（材料加工工程专业论文）熔化焊焊接接头的温度场和应力数值模拟.pdf

中文摘要 摘要：焊接残余应力的存在，会直接影响到焊接结构的承载能力。为了保证焊接 结构的安全可靠，准确的推断焊接过程中的残余应力是十分重要的课题。 本文以a n s y s 有限元软件作为分析手段，系统地论述了焊接过程的有限元分 析理论，并结合数值计算的方法，对焊接过程产生的温度场、应力场进行了实时 动态模拟研究，提出了基于a n s y s 软件的焊接温度场和应力场的模拟分析方法， 并对平板对焊问题进行了实例计算，而且计算结果与传统结果和理论值相吻合， 这为以后的焊接转向架的模拟打下良好的基础。 本文的主要研究内容如下： ( 1 ) 解决了焊接过程数值模拟计算的相关问题，如焊接热源的选择、网格划分 等问题。 ( 2 ) 应用a p d l 语言对具体研究问题进行二次开发，是应用a n s y s 分析软件 的高级形式，本文利用a n s y s 软件的a p d l 语言编写程序实现移动热源的加载。 ( 3 ) 利用本文所建立的测温系统，采用在焊接工件表面布置热电偶的方式对焊 接过程一些点进行了测量。结果表明在所测点位置温度的计算结果和实测结果符 合良好，从而验证了模型的实用性。温度场的数值模拟为进一步研究焊接的应力 与组织性能等奠定了基础。 ( 4 ) 对薄板焊接后残余应力进行了测量。测量的横向、纵向残余应力分布规律 与数值模拟结果一致，验证了焊接应力的数值模拟结果的正确性。 通过研究和算例验证，本文建立了可行的三维焊接温度场和应力的动态模拟 分析方法，为复杂焊接结构进行三维焊接温度场和应力分析提供了理论依据和指 导，促进了有限元分析技术在焊接力学分析以及工程中的应用。 关键词：有限元；数值模拟；焊接残余应力；热电偶 分类号1t p 3 9 1 9 = ! 匕塞銮适太堂亟堂位逾塞旦墨! b ! a bs t r a c t a b s t r a c t ：t h er e s i d u a ls t r e s si n a b i l i t yo fb e a r i n gl o a d s t h e r e f o r e ，i t w e l d i n gs t r u c t u r ec a nd i r e c t l yi n f l u e n c et h e i r i sa l li m p o r t a n ts u b j e c tw h i c hn e e d sa c c u r a t e l y e s t i m a t et h er e s i d u a ls t r e s si nt h ep r o c e s so fw e l d i n gi no r d e rt oe n s u r et h es a f e t yo ft h e s t r u c t u r e t h i sp a p e rs y s t e m i c a l l yd i s c u s s e st h ew e l d i n gp r o c e s sv i at h ef i n i t ee l e m e n t a n a l y t i c a ls y s t e m - a n s y s ，m a i n l yc o n c e n t r a t i n go no ft h e3 dd y n a m i cs i m u l a t i o no f 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 d ，n e x tu t i l i z et h er e s u l t st o s i m u l a t et h e w e l d i n gp r o c e s s o fb u t tw e l d i n g m e a n w h i l e ，t h ec a l c u l a t i o nr e s u l t sh a v el i t t l e d i f f e r e n c ew i t ht r a d i t i o n a la n a l y s i sr e s u l ta n dt h e o r yv a l u e a l lt h ei n v e s t i g a t i o n sa r ef o r t h ec o m i n gs i m u l a t i o no fg o o d sw a g o nb o g i e ，ak e yp a r ti nt h et r a i n t h em a i nc o n t e n t so ft h ep a p e ra r ea sf o l l o w i n g ： ( 1 ) s t u d y i n gt h er e l a t i o n a lp r o b l e m so fn u m e r i c a lo fw e l d i n gp r o c e s s ，s u c ha st h e c h o i c eo fw e l d i n gh e a tm o d e l s ，m e s h i n gg i r d i n ge t c ( 2 ) t h ea p p l i c a t i o no fa n s y sp a r a m e t r i cd e s i g nl a n g u a g et oc a r r yo u ts e c o n d t i m et a pi st h ea d v a n c e df o r mw h e np e o p l eu s ea n s y s i nt h i sp a p e r , w h a ta n s y s a p d ld o e si st oc o m p i l ep r o g r a mf o re m p l o y i n gl o a do f m o v i n gh e a ts o u r c e ( 3 ) v i at h em o n i t o r i n gt e m p e r a t u r es y s t e m ，s o m ep o i n t si nt h et e s tm o d e la r e m e a s u r e dd u r i n gw e l d i n gp r o c e s sb ym e a n so ft h e r m o c o u p l e s a sar e s u l t ，t h e e x p e r i m e n t a ld a t ai si np e r f e c ta c c o r d a n c ew i t hc a l c u l a t e dd a t a i nc o n c l u s i o n ，d o i n gb y t h i sw a yc a nf i r m l yp r o v i d eab a s i sf o rf u r t h e rr e s e a r c ho fs t r e s sa n ds t r a i nf i e l d si nt h e p e r i o do fw e l d i n gp r o c e s s ( 4 ) t h ew e l d i n gr e s i d u a ls t r e s sa n dd i s t o r t i o nw e r ea l s om e a s u r e d t h ed i s t r i b u t i v e p a t t e r n so fr e s i d u a l s t r e s s e sm a t c h e de x t r e m e l yw e l lw i t ht h er e s u l t so fn u m e r i c a l s i m u l a t i o na sw e l la st e s t i f yt h er e s u l t so ft h en u m e r i c a ls i m u l a t i o n a si tc a nb e e nm a n i f e s t e db yt h er e s e a r c ha n dp r a c t i c a l v e r i f y , t h i sp a p e r e s t a b l i s h e saf e a s i b l ed y n a m i cs i m u l a t i o nm e t h o d0 1 13 dw e l d i n gt e m p e r a t u r ea n ds t r e s s f i e l d s ，w h i c hp r o v i d e st h e o r ye v i d e n c ea n di n s t r u c t i o na n dp r o m o t e st h ea p p l i c a t i o no f f e ao nw e l d i n gm e c h a n i c sa n a l y s i sa n de n g i n e e r i n g k e y w o r d s ：f i n i t ee l e m e n t 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 gr e s i d u a ls t r e s s ， t h e r m o c o u p l e c l a s s n o ：t p 3 9 1 9 v 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：签字日期：年月 日 6 1 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 互勇 签字r 期：川年月7 日 导师签名： 签字日期：。娜歹年多月，7 日 ， 致谢 本论文是在导师李卫京高工的悉心指导下完成的。在研究生学习期问，李老 师渊博的学识、严谨的治学态度、耐心的指导都给我留下了深刻的印象并将使我 终生受益。在生活和做人处事上，李老师也以她的一言一行为我树立了榜样。在 此向李卫京老师致以最衷心的感谢和敬意! 本课题的j i r 孵j j 完成，与老师韩建民教授对课题工作的热心指导和无私帮助是 分不开的。韩老师认真负责的工作态度也值得我很好地学习，在此向韩建民教授 表示衷心的感谢与敬意! 在课题工作中，王金华教授对笔者的试验工作也提供了许多有益的建议与帮 助，对此表示深深的谢意! 在实验室工作及撰写论文期间，师兄杨智勇提供了许多建设性的指导，陈跃、 孙春华、蒙晓涓、孙维威、李振江、施涛等同学对我的研究工作给予了热情帮助， 在此向他们表达我的感激之情。 特别感孟胶东技师对笔者试验工作多方面的支持与帮助! 最后，真诚地感谢我亲爱的父母和姐姐、弟弟，感谢在我硕士学习生活期间 给予我无私关怀，感谢你们提供的一切便利条件和帮助。 1 1 选题的背景 1 绪论 随着中国铁路第六次大规模提速，我国己进入高速铁路快速发展时期。在掌 握了时速2 0 0 公里动车组关键技术的基础上，自主创新时速3 0 0 公里及以上速度 动车组已经列入日程。高速铁路必须保证其运行安全可靠性，因此关键结构部件 质量控制的研究是实现这一目标的重要技术保证。 目前在工程上，焊接是最主要的连接方法，焊接结构的重量已占钢总产量的 5 0 e 啦】以上，工业发达国家的这一比例已经接近7 0 。焊接技术已经渗透到铁路、 汽车、桥梁、电力、船舶、石油、化工以及航空航天等各个领域。为了使列车轻 量化，焊接件在轨道车辆领域起了很大的作用，如车辆关键部件焊接转向架的应 用，在很大程度上降低了车体自重，但同时也要求很高的焊接质量，因为焊接质 量的优劣直接影响着客车的行车安全和转向架的寿命。 九十年代以来，随着我国铁路客车不断的提速，高速客车转向架焊接接头的 疲劳断裂也不断的出现，这给国民经济造成很大的损失。研究表明，焊接残余应 力是影响焊接结构疲劳强度的重要指标，焊接残余应力的存在对提速客车转向架 的疲劳强度和疲劳寿命均有很大的影响，特别是应力集中和高残余应力叠加的焊 接接头，经过一定循环次数后，就有可能开裂，造成危机和隐患，直接影响着行 车安全。因此，为了保证焊接转向架结构的安全可靠性，就要准确地了解焊接转 向架结构的残余应力大小和分布规律，并且有效地消除与控制焊接构架中的残余 应力。 目前对于焊接转向架残余应力的研究，仅仅是停留在实验阶段，转向架中焊接 残余应力产生的因素很多，而且焊接过程的复杂性和焊接转向架结构的多样性， 给焊接转向架结构的残余应力研究带来很大的困难，这需要花很多的人力、财力、 物力去操作，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进行分析。通过数值模拟 技术，就可以掌握焊接残余应力的变化规律，从而在设计和加工制造中加以合理 地控制，避免有害残余应力的存在。 焊接接头作为焊接构架的重要部分，它的内部必然存在焊接残余应力和变形。 采用数值模拟的方法对焊接接头进行分析，并通过实验结果进行对比验证，得出 焊接接头模拟结果的准确性，就可以为将来转向架的焊接模拟打好基础。 1 2 数值分析方法和有限元模拟软件 焊接过程数值模拟，是基于有限元理论，采用一组控制方程来描述焊接过程 或焊接过程的某一个方面，通过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、焊接残余应力等) 。随着计算机技术的迅速发展，大多 数实际问题可以采用数值求解。数值解法主要有差分法、数值积分法、蒙特卡洛 法、有限元法。 差分法的基础是用差商来代替微商，相应地把微分方程变为差分方程求解。 求解时必须对求解域离散化，将微分方程和边界条件的求解归结为求解一个线性 方程组，得到数值解。差分法的优点是对于具有规则的几何特性和均匀的材料特 性问题，它的程序设计和计算过程比较简单，收敛性也较好。差分法常用于热传 导、熔池流体动力学、氢扩散等问题的研究。缺点是往往局限于规则的差分网格， 如正方形、矩形和正三角形网格等，不够灵活。差分法只看到了节点的作用而忽 视把节点连接起来的单元的贡献。 数值积分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，数值积分法只能求解比较简单的问题。 蒙特卡洛法又称随机模拟法。即将某一问题假设为一个适当的随机过程，把 随机过程的参数用随机样本计算出的统计量的值来估计，再由这个参数找出最初 所述问题中的所含未知量。蒙特卡洛法在多重积分计算中得到重要的应用。 有限元法是适应利用计算机而发展起来的一种有效的数值方法。它将连续的 物体离散化，分解为由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。其主要优点是：( 1 ) 概念清晰，容易掌握；( 2 ) 灵活性和适用 性强，应用范围极其广泛。对于各种复杂的因素，如复杂的几何形状、任意的边 界条件、不均匀的材料特性、非线性的应力应变关系，都能灵活地考虑；( 3 ) 采 用矩阵形式表达，便于编制计算机程序。其主要缺点是：当单元数目很多时，数 据的准备工作量和计算机时的花费都是十分惊人的。尽管人们在前、后处理上已 经作出了很大成绩，但仍然不能从根本上改变这种高昂的花费。 有限元方法起源于2 0 世纪5 0 年代对航空工程中飞机结构的矩阵分析，6 0 年代 被推广用来求弹性力学的平面应力问题。虽然这种方法起源于结构分析，但它所 依据的理论的普遍性，已经能够成功地用来求解其它工程领域的许多问题，几乎 适用于求解所有的连续介质和场的问题。 焊接过程的数值模拟是从解析方法开始的。随着数值计算技术的发展，逐步 过渡到采用有限差分法和有限元法。在近几年的发展中，有限单元法逐渐占据主 导地位。分析规模从一维发展到二维，进而发展到三维。数值方法在焊接模拟应 2 用中常相互交叉和渗透。如在瞬态热传导有限元分析中，在空间域采用有限元方 法，而在时间域则采用差分方法，两者结合进行求解。 随着有限元技术和计算机技术的发展，目前己经有了许多优秀的计算分析软 件，如a n s y s 、b a q u s 、a d i n a 、n a s t r a n 、m a e c 、s a p 等。这些大型有限 元分析软件都具有自动划分网格和自动整理计算结果，并形成可视化图形的前后 处理功能。因此，对焊接模拟的温度场、应力场的数值模拟无需自己编制分析软 件，可以利用上述商品化软件加上二次开发，即可得到需要的结果。 a n s y s 程序是美国a n s y s 公司研制的大型有限元分析软件。自1 9 7 0 年a n s y s 公司创建以来，a n s y s 程序已发展成为全球范围一个多用途的设计分析软件，能 够进行结构、热、声、流体、电磁场等分析，在航天、航空、机械制造、核工业、 铁道车辆、能源、土木工程、造船、生物医学、水利、r 用家电等领域有着广泛 的应用【2 9 , 3 0 】。 a n s y s 程序是一个功能强大的设计分析及优化软件包，与其它有限元分析软 件相比，它有以下特点： ( 1 ) 完全的w i n d o w s 程序，使用更加方便； ( 2 ) 产品由可扩展的、灵活集成的模块组成，能满足各行各业的工程需要； ( 3 ) 它不仅可以进行线性分析，还可以进行各类非线性分析； ( 4 ) 它是一个综合的多物理场耦合分析软件，用户不但可用其进行结构、热、 电磁、流体流动等的单独研究，还可以进行这些分析的相互影响研究。 a n s y s 软件的强大功能、友好的人机界面、灵活的二次开发语言、强大的分 析能力使其非常适合于激光粉末沉积过程的模拟，并给实际的生产和科研工作提 供可靠的参数依据。 1 3 国内外焊接过程数值模拟的研究历史、现状及发展趋势 1 3 1 焊接温度场数值模拟 焊接温度场的准确计算或测量，是焊接冶金分析和焊接应力、应变热弹塑性 动态分析的前提。文献 3 在7 0 年代中期建立有限元法计算二维焊接温度场的模型， 该模型考虑变化的导热系数和比热，并将其设定为温度的函数，同时考虑相变潜 热和辐射、对流等散热边界条件，由此开展了对温度场模拟技术的研究，为其后 的大部分工作奠定了基础。文献 4 】在假定电流为高斯分布的条件下，计算电弧的 压力场分布规律，建立了较完善的电弧传热、传质数值模型；文献 5 】采用一个统一 的电弧一电极处理系统对g t a w 和g m a w 焊接时电极的温度进行数值预测，该 二维模型可在任何给定电流、焊接气体和电极形状下进行分析。文献 6 分析总结 了热源模型的发展，指出各种热源模型的优点，最后采用三维移动双椭球热源对 半无限体的瞬态温度场进行计算，得到较理想的计算结果。文献 7 利用m a r t 软件 对任何复杂的三维焊接轨迹的焊缝单元进行排序，采用双椭球热源模型进行了焊 接温度场的计算。 国内对焊接温度场的研究从二维开始，上海交通大学的陈楚【8 9 】等人对非线性 的热传导问题进行有限元分析，建立焊接温度场的计算模型，编制相应的程序， 程序中考虑材料热物理性能参数随温度的变化以及表面散热的情况，能够进行固 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实例分析。对 于三维问题，国内上海交通大学汪建华【1 0 , 1 1 】等人和日本大阪大学合作对三维焊接温 度场问题进行了一系列的有限元研究，探讨焊接温度场的特点和提高精度的若干 途径，并对几个实际焊接问题进行三维焊接热传导的有限元分析。文献 2 3 2 5 在 建立运动电弧作用下的表面双椭圆分布模型基础上研制了三维瞬态非线性热传导 问题的有限元程序，程序中利用分析节点热烙的方法对a 3 钢板的焊接温度场进行 计算，计算结果和实验值吻合得很好。文献【1 2 】将电弧看作辐射状并呈高斯分布的 二维热流作用于工件表面，解决电弧产热问题，建立二维焊接凝固裂纹温度场计 算模型。 焊接温度场的数值模拟已从二维发展到三维水平，对焊接温度场的三维瞬态 分析，更能计算出焊接过程中温度场的真实分布情况。但是由于三维焊接瞬态温 度场计算的复杂性，对于计算机的要求越来越高，计算的时间也越来越长。 1 3 2 焊接残余应力数值模拟的研究现状与发展趋势 ( 1 ) 焊接残余应力数值模拟的研究现状 2 0 世纪7 0 年代初，日本大阪大学的上田幸雄教授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【l3 1 。1 9 8 6 年法国的j b 1 e b l o n d 【1 4 j 对相变钢的塑性、相变、热应力三者之间的耦合效应进行了 研究，并提出了在考虑耦合效应的前提下本构方程的一般形式，对于弹塑性问题 中所涉及的材料物理性能均可以根据各相的体积分数取平均值，并在上述研究的 基础上发展了s y s w e l d 专用软件。m a h i n j 5 】等人在研究中考虑耦合的热应力问题， 其中热源分布采用实验矫正的方法进行处理，同时考虑熔池对流、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。 v j n 拿大的c h i d i a c t l 5 】等人研究厚板焊接过程的应力应变及残余应力的分布，其中 4 涉及三维加热模型，并考虑显微组织的变化和晶体生长等影响因素。 与焊接温度场的有限元分析类似，焊接热弹塑性有限元分析过去大都局限于 二维问题，三维问题的研究是九十年代才开始的。l el i n g d r e n ，l k a r l s s o n 1 6 j 采用壳 单元对平板对接焊缝和薄壁管道环焊缝的残余应力进行研究。结果表明，由于相 变引起的容积变化使得环向压应力区从焊缝中心沿着轴线逐渐减小。除起焊端外， 残余应力近于呈轴对称分布。该结果与试验数据吻合较好，说明壳单元在分析薄 壁材料焊接残余应力和变形时，具有实际意义。t s o l i a n gt e n g 1 7 】采用有限元法估 计t 型接头的焊接残余应力和变形，利用生死单元技术模拟丁型接头的焊缝填充 过程，讨论了凸缘厚度、焊接熔池深度和约束条件对残余应力的影响。t s o l i a n g 9 1 8 】利用生死单元估计单道对接焊、多道对接焊、环形焊接的残余应力，讨论 了焊接残余应力的影响因素。b a c h o r s k ia 【1 9 1 等利用收缩体积方法对t 形街头的焊 接变形进行了有限元分析。t s o l i a n gt e n 9 2 0 】等采用弹塑性有限元( a n s y s 和 a n a q u s ) 研究了焊接条件对焊接接头中焊接应力的影响以及薄璧管接头采用环 形单道焊时壁厚对焊接残余应力的影响，同时还研究了不同补焊尺寸条件下环形 焊接接头中焊接应力的分布。m a t o scg 【2 1 l 等对钢架连接焊缝中焊接缺陷对残余 应力的影响进行了有限元计算。2 0 0 1 年美国的z c a o 等【2 2 】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 析复杂结构中的多道焊曲边焊道，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。 我国在计算机分析焊接应力学方面起步较晚，但发展迅速。8 0 年代，西安交 通大学在单面焊终端裂纹的力学机制和焊接应力数值模拟等进行了研究【2 3 1 。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 性瞬态温度场进行了有限元分析，提出了求解非线性热传导方程的变步长外推法， 并编制了二维热弹塑性有限元分析程序，计算了平板对接焊时应力和变形的发展 过程以及残余应力分布，许多研究成果已成功应用于工程实际【2 4 】。关桥等人编制 了用于进行平板轴对称焊接应力和焊接变形的有限差分和有限元程序，对薄板氢 弧点状热的应力和变形进行了计算，该分析仅限于点状热源。孟繁森等利用迭代 解法研制了计算焊接过程应力应变程序和图形显示程序，分析了板条边沿堆焊时 的应力和应变的发展过程。天津大学材料学院的陈俊梅【2 5 】利用a n s y s 软件对 q 2 3 5 b 钢十字街头的焊接残余应力进行了有限元计算。2 0 0 1 年清华大学的鹿安理 等【2 6 】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。薛忠明【27 】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。方洪渊【2 8 1 等采用非线性有限元技术，以l f 6 铝合金薄板平面内环焊缝的 焊接为例，对常规焊接条件下温度场和应力场进行了模拟，结合弹性稳定理论对 环焊缝焊接生产的特殊变形规律进行了研究。薛小龙【2 9 】等应用a b a q u s 软件，对 多道焊t 形接头的温度场和应力场进行了数值模拟，选用三维实体单元，考虑了 材料物理性能随温度和相变的影响，运用单元生死技术模拟多道焊过程，获得了 焊接温度场和应力场的动态变化过程。蒋文春【3 0 】等利用有限元软件，开发了一个 顺次耦合的焊接热应力计算程序，讨论坡口形式、线能量、半管间距等参数的变 化对焊接残余应力的影响。陈虎【3 1 】等针对两种典型的封闭环焊缝一圆盘镶块和平 板垂直接管的多道焊接进行了三维数值模拟，得到了焊接的热循环过程及焊后残 余应力分布。 ( 2 ) 焊接残余应力数值模拟的发展趋势 如何调整和控制焊接残余应力一直是工程界广泛关注的问题，这是因为它们 的存在直接关系到焊接结构的安全可靠性。在计算机同益发展的今天，采用数值 模拟方法预测焊接残余应力已经取得了丰硕的成果。如厚板焊接残余应力分析以 及为降低和调整管道结构后内表面残余拉应力所提出的许多焊接工艺与方法应经 取得了应用。这些都是采用过去常规的解析手段难以实现的。但这还远远不能满 足科学研究和实际工作的需要。例如，要用数值模拟分析的方法控制实际复杂焊 接结构的残余应力尚存在很多问题，目前一个比较重要的问题是材料性能，特别 是高温时材料性能数据还很缺乏，给焊接残余应力数值分析带来了许多困难。因 此，建立相应的材料特性数据库，也会促进焊接残余应力数值模拟技术的发展。 其次，由于焊接应力场计算是属于包括相变、塑性、非线性等多方面因素影响的 热弹塑性问题，尤其是焊后冷却过程中发生的相变体积膨胀，严重影响残余应力 的分布。因此，在关于焊接残余应力数值分析中应该充分考虑到相变作用的影响 3 2 1 o 另外，随着计算机软、硬件及有限元软件技术的发展，焊接残余应力数值模 拟技术的不断完善，模拟结构也向着三维化、整体化、精密化方向发展，模拟范 围不仅包括各种焊接方法，而且包括各种焊接模型、结构及相关环境条件与理化 过程。焊接数值模拟技术必将向着智能化方向发展，而焊接中各阶段计算由计算 机来完成，操作者只需要输入焊接方法和焊件的几何尺寸，计算机会给出最佳的 焊接工艺参数，使焊接残余应力晟小，组织性能最好，使焊接技术随之向着科学 化、智能化方向发展。 6 1 4 焊接数值模拟目前存在的问题 对国内外焊接过程数值模拟的研究历史、现状及进展的分析，总结出薄板焊 接过程数值模拟目前存在的问题： l 、厚板( 8 2 0 m m ) 焊接温度场的计算和残余应力的计算研究比较多，但是对于 薄板焊接过程数值模拟的研究报道比较少。 2 、焊接热源的热效率的选取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。 3 、焊接熔池的处理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已有足够的精度，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。 4 、计算效率与精度的问题，焊接过程模拟的主要问题仍是冗长的计算时间。 由于计算时间过长，影响了焊接过程模拟计算的研究进展和它在实际生产中的应 用，计算时间过长主要有3 个方面的原因： 焊缝处网格需划分得极为细小，导致了整个模型的自由度数目十分庞大； 计算时间步长取得十分小； 严重的材料非线性导致求解过程收敛困难，平衡迭代次数增多。 只有解决计算时间问题，才可能实现真j 下的焊接过程模拟。 5 、材料物理性能参数的缺乏 某些材料仅有室温数据，许多材料的物理性能参数在高温( 特别是接近熔化 状态时) 还是空白。这给非线性计算带来很大的困难。当然，通过实验和线性插 值的方法可获得高温时的一些数据，但有时处理不当，就会导致计算不收敛或结 果不准确。例如高温时材料的屈服极限和弹性模量是没有实际物理意义的，但由 于模拟计算时基于弹塑性理论的，这些参数必须为非零值，参数取得过小会导致 收敛困难，取得偏大又会影响结果的准确性。 1 5 本文研究内容 焊接过程数值模拟技术对科学地控制焊接结构的残余应力具有重要作用。本 文提出了对q 2 3 5 钢平板对焊接头的焊接温度场和残余应力进行了三维实时动态 模拟，并且进行了实验验证，得出计算结果与传统理论和实验结果基本吻合，这 为往后进行焊接转向架中焊接残余应力的模拟打下了很好的基础。本文的研究内 容主要有： 7 1 、建立薄板焊接数值模拟有限元模型。包括参数的选定，单元类型的选取， 网格的划分，边界条件的给定等。 2 、实现温度场与应力场的单向耦合，模拟焊接温度场和焊接残余应力场分布， 再现焊接残余应力的大小及分布情况。 3 、对焊接过程热循环动态检测系统进行了研究，利用该系统对薄板焊接过程 热循环曲线进行测量，并与焊接温度模拟结果进行对比验证。 4 、制作标定试样，并对薄板焊后残余应力进行测量，对焊接残余应力模拟计 算结果进行试验验证。 1 6 本课题的研究意义 本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，转向架中的焊接残余应力的分布规律可以采用计算机数值模拟进行分析， 这样就可以不用进行大量的实验，而是通过少量的实验验证数值方法处理某一问 题的正确性，来得到最佳的设计及工艺方法及焊接参数，从而可以大大节省人力、 物力和时间，具有很大的经济效益。 本文所做的是焊接接头的模拟，这是焊接结构模拟的基础。本文通过验证焊 接模型，特别是热源和边界条件的准确性跟合理性，可以检验焊接模拟技术的可 行性，为往后焊接构件残余应力的模拟研究打好基础。 2 焊接热弹塑性有限元分析的理论基础 有限元法( f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ，f e m ) ，也称为有限单元法或有限元素法，基 本思想是将求解区域离散为一组有限个、且按一定方式相互连接在一起的单元的 组合体。它是随着电子计算机的发展而迅速发展起来的一种现代计算方法【3 3 1 。 2 1 焊接过程有限元分析特点 焊接过程的有限元分析有下述特点： ( 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 ) 由于材料的热一力行为，模拟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，取决于局部热的历史和力学的应力应变历史； ( 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： ( 7 ) 临界情况下可能发生的缺陷和裂纹，使连续介质的概念受到怀疑。 通常这一极为复杂问题的数值解需要功能强大的计算机，求解的算法及自适 应( 三维) 网格和( 时间步长) 程序。虽然今天有功能强大的计算机可以利用，但计算 方法和软件的发展仍跟不上硬件进步的速度，而且即使有可以采用的计算手段， 目前在收敛检验和误差估计方面也将遇到难以超越的困难。 在工业生产和加工过程中阻碍焊接残余应力有限元分析应用的另一个问题 是，该分析需要众多的材料特征值及其与温度的关系，而目前只有零星的数据。 很多材料特征值不仅因材料而异，而且与显微组织的状态有关，还要考虑材料特 征值的局部各向异性或不均匀性。 然而在模拟复杂的实际问题时，上述要点只和采用带有最大可能细节的有限 元模型有关。如果在模型中只涉及问题的核心，就不要考虑上述所有要点，这时 只在有限元模型中研究主要的影响参数，有限元方法就可以给出贴切实际的结果。 这一点非常重要，是因为残余应力测量和分析方法不同，能给出的说明是非常有 限的。比如在热应力计算过程中就可以忽略高温相变问题。如果采用无损检测技 术，只能得到构件表面的应力状态，就是采用破坏性的测量方法，也不可能有足 够的精度确定构件内部完整的三维应力状态。这就涉及有限元模型的简化问题。 9 2 2 焊接有限元模型的简化 焊接是一个涉及到电弧物理、传热、 焊接时的传热过程、金属的熔化和凝固、 它们之间的相互关系如图所示： 一，一力举特性、 影 l 力学边界条件 i 力学性能 冶金和力学的复杂过程。焊接现象包括 冷却时的相变、焊接应力与变形等等。 化学成分、焊接参数、 龆勉尺寸 漆：，胃 一算磐垄二q 鬻矽 硬度分布 图2 1 焊接温度场、焊接应力与变形及显微组织的相互影响 f i g 2 1i n t e r a c t i o ne f f e c to fw 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 sf i e l da n dm i c r o s t r u c t u r e 图中特别强调相变行为的影响，并显示出有限元分析中基本的输入和输出参 数。而在焊接热力学模拟时，通常着重考虑温度场、应力、变形及显微组织之间 相互影响，而忽略其他因素。因此，图2 1 可简化成图2 2 ，图2 2 中箭头表示是 相互的影响：实线箭头表示强烈的影响：虚线箭头表示较弱的影响。 变形热 相变漤热 由热应力引起的相变 - - - - - - - _ 相变应力 转变 图2 2 焊接温度场、焊接应力与变形及显微组织状态场的分解和相互影响 f i g 2 2d i s a s s e m b l ya n di n t e r a c t i o ne f f e c to fw 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 sf i e l da n d m i c r o s t r u c t u r e l o 从上图中可以看出，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 虑单向耦合问题，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 考虑应力场对他们的影响。因此，在焊接热过程的数值分析中，只考虑焊接温度 场对应力应变场的影响即可。 2 3 焊接热过程有限元分析理论 焊接温度场是影响焊接质量的主要因素之一。焊件中的温度场分布反映了复 杂的焊接热过程，它不仅直接通过热应力，热应变，而且还间接通过相变应变决 定焊接残余应力，决定焊缝熔化、结晶、变形和应力等状况，这些因素影响到熔 合、裂纹、组织等与焊接质量有关的指标【3 4 1 。所以焊接质量与温度场的分布有很 大关系，其数值模拟技术的研究具有重要意义【3 5 1 。焊接过程中，随着热源的移动， 整个焊件的温度均随时间和空间变化；材料的热物理性能随温度变化，以及焊接过 程中存在熔化潜热和相变，因此焊接温度场的计算是典型的非线性瞬态热传导问 题。薄板焊接温度场的准确计算，是焊接残余应力数值模拟的前提【3 6 1 。 2 3 1 有限元基本方程 由焊接过程的特点可以知道，焊接温度场分析属于典型的非线性瞬态热传导 问题，非线性瞬态热传导问题的控制方程为： 胪等= 昙c 足罢，+ 品c 七等，+ 丢c 尼警，+ 酉 c 2 式中，数p 是密度，c 为比热容，t 为温度，k 为传热系数， 蟛为物体内热源 强度。材料参c 和k 一般随温度变化。 焊接温度场的计算通常用到以下两类边界条件： 第一类边界条件，已知边界上的温度热流密度分布，即 尼兰： = 吼( x ，y ，z ，t ) ( 2 2 ) 第二类边界条件，已知边界上的物体与周围介质的热交换，即 尼豢巩( 吼飞) ( 2 - 3 ) 式中：n 是边界表面外法线方向：吼是单位面积上的外部输入热流；是表 面换热系数；t a 是周围介质温度，t s 为边界上的温度值。焊接通常遇到的是热流 和换热边界条件。 2 。3 。2 热源模型简介 ( 1 ) r o s o n t h a l 的解析模式 根据焊件的厚度和尺寸形状以及焊接热传导的方式，焊接热源可被简化为点 状、线状、面状热源三种形式。 对于厚大焊件上表面堆焊，热的传播是沿三个方向的，则可以把热源看成是 一个点热源。瞬时集中点热源所形成的温度场可由其解析式【3 7 】得到： r = 丽2 qe x p 卜石0 2 ) ( 2 4 ) 式中：q 为热源在瞬时给焊件的热能，q = r u ，r 是焊接热源的热效率，u 为电弧电压，i 为焊接电流；“为热扩散率；d 为距点热源的距离，d = ( x 2 + y 2 + z 2 ) 3 佗。 r ：旦唧f - 尘1 4 z r 2 h t l4 c t t ( 2 - 5 ) 式中：d 为距线热源的距离，d = ( x 2 + y 2 ) 2 。 细棒的对接、焊条加热，其温度在细棒截面上均匀分布，如同一个均温的小 平面进行热的传播，则热源可认为是面热源。其温度场的解析式【3 8 】为： 卜嘉唧( - 石x 2 ) 协6 ) 这种以集中热源为基础的计算方法，假定热物理性能参数不变，不考虑相变 与结晶潜热，对焊件几何形状简单的归为无限大、无限长、无限薄，计算结果对 远离熔合线的较低温度区较准确，但对于热影响区误差较大。这种模型虽然精确 度不高，但由于计算方法简单，工程上仍得到了广泛应用。 ( 2 ) 高斯分布热源模型 焊接时，电弧热源把热能传给焊件是通过一定的作用面积进行的，这个面积 称为加热斑点。加热斑点上热量分布不均匀，中心多边缘少。e a g a ra n dt s a i l 3 9 】将 加热斑点上热流密度的分布近似地用高斯数学模型来描述，如图3 2 所示。 1 2 g f i 9 2 3t h eg a u s sf u n c t i o nd i s t r i b u t i o nh e a ts o u r c em o d e l 距加热中心任一点a 的热流密度可表示为如下函数形式： q ( r ) = q 。e x p ( 一备) ( 2 7 ) 。磊g ( 2 8 ) q = r l u l ( 2 9 ) 式中：吼为加热斑点中心最大热流密度，单位为j ( m 2 凸) ；r 为电弧有效加 热半径，单位为1 1 1 n 1 ；r 为a 点离电弧加热斑点中心的距离，单位为m i l l ；q 为热 源在瞬时给焊件的热能，单位为w ；r l 是焊接热效率；u 为电弧电压，单位为v ； i 为焊接电流，单位为a 。对于移动热源g ，= 3 q 7 r r 2 这种热源模型在用有限元分 析方法计算焊接温度场时应用较多，在电弧挺度较小、对熔池冲击力较小的情况 下，运用这种模型能得到较准确的计算结果。 ( 3 ) 半球状热源模型和椭球型热源模型 对于高能束焊接如激光焊、电子束焊等，必须考虑其电弧穿透作用。在这种 情况下半球状热源模型比较合适。半球状热源分布函数为： 咖，= 篇唧( 一。鲁】 这种分布函数也有一定局限性，因为在实践中，熔池在激光焊等情况下不是 球对称的，为了改进这种模式，人们提出了椭球型热源模型。椭球形热源分布函 数可表示为： 咖，= 恶唧m 剃2 州洲 协 式中：a ，b ，c 为半轴长 ( 4 ) 双椭球热源模型 高斯热源没有考虑电弧的穿透作用，为了克服这个缺点，a g o l d a k t 4 0 4 1 1 提出 1 3 韭立窑壅本坐缝堂选垃塞埕蓬热理塑性直阻应盐蚯啦堡监基熊 双椭球热源模型，如图3 3 所示。这种模型将前半部分作为一个1 4 椭球，后半部分 作为另一个l ，4 椭球。漫前半部分椭球能量分数为n 后半部分椭球能量分数f 2 ，且 n + 盘= 2 。 图2 4 职椭球热源模型 f 谊24 t h e d o u b l e - e l l i l n o i d f u n c t i o n d l c a i b a t i o n h e a ts o t t r c e m o d e l 前半部分椭球内热源分布函数： 卅，2 等普e x p ( - 3 ( ( 。x ) 2 + t 争2 + 秒。靴， 后半部分椭球内热源分布函数： 卅) = 笋掣a b e 晰3 “( 护( ( 2 1 3 )z 口0t z j jj 式中的a ，b ，叶可取不同的值，它们相互独立。在焊接不同材质时，可将双椭球丹成4 个t 8 的椭球瓣，每个可对应不同的值。 ( 4 ) 生死单元方法热源模型 高斯、双椭球两种热源模型将焊接热流直接施加在整个焊接有限元模型上， 不能模拟焊缝金属熔化和填充，无法模拟实际