i b u t i o n o fw e l d i n g t e m p e r a t u r ef i e l da n dw e l d i n gs t r e s so fd i f f e r e n td e s i g n so fw e l dg r o o v e s a tt h es a m eh e a t l o a da n dw e l d i n gs p e e d ，w h i c hw o u l dp r o v i d e d e s i g n e rw i t h r e f e r e n c et oo p t i m i z ew e l d i n gs n u c t l l r ea n dw e l d i n g p r o c e s s k e y w o r d s ：l a r g e s c a l ee x c a v a t o r ；w e l d i n gp r o c e s s ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ； w e l d i n gd e f o r m a t i o n ；d e s i g no f w e l dg r o o v e s 硕士学位论文 目录 摘要i a b s t r a c t i 目录v 第1 章绪论1 1 1选题背景1 1 2 焊接模拟的国内外研究概况3 1 3 有限元软件在焊接热应力分析中的应用和发展1 0 1 4 本文的研究方法和主要内容，1 0 1 5 课题研究的意义1 1 1 6 论文各章的内容简介1 1 1 7 本章小结1 2 第2 章基于有限元法的虚拟焊接分析理论1 3 2 1 有限元方法的简介1 3 2 2 虚拟焊接过程有限元分析的特点1 5 2 3 虚拟焊接有限元模型的简化一1 6 2 4 虚拟焊接技术的分析理论1 7 2 4 1 焊接传热的基本形式1 7 2 4 2 虚拟焊接分析的基本方程1 8 2 5 虚拟焊接过程的三大准则2 1 2 5 1 屈服准则2 2 2 5 2 流动准则2 3 2 5 3 强化准则2 4 2 6 a n s y s 软件的基础2 5 2 6 1a n s y s 软件结构2 6 2 6 2a p d l 语言简介2 7 2 7 本章小结2 9 第3 章焊接温度场及应力场数值模拟3 0 3 1焊接温度场与应力场的计算方法3 0 3 2 焊接工艺3 2 3 3 温度场的计算3 3 3 3 1建模3 3 3 3 2 焊接热源载荷的施加4 0 3 3 3 温度场的求解设置4 6 3 3 4 主要求解命令流解析4 7 v 目录 3 4 焊接过程应力应变场的模拟分析。5 0 3 5 本章小结5 2 第4 章虚拟焊接计算结果分析5 3 4 1 4 2 4 3 4 4 4 5 第5 章总结与展望6 3 5 1 总结一6 3 5 2 展望6 4 参考文献一6 5 攻读硕士学位期间发表的论文7 0 致谢7 l 钌弘弱印酡 一 i | 一 一 ： ： | 一 一 一析一 一分析析案分分方理场场计处度力设 后温应口 接接接坡结焊焊焊的小拟拟拟缝章虚虚虚焊本 硕士学位论文 1 1 选题背景 第1 章绪论 焊接是通过加热和加压，或两者并用，并且用或不用填充材料，使工件达到 结合的一种工艺方法。由于焊接方法经济、灵活，能简化结构的构造细节，节约 材料，提高生产效率，改善工人劳动条件。因此，目前，工程机械、船舶、机车、 车辆、桥梁、锅炉等工业产品，以及能源工程、海洋工程、航空航天工程、石油 化工工程、大型厂房、高层建筑等重要结构，无一不采用焊接结构。焊接结构有 自己的特点，只有正确地认识它的特点，才能设计制造出性能良好、经济指标高 的焊接结构。历史上许多焊接结构失效的事例追其根源，多数与未考虑焊接结构 的特点有关。 焊接作为现代制造业必不可少的工艺，在材料加工领域一直占有重要地位。 但焊接是一个牵涉到电弧物理、传热、冶金和力学的复杂过程，要得到一个高质 量的焊接结构件必须要控制这些因素【1 1 。焊接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。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。 图1 - 1 焊接工艺要点 f i g u r e1 - 1m a i np o i n t s0 1 1w e l d i n gp r o c e s s 1 第1 章绪论 这些缺陷的产生主要是焊接时不合理的热过程引起的。由于高度集中的瞬时热输 入，在焊接过程中将产生很大的动态应力，焊后将产生相当大的焊接残余应力和 变形焊接残余变形、焊接收缩、焊接翘曲。焊接过程中产生的动态应力和焊后残 余应力将影响构件的变形和焊接缺陷，而且在定程度上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。 如图1 1 中的各焊接工艺要点对焊接质量有着决定性的影响，焊接工艺中各 关键参数包括：控制热输入；设计相应的工装夹具；合理布置焊缝，使其 对称布置，尽量和中性轴一致。避免焊缝汇交和密集，让次要焊缝中断而主要焊 缝连续，使其有利于主要焊缝的自动焊接；选择合理的焊缝接头形式，合理减 少坡口截面尺寸，降低构件受热量；采用合理的组对、焊接顺序；选择合理 的焊接方法；设计反变形方案；焊后去应力处理。而在长期的生产制造中， 基本都是主要依靠经验积累和实验测试，成本消耗巨大且焊接质量难以得到保 证，废品率高，降低企业生产效率，直接影响了企业的效益。尤其对大型液压挖 掘机而言，如何控制此类产品的大结构件焊接变形的经验极为缺乏，而且该产品 社会和经济意义重大，如果对如此大结构进行焊后矫形，那么其矫形难度之大， 矫形对结构材料的韧性可能产生的负面影响是不容忽视的。课题针对影响大型液 压挖掘机焊接结构件产品质量的主要因素焊接变形来进行研究，通过对焊接 结构件建立精确有效的数学模型，由计算机实现焊接结构件的具体加工和生产过 程的模拟和仿真，了解各工艺参数对结构件焊接变形的影响，为下一步的优化提 供参考依据；焊接过程的计算机数值模拟，能以较低成本并有效地在焊接工艺进 行之前对结构变形和内应力进行计算，通过调整焊接热输入参数、焊缝坡口设计、 焊接顺序、焊缝布置、工装夹具等，优化最终的焊接结果，为实际生产制造中的 焊接提供了理论依据，有利于避免上述缺陷，以保证产品质量，避免过大的焊接 变形和焊后矫形。通过对现有焊接制造工艺的模拟分析，并以此为基础，提出优 化的新的工艺方案；从而改善产品的质量，压缩产品生产周期，降低产品的开发 成本，提高企业的经济效益。 对于大型液压挖掘机，在焊接制造过程中，焊接结构件的变形问题尤为突出。 大型液压挖掘机不仅单价较高，而且销售数量低，企业的制造经验严重缺乏。( 1 ) 原有的制造小型液压挖掘机的成熟经验不适用；( 2 ) m 内大型液压挖掘机的生产 硕士学位论文 还处于探索状态，目前2 0 0 吨以上的大型液压挖掘机还很少有企业涉足，项目依 托的企业也仅仅处于起步阶段：上千万的单价，年销售数量只有几台，导致无法 积极有效的积累制造经验；( 3 ) 传统的通过物理样机试制的方法不适用。对于大 型液压挖掘机，销售数量本来就不大，对于物理样机的试制，成本消耗更是巨大， 通过试制来积累经验，对于企业来说是不能承受的；( 4 ) 焊后矫正或反复加工也 不适用。那么如何解决大型液压挖掘机制造过程中出现的焊接结构件的变形问 题，本文提出通过虚拟焊接技术来模拟大型液压挖掘机焊接结构件的焊接过程， 对其焊接温度场和应力场进行分析。 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，而旦还影响焊接结构的使用性能。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、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。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，尤其是在工程机械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。 1 2 焊接模拟的国内外研究概况 焊接是一个局部快速加热到高温，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、金属的熔化和凝固、冷却时的相变、焊接应力 和变形等，要得到一个高质量的焊接结构必须要控制所有这些因素。一旦各种焊 接现象能够实现计算机模拟，就可以通过计算机系统来确定焊接各种材料和结构 时的最佳设计、最佳工艺方法和焊接参数。 长期以来，焊接变形的防止和控制主要依靠经验。为了选择合理的焊接规范， 往往需要进行大量的实验，从而消耗很大的人力物力。使用数值模拟方法，只要 3 第l 章绪论 通过少量验证试验来证明数值方法在处理某一问题上的适用性，那么大量的筛选 工作便可通过计算机进行，而不必在车间或实验室里进行大量的试验工作。这就 大大地节约了人力物力和时间，减少实验工作量，减少实验盲目性。对于保证焊 接结构的质量和安全可靠性，具有重大的经济价值和现实意义。 近3 0 年来，国内外对焊接预测理论和数值模拟技术进行了大量的研究，取 得了不少成果，主要集中在三个方面：( 1 ) 焊接过程模拟，包括焊接熔池模拟和 焊接电弧传热传质过程模拟等；( 2 ) 焊接冶金和焊接接头组织性能模拟；( 3 ) 焊 接变形和应力的数值模拟。焊接应力和变形是焊接领域广泛关注和研究的重要课 题之一，本课题也准备从这一问题入手，研究大型液压挖掘机的焊接过程的变形 问题。 国内外学者对焊接变形这一问题进行了大量的研究，取得了不少的研究成 果。这些方法主要有三类：经验法，解析法和数值模拟法。经验法根据实验或以 往生产的实际数据来指导生产，但这些经验数据具有极强的针对性，而且主要针 对简单的情况；解析法【2 】基于前苏联奥凯尔勃络姆对焊接残余应力和变形的起因 和分类进行的研究工作而提出。但该方法建立在平截面假定和其它一些假定的基 础上，只应用于一些简单的焊接构件。数值模拟方法是一个比较好的方法，它的 理论意义在于通过对复杂或不可观察的焊接现象进行模拟和对极端情况下尚不 知的规则的预测，以助于认清焊接现象的本质，弄清焊接过程的规律，从而优化 结构设计和工艺设计，减少试验工作量，提高焊接的质量。目前，主要的焊接变 形数值模拟方法有：热弹塑性有限元法【3 】，固有应变法，体积收缩法，人工神经 网络法等。 焊接热弹塑性分析理论【3 6 】由u c d a 等在上世纪7 0 年代以有限元法为基础提 出，这一理论的提出使复杂的动态焊接过程的应力应变分析成为可能。它综合考 虑了焊接过程的几何、材料和状态的非线性特性，考虑热源对温度场、热应力场 与变形场的影响等因素。但该方法计算量非常庞大，耗费大量的计算机资源，因 此，长期以来该方法仅应用于般焊接接头的力学行为分析，很少用于大型复杂 结构的焊接变形预测。 固有应变法【7 】是一种能相对比较经济地预测大型复杂焊接结构变形的方法。 只要知道固有应变的分布规律，就可以来预测焊接变形。然而，固有应变法毕竟 4 硕士学位论文 是一种近似的预测方法，不同条件下焊缝的固有应变很难准确获得，并且该方法 无法考虑支撑条件、焊接顺序等因素的影响，因此在实际生产应用中受到限制。 体积收缩法【8 】类似于固有应变法，它假定融化金属冷却过程中的热收缩是导致焊 接变形的主要因素，通过模拟冷却过程，得到残余变形；但与固有应变法有相同 的不足。 人工神经网络法【9 - 1 1 】主要针对实际焊接过程中，焊接结构变形的因素呈现明 显的非线性特性，利用人工神经网络具有自组织、自学习、自适应及非线性特性， 进行系统建模。但对于神经网路训练所必须的标准样本数据集的建立需要经过大 量的实验或经验积累，所以当前也仅仅应用于一般焊接接头的变形分析。 这几种方法的应用，对实际的焊接生产提供了一定的指导意见。但焊接过程 是涉及到多种学科的极为复杂的工艺，特别是对于大型复杂的焊接结构，还存在 许多不确定因素 1 2 - 1 7 】。虽然可以通过模型的简化来分析，但效果并不是很明显， 而且很多实际问题并不能进行简化分析，因此，如何进行准确的模拟，且将模拟 技术全面运用于实际生产并指导工艺设计，制定和优化焊接工艺，还存在很多问 题。 对于结构件已经出现的在规范允许限制以外的焊接变形，尽管实际生产中仍 然以经验性的工艺措施为主，但已经有一些理论性的研究成果。现有的对焊接变 形的控制方法主要有：工艺参数控制 1 8 2 1 1 ，反变形法【2 2 ，2 3 1 ，温度场控制【2 4 2 5 1 等。 加拿大的z p a l e y 编制了可以分析非矩形截面以及常见的单层、双层的型和 型坡口的焊接传热计算机程序，采用的是差分方法，并考虑了材料的热物理性能 与温度的关系，将熔化区内的单元作为加热的热源来处理 2 6 】。美国的g w k r u t z y 于1 9 7 6 年的博士论文中用有限元法建立了二维焊接温度场的计算模型并考虑了 相变潜热的问题【2 7 1 。加拿大学者g o l d a k 提出一种新的焊接热源模型，该模型认 为空间能量密度服从高斯分布，将浅熔深的氢弧焊、深熔深的激光焊和电子束焊 热源用一个双椭球形来描述，不仅适用于手工裸焊条焊接，而且还可用于埋弧焊。 由于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力学情况，比 较清楚地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、焊接 速度和焊丝直径等参数与模型中的有关参数联系起来，但是模型中的球形对称假 设，忽略辐射传热以及包括了多种焊接工艺方法等条件，仍然存在一些不足【2 8 ，2 9 1 。 5 第1 章绪论 g a r e t ha 、t a y l o r 、m i c h a e lh u g e s 等人研究了多种焊接结构的热模拟情况，考 虑到熔池中的流体动力学以及传热情况，利用c f d ( c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ) 和c s m ( e o m p u t a t i o n a ls o l i dm e c h a n i c s ) 两种情况对筒体对接焊的温度场分布进行 了有限元分析【3 0 】。2 0 0 0 年南非开普顿大学的r o n d a 等用统一的方法推导了相变 规律和相变塑性，建立了相容的t m m 模型( t h e r m o m e c h a n o m e t a l l u r g i c a l m o d e l ) ，并形成了系统理论，这个模型不仅研究了温度变化对相变的影响，而且 还研究了应力应变对相变的影响，是应用有限元方法对焊接过程进行虚拟分析的 比较成功的技术。等用此模型分析了厚板的对接多道焊到道焊的温度场、相变规 律和残余应力【3 0 】。s w w 缸、e h i l t o n 、d c j f a r r u g i a 等人利用大型有限元分析 软件模拟厚板埋弧焊的焊接热过程，比较分析了二维和三维有限元模拟的计算结 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【3 1 1 。 上田幸雄和村川英一提出了考虑材料力学性能与温度有关的二维和三维焊 接热弹塑性有限单元法，并发展成为一门新的学科“计算焊接力学”。他们对多道 焊、角焊和圆周型压力容器焊接的残余应力和变形进行了三维热弹塑性有限元分 析，并得出了相对满意的结论 3 2 , 3 3 , 3 4 】。此后，他们发展了以固有应变作参数的二 维和三维焊接残余应力的预测和测量方法，并且利用固有应变法分析了形、工字 形焊接截面及平板多道焊焊接接头的残余应力。所谓固有应变可以看成是残余应 力的产生源，焊接构件经过一次焊接热循环后，温度应变为零，其固有应变就是 塑性应变与相变应变残余量之和。焊接时固有应变存在于焊缝及其附近，对大厚 度焊接接头的残余应力进行测定时，先测出焊缝及其附近区少数几点的残余应力 来估计固有应变值残余塑性应变，然后利用有限元法求得其他未测点的残余应力 分布。该法从目前来看，试件需要切割的工作量较大，加上测量方法本身的精度 问题，使应用受到了一定的限制。t i n o u c 3 5 1 等研究了伴有相变的温度变化中温 度、相变、热应力三者之间的藕合效应，并提出了在考虑藕合效应条件下的本构 方程的一般形式。b a c h o r s k i 等提出了收缩体积法的焊接变形有限元预测理论【3 6 1 。 收缩体积法类似于固有应变法，它的主要目的在于预测焊接变形。它将复杂的非 线性和弹塑性变形转化为线弹性变形，可以较为准确地预测大型复杂焊接结构的 变形问题，其准确性依赖于焊缝处收缩体积的计算精度。但是它对于坡口角度小 6 硕士学位论文 于5 0 度的焊接结构则存在较大误差，另外该法也不适于预测焊接残余应力。基 于固有应变方法，m u r a k a w a 等人研究了多道焊的焊接变形和残余应歹- j 3 7 , 3 8 , 3 9 】。 m i c h a l e r i s 和d e b i c c a r i 开发了一个双步数值分析程序来预测焊接及变形其进行 了二维热力焊接模拟获得焊接残余应力，然后把残余应力导入三维模型进行弹 性分析【4 。近年来，j u n g 和t s a i 研究了一种基于塑性变形的方法( p d a ) 并将其应 用于研究累积塑性应变和t 型填角焊的关系中【4 1 1 。 在国内，西安交通大学唐慕尧等首先用有限元法计算了薄板准稳态焊接温度 场，但未考虑材料热物理性能的非线性和工件表面的热损失。之后，上海交通大 学也在焊接热传导数值分析方面做了许多工作，提出了求解非线性热传导方程的 变步长外推法，建立了焊接温度场的有限元计算模型和相应的计算机程序，并对 脉冲t i g 焊接温度场，局部干法水下温度场等问题进行了成功的实例分析【4 2 4 3 1 。 山东大学武传松等考虑熔池中液态金属以对流为主的传热和熔池外部固体 金属以热传导为主的传热过程。采用流函数涡流法建立了固定时刻t i g 焊接熔 池内部流体流动状态及传热过程的数学模型，进行了数值分析，给出了任意固定 时刻工熔池内外的温度分布和熔池的流线图。 此后，唐慕尧、蔡洪能等人在研究t i g 焊过程中，建立了运动电弧作用下 三维焊接温度场的计算机数值分析模型，并引入热焓的概念和表面双椭球分布热 源模型，研制出相应的程序，具有较高的计算精度，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晔】。张初冬对 实际焊接热场进行了三维有限元分析，选择了合理的。设定熔池。的热输入模型， 并考虑了材料热物理参数的温度依赖性【4 5 1 。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惭”。徐庆鸿建立了激光熔敷三维温度场模型并进行了 验证【4 8 1 。西安交通大学的段权、张新国等人利用有限元方法对焊接接头的非线 性热传导问题进行研究，得出了焊接热循环曲线。非线性数值分析表明，在金属 相变温度附近采用经典线性方法分析结果偏差较大，指出在模拟焊接温度场分布 时必须考虑材料热传导参数的非线性【4 9 】。 大连理工大学刘黎明等人根据y a g 激光t i g 复合热源焊接的物理特征，建 立了基于旋转高斯体热源与高斯面热源相结合的新型复合热源焊接模型。该模型 的建立并非简单的热源叠加，而要考虑材料本身特性与复合焊接特点【5 0 1 。华中 7 第1 章绪论 科技大学姜幼卿等人，采用移动旋转高斯体热源函数加载，对铝合金厚板y a g 激光m i g 电弧复合焊接进行了温度场有限元数值模拟，将模拟结果与相同工艺 条件下实际的焊接试验结果进行了比较，验证了旋转高斯体热源模型在厚板铝合 金复合焊接中的适应性【5 1 1 。 上海交通大学开发出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【5 2 1 ，并在薄板、厚板和管子等焊接应力分析方面得到了成功的应用，此后 又引入了高温蠕变和相变的影响【5 3 】。近些年来，上海交通大学与日本大阪大学 对三维温度应力应变问题进行了共同研究0 4 , 5 5 】，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，研究成果已在预测核电凝汽器焊接 变形、压缩机焊接变形等方面得到实际应用。汪建华等人采用三维固有应变有限 元方法分析大型简体结构环缝对接焊的焊接变形情况，求得各条焊道的纵向残余 塑变和横向残余塑变数值，并对不同的焊接热输入参数、承载和支撑条件的影响 进行了研究，为实际操作提供了有用的依据和参考【5 6 1 。 北京工业大学李菊【5 7 】等采用三维有限元方法对钛合金薄板低应力无变形焊 接过程的机理进行了研究，建立了钛合金常规焊接和低应力无变形焊接热弹塑性 应力应变过程全图，得到了应力分布特征以及热沉对温度场和应力应变场的影 响，获得了有意义的成果，与郭绍庆等人在高强铝合金l y l 2 c z 的研究结论基本 一致。 清华大学的鹿安理、石清宇和蔡志鹏等人【5 8 】在结构焊接应力变形预测与控 制方面进行了广泛的研究，取得了重要进展，研究结果应用于三峡1 2 0 0 t 桥式起 重机主梁焊接变形的精确控制和大型挖掘机的工艺设计，产生了重要的经济和社 会效益。 天津大学也开展了用热弹塑性有限元法对焊接应力变形的数值模拟研究工 作。陈书泉对管道环焊缝接头的残余应力进行了一维有限元计算。阎俊霞【删 针对薄板结构客车侧墙的焊后失稳变形进行了数值模拟研究。兰春萍、张玉风【6 1 】 对管道环焊缝焊接残余应力进行了计算和测量，结果表明，一维有限元计算与实 验结果基本一致。天津大学在局部法评定焊接接头疲劳强度研究中，直接应用了 局部残余应力分布的数值分析结果 6 2 , 6 3 】。 天津大学霍立兴等对耐热钢1 0 c r m 0 9 1 0 和不锈钢s f 2 2 0 5 管道环形焊缝的应 硕士学位论文 力进行了模拟，利用a n s y s 模拟了钛合金电子束焊态和焊后电子束局部热处理 的实际焊接温度场以及焊接接头应力场的变化和残余应力的分布。模拟结果表 明，钛合金薄板构件中焊缝中心残余拉应力的峰值达到焊缝金属屈服强度的 6 0 7 0 。焊后电子束局部热处理可以降低焊缝中心处的拉伸残余应力值，降 低约5 0 左右；采用所建模型计算得到的数值模拟结果与实测的残余应力值基本 一致【2 7 , 6 4 】。 南京工业大学薛小龙、张国栋等人，对工业管道间断焊与连续焊的温度场和 残余应力场进行数值模拟。将两种焊接工艺得到的温度场和残余应力场进行比 较。结果表明，间断焊可以降低焊接时的温度，而采用连续焊可以获得较小的轴 向残余应力，间断焊和连续焊的环向应力对管道的影响不大6 5 , 6 6 】。 目前制造业数值模拟及仿真分析的发展趋势是建立尽可能精确的模型，获得 精确的结果，进而全面科学地分析过程的本质。焊接应力与变形数值模拟同样面 临相同的问题，其发展趋势也应是在建立精确模型的基础上，获得焊接应力与变 形的物理本质及其分布规律，从而为工程预测和控制提供坚实技术基础。要将热 弹塑性焊接应力与变形数值模拟技术全面运用于实际生产并用来指导工艺设计、 制订和优化加工工艺还有许多问题需要解决。而且国内外在大型复杂焊接结构、 自由度规模比较大的焊接应力和变形方面的研究工作还比较少。随着计算机硬件 环境的不断提高和软件技术的改进，大规模问题的焊接应力和变形的数值模拟可 望成为现实，但就目前条件而言，仍有许多问题函待解决【5 8 1 ，主要表现为数值 模拟中结构的自由度规模庞大；材料高温性能参数缺乏，以及材料性能的严重非 线性变化严重影响了求解过程的精度和效率；焊接过程的复杂性导致在精确的数 值模拟过程中计算工作量很大 6 7 - 7 0 】。坡口、填充金属、多道焊等引起的复杂几何 形状，在精确的数值模拟过程中会增加计算工作量；对于大型复杂结构焊接应力 和变形的数值模拟精确模型的建立和模拟，计算工作量更大，困难更多，还有待 进一步的研究。 综上所述，国内外学者们所进行的不懈努力，都试图在建立焊接热场分析模 型时，能够全面考虑影响焊接热过程以及瞬态温度场分布的各种因素，以便能真 实地反映焊接热过程，从而希望得到比较准确地焊接瞬态温度场，最终真正实现 利用先进的虚拟焊接技术得到精确的焊接数值模拟结果。 9 第1 章绪论 1 3 有限元软件在焊接热应力分析中的应用和发展 随着对焊接温度场、应力和变形场的深入研究，有限元技术的发展与应用， 以及近几年来计算机技术的突飞猛进，目前己经有了不少优秀的有限元计算分析 软件，如：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 、s y s w e l d 等 可供焊接工作者选用。这些现有的有限元软件具有自动划分有限元网格和自动整 理计算结果，并使之形成可视化图形的前后处理功能。焊接工作者可以利用上述 商品化软件，必要时加上二次开发，即可以得到需要的结果，这就明显地加速了 焊接模拟技术发展的进程。在国内，清华大学的鹿安理等利用m a r c 软件，开 发了专用用户子程序，使网格自适应技术更趋完善，并用于厚板焊接过程的三维 数值模拟，取得了很好的效果，并对在模型上利用相似原理及简化热源模型等技 术问题进行探讨，提出未来焊接数值模拟应重点研究的几个问题【7 1 】。清华大学 的蔡志鹏等人，利用m a r c 软件，简化热源模型，用串热源模型代替高斯模型 进行焊接应力和变形的分析，但其实际分析例子只是进行切割变形分析，其方法 的有效性还需进一步验证【7 2 j 。 1 4 本文的研究方法和主要内容 本文针对大型液压挖掘机在焊接制造过程中出现的“主平台前后底板焊后存 在变形，造成底板平面度难以得到保证”以及目前存在的超出相关设计规范没有 相关设计依据的大厚度差的焊接结构件对接的坡口设计问题，应用大型通用有限 元软件对其进行数值模拟，主要内容包括以下几点： ( 1 ) 针对液压挖掘机主平台前后底板及其v 型对接接头建立焊接温度场和 焊接应力应变场的三维移动热源有限元分析模型。考虑材料的热物理性能和力学 性能随温度的非线性变化，加载空气对流系数等边界条件，选择s o l i d 7 0 热 力耦合单元，配合有限元模型的热结构耦合场的计算，利用a p d l 语言编写程 序，实现焊接热源的动态加载。 ( 2 ) 针对v 型接头开坡口的焊缝的特点，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，同时考虑金属的填充作用，运用生死单元的方法， 逐步将填充焊缝转化为生单元参与计算中，模拟焊接的熔敷过程。 1 0 硕士学位论文 ( 3 ) 对液压掘机主平台底板的焊接温度场及应力场进行分析，研究其在焊接 进行过程中不同时刻的关键部位的温度场及应力场分布规律，获得其焊接变形分 布情况，以便工装夹具部位设计参数的确定。 ( 4 ) 对存在大厚度差的液压挖掘机主平台底板的v 型对接接头焊接温度场 及残余应力场进行整体分析，提出多种焊缝坡口设计方案，比较在相同焊接热输 入和焊接速度情况下，不同设计方案下的焊缝温度场和应力应变场的分布情况， 以得出合理的坡口设计尺寸，从而指导实际焊接中的结构设计及工艺的编制。 1 5 课题研究的意义 本课题提出了一种基于a n s y s 的虚拟焊接技术。对各种焊接现象进行计算 机模拟，可以通过计算机系统来确定焊接各种结构和材料的最佳设计、最佳工艺 方法和焊接参数。焊接过程的计算机数值模拟，能以较低成本并有效地在焊接工 艺进行之前对结构热应力和变形进行分析，为实际生产制造中的焊接提供理论依 据。对液压掘机主平台底板的焊接温度场及应力场分布规律进行分析，获得其关 键部位焊接变形分布情况，便于工装夹具部位设计参数的确定。在诸多的焊接工 艺参数中，焊缝坡口的设计对焊接结构件的焊接成本和焊接质量有直接影响。目 前的工程机械产品制造中，存在超出相关设计规范的大厚度差的焊接结构件对 接。运用其优化焊缝坡口的设计，并对现行的焊缝坡口设计国家标准的部分规定 提出了一些建议。不仅避免了结构件在下料过程中因坡口设计不当造成的材料浪 费，还对工程技术人员编制焊接工艺有较高的参考价值。 1 6 论文各章的内容简介 第一章主要介绍了选题背景及意义，总结了焊接数值模拟的国内外研究概 况，简要介绍了有限元软件在焊接热应力分析中的应用和发展，提出了本文的研 究方法和主要内容，简要介绍了论文各章的内容。 第二章主要对焊接有限元方法进行了简单的介绍，对焊接模型进行了简化。 介绍了热传导方程的建立和边界条件，并对焊接温度场和应力计算的理论进行了 推导。简要介绍了a n s y s 软件的结构及a p d l 语言。 第三章主要介绍了基于a n s y s 的虚拟焊接技术的实现过程。讨论了建立有 第1 章绪论 限元模型的一些关键技术，针对液压挖掘机主平台底板及其v 型对接接头建立 焊接温度场和焊接应力应变场的三维移动热源有限元分析模型。提出了适用的热 源模型。利用a p d l 语言编写程序，成功的实现移动热源的动态加载。 第四章主要分析了液压掘机主平台底板不同时刻各关键部位的温度场及应 力场分布规律，以获得其焊接变形分布情况，便于工装夹具部位设计参数的确定。 对存在大厚度差的挖掘机平台底板提出多套