铝合金搭接接头焊接工艺设计

1、铝合金搭接接头焊接工艺设计 毕业设计（论文） 专业 班级 学生 学号 指导教师 重庆交通大学 年 目录 摘要 .I ABASTRACT .II 前言 .1 第1章铝合金焊接必备知识 .3 1.1 铝合金性能 .3 1.2 铝合金分类 .3 1.3 铝合金的焊接特点 .4 第2章有限元介绍 .5 2.1 有限元法概述 .5 2.2 有限元的发展 .6 2.3 有限元在焊接中的应用及发展 .6 2.4 有限元软件ABAQUS介绍 .7 2.4.1 ABAQUS简介 .7 2.4.2 ABAQUS基本模块及操作方法 .8 第3章焊接变形有限元分析理论 .9 3.1 焊接热过程分析理论 .9 3.1.

2、1 热量传递三种基本方式 .9 3.1.2 焊接热过程特点 . 10 3.1.3 热传导分析中的非线性 . 11 3.1.4 非线性热传导有限元分析 . 11 3.2 焊接残余应力和变形分析理论 . 12 3.2.1 基本假设 . 12 3.2.2 平衡方程 . 13 3.3 ABAQUS热应力分析问题 . 13 3.3.1 ABAQUS中的几种热边界条件和热载荷 . 13 3.3.2 ABAQUS热应力分析类型. 14 第4章程序设计 . 15 4.1 材料及焊件尺寸确定 . 15 4.2 建立几何模型 . 15 4.3 材料定义及截面属性的分配 . 16 4.4 装配 . 17 4.5 定

3、义分析步 . 17 4.6 建立接触 . 18 4.7 创建载荷及预定义场 . 19 4.8 划分网格 . 21 4.9 编写子程序 . 21 4.10 创建作业 . 22 4.11 提交计算 . 23 第5章计算结果分析 . 24 5.1 温度场计算结果及分析 . 24 5.2 应力应变场计算结果分析 . 30 5.2.1 应力场计算结果及分析 . 30 5.2.2 变形结果及分析 . 32 第6章焊接方案 . 35 致谢 . 37 参考文献 . 38 2016届机械设计制造及其自动化专业论文 摘要 焊接，作为一种重要的现代化加工手段，得到的焊件密封性好，结构刚度大，且质量相对较轻，可有效减

4、轻产品结构自重。但是，在焊接过程中产生的残余应力和变形对焊件的影响非常巨大。本课题基于ABAQUS有限元软件，同时考虑到材料非线性、几何非线性和边界条件非线性，采用热-弹-塑性有限元法对焊接过程进行数值模拟。以4mm厚的6061-T6铝合金搭接接头为例，采用完全耦合热应力分析方法，同时进行温度场和应力场的求解，得到焊件的温度、应力、应变分布规律，并对结果进行分析，并根据最终结果得出工艺设计方案。 关键字：焊接工艺，搭接接头，残余应力，有限元，完全耦合，热应力分析 ABASTRACT As an important means of modern processing, Welding is u

5、sed by various walks of life. With good sealing, good structural stiffness, and light weight, Weldment can effectively reduce the weight of the product, and is good for energy conservation. But during the process of welding, residual stress and deformation of the weldment is very common, which have

6、a big impact on weldment. Based on the finite element software ABAQUS, a thermal-elastic-plastic finite element method was applied in consider of material non-linearity, geometric non-linearity and boundary conditions non-linearity, to simulate welding process. Focus on 4mm thick 6061-T6 aluminum al

7、loy lap joint, Fully coupling method was adopted. we made heat transfer analysis and thermal stress analysis at the same time, so we obtained temperature, stress, strain distribution, which is exactly what we need to analyse.After that,we can get the welding process. Keywords：Welding process, lap jo

8、int，Residual stress, Finite element method, Fully coupling, Thermal stress analysis 2016届机械设计制造及其自动化专业论文 前言 焊接，是指以加热、加压或两者并用的方式使工件达到原子间的键和从而形成永久性连接的一种制造工艺及技术。共件，采用焊接连接方式，密封性好，结构刚度大，整体性好，且焊接产品比铸件、铆接件和锻件重量轻，将其运用到汽车、高铁、飞机等动力性机械上，可减轻产品自重，节约能量。因而焊接已成为现代工业中不可缺少的一种工艺手段，已广泛运用到机械、电力、军工、航天、高铁、汽车等各个领域，作用日益重要。铝

9、合金具有较高的比强度、优良的耐腐蚀性能和良好的工艺成形性，在近年得到越来越广泛的运用。焊接作为一种高效的连接方式，在铝合金的加工过程中占有重要地位。焊接过程其实就是一系列复杂的热量传递过程，焊缝及焊接热影响区的热量分布直接关系到焊件的焊接性能和使用性能。热量不足，焊缝区熔化不充分；热量太多，将会导致热影响区的过度软化；热量不均匀，焊后变形大。在焊接过程中，热源相对于工件在不停地移动，在某一时刻，工件只有局部受热，故工件的加热和传热过程是极不均匀的，这种不均匀温度场是产生残余应力和焊后变形的关键因素。对焊接结构而言，残余应力和焊后变形的影响是非常关键的。残余应力的大小和分布情况直接影响到焊件的脆

10、性断裂、应力腐蚀开裂以及疲劳断裂，焊接变形直接关系到焊接结构的尺寸公差和形状公差。所以对焊接温度场、焊接残余应力和焊后变形的正确评估是非常重要的。而焊接是一个包括电弧物理、传热、冶金和力学的复杂过程，若采用传统实验法研究，由于影响因素太多会导致结果缺乏规律性，且用时长、成本高。而采用有限元法的热结构耦合功能分析焊接过程，能够克服实验法的缺点，是研究焊接变形与残余应力变化规律的有效方法，为合理选择焊接方式和工艺参数提供了依据。 有限元单元法（Finite Element Method），简称有限元法，其核心思想是结构的离散化，就是将实际结构假想地离散为有限数目个规则单元的组合体，通过对离散体进行

11、一系列分析，再进行整体分析，得到工程精度范围内的近似结果来替代对实际结构的分析，这种方法可以解决很多理论分析无法解决的复杂问题。有限元法诞生于20世纪中叶，经过几十年的发展，有限元理论日趋完善，计算方法日趋成熟。同时伴随着近几十年来计算机技术的迅猛发展，基于计算机平台的有限元软件层出不穷、不断完善，现世界各大公司已经开发出了一大批通用和专用有限元软件，这些软件的出现解决了众多工程领域的计算难题，大大地减少了先期成本和风险，实现了巨大的经济效益。 1 ABAQUS是由世界知名的有限元分析软件公司ABAQUS公司（2005年被法国达索公司收购，2007年公司更名为SIMULIA）于1978年推出，

12、是一种通用有限元软件，其最大的优势在于其强大的非线性分析系统，它能自动选择合适的载荷增量和收敛准则，在分析过程中对这些参数进行调整，保证结果的精确性。它拥有高达433种单元的丰富的单元库，可以用于模拟各种复杂的几何形状，并且拥有丰富的材料模型库，可用于模拟绝大多数的常见工程材料，如金属、聚合物、橡胶、复合材料、钢筋混凝土、可压缩的弹性泡沫以及各种地质材料等。此外，ABAQUS使用起来非常简便，很容易建立复杂问题的模型。对于大多数数值模拟，用户只需要提供结构的几何形状、边界条件、材料性质、载荷等工程数据即可。故ABAQUS已经在世界范围内得到了广泛的应用，涉及机械、土木、水利、船舶、航空、电器、

13、汽车等各个领域。 焊接中的热问题主要包括两方面的内容：传热问题（确定温度场）和热应力问题（确定应力应变场）。本课题运用ABAQUS有限元软件，采用完全耦合分析方法，同时进行温度场和应力场的求解，对6061-T6铝合金搭接接头的焊接过程进行数值模拟与分析，对搭接接头焊接过程中温度场变化问题、残余应力、焊接变形进行模拟，并对结果进行分析。 2 2016届机械设计制造及其自动化专业论文 第1章铝合金焊接必备知识 1.1 铝合金性能 铝的比重是2.7，熔点为660，具有面心立方结构，故具有很高的塑性，易于加工，可制成各种型材、板材。但是纯铝的强度和硬度很低，难以满足工程结构设计要求，常通过在铝中加入一

14、定的合金元素以得到强度和硬度更高的铝合金。铝合金是以铝为基的合金系总称，主要的合金元素为锌、铜、镁、硅、锰，次要元素有镍、锆、钛、锂、铁等。按添加的合金元素和成材方式，铝合金可以分为：变形铝合金和铸造铝合金。按时效强化方式可分为：时效强化铝合金、非时效强化铝合金和铸造铝合金。 与传统的钢铁材料相比，铝合金不仅具有较高的比强度、比模量、断裂韧度、疲劳强度和优良的耐腐蚀性能，而且还具有良好的工艺成形性，目前已广泛应用于机械、化工、电力、军工、航天、高铁、汽车等各个领域。采用铝合金代替钢板材料的焊接，结构重量可减轻50%以上。 1.2 铝合金分类 在工业上，以4位数规格编号表示铝合金材质，对其进行分

15、类： 1系：含铝99%以上，价格便宜，是最常用的一个系列； 2系：铜铝合金，硬度较高； 3系：锰铝合金，防锈功能较好； 4系：硅铝合金，低熔点，耐热、耐磨性好； 5系：镁铝合金，密度低，抗拉强度高，延伸率高，疲劳强度好； 6系：镁硅铝合金，抗腐蚀、抗氧化性好，加工性好； 7系：锌铝合金，耐磨性好，具有良好焊接性能。 铝合金的状态代号，根据铝合金热处理状态划分，用一个英文大写字母表示： O：退火状态，适用于经完全退火获得最低强度的加工产品 F：制造状态，适用于在成型过程中，对于加工硬化和热处理条件无特殊要求的产品， H：加工硬化状态，适用于通过加工硬化提高强度的产品，产品在加工硬化后可经过（也

16、可不经过）使强度有所降低的附加热处理。 T：热处理状态，适用于热处理后，经过（或不经过）加工硬化达到稳定的产品。 3 1.3 铝合金的焊接特点 焊接是对于铝合金结构的一种重要加工工艺。常见的铝合金焊接方法分为三类：熔化焊、压力焊和钎焊。其中各种电弧焊、激光焊和电子束焊都属于熔化焊；电阻焊和摩擦焊属于压力焊；应用于电子行业及散热器件的铝合金多采用钎焊。其中，熔化焊是目前应用最广也是最重要的铝合金焊接技术。然而，由于铝合金材料具有热导性好（约是钢铁材料的3倍）、线膨胀系数大（约是钢铁材料的2倍）等特点，焊接时存在以下问题： （1）常温常压下铝合金极易氧化，在表面生成一层附着力很强且难熔的氧化膜（A

17、l2O3，其熔点为2060，远高于纯铝熔点），氧化膜的存在不仅阻碍了电弧能量的传递，使得焊接过程的稳定性变差，而且易形成焊缝夹渣和气孔等缺陷； （2）铝合金母材、焊件表面、保护气、大气环境和保护气套管壁等都含有一定量的水分和氢，由于氢的溶解度在固液状态下差别比较大，导致熔池中氢呈现出过饱和状态，为焊缝形成气孔提供了条件； （3）铝合金属于典型亚共晶合金，具有较宽的脆性温度区间，而且线膨胀系数也大，熔池在快速凝固过程中容易在固相线高温区附近形成热裂纹； （4）铝合金的线膨胀系数较大，凝固收缩率约为6.6%，焊件的变形和残余应力比较大，而热裂纹和残余应力正是影响焊接结构疲劳性能的重要因素之一； （

18、5）合金元素Mg的沸点（1090）远远低于铝的沸点（2467），焊接时易发生严重的蒸发烧损，降低了其在焊缝中的组成，不利于强化相颗粒的形成，另外，合金元素Li的氧化性极强，是高强度Al-Li合金焊接时的一大问题； （6）由于铝合金的热导率和比热容较大，相同板厚时，需要能量更集中、功率更大的热源，有时还需要对焊件进行恰当的预热处理，这必然会导致铝合金接头的过度软化，制造成本也会大幅提高； （7）铝合金对光和热的反射能力很强，在融化和冷却凝固时，没有明显的色泽变化，给焊接操作和熔池检测带来很大困难。 4 2016届机械设计制造及其自动化专业论文 第2章有限元介绍 2.1 有限元法概述 有限元法（F

19、inite Element Method,FEM）,从数学角度看，其基本思想是通过离散化的手段，将偏微分方程或者变分方程变换成代数方程求解。从力学角度看，其基本思想是通过离散化的手段，将连续体划分为有限个小的单元体，并使他们在有限个节点上相互连接，在一定精度要求下，用有限个参数来描述每个单元的力学性能，整个连续体的力学性能可认为是这些小单元体力学特性的总和。由于大多数实际问题难以得到准确解，而有限元不仅计算精度高，而且能适应各种复杂形状，因而成为非常有效的工程分析手段。 对于不同物理性质和数学模型的问题，有限元法的基本步骤是一样的，仅是具体的公式推导和求解运算不同。有限元法求解的基本步骤一般为

20、： 第一步：问题和求解域的定义：根据实际要求的问题近似确定求解域的物理性质和几何区域。 第二步：将求解域离散化：将求解域等效为有限个大小和形状相似，且彼此相连的单元组成的离散域，一般称之为有限元网格划分。单元越小，网络越细，离散域的近似程度越好，计算结果也越精确，但增加了计算量，误差也将增大。因此正确、合适的离散化是有限元法的核心技术之一。 第三步：状态变量和控制方法的确定：通常，一个具体的物理问题可以用一组包含状态变量边界条件的微分方程式表示，为利于有限元求解，一般将微分方程化为等效等价的泛函形式。 第四步：单元推导：为有限元单元构造一个合适的近似解，即推导有限单元的列式，包括选择合理的单元

21、坐标系、建立单元试函数、给出单元各状态变量的离散关系，从而形成单元矩阵，即单元刚度矩阵。 为保证问题的解能够得到收敛，单元推导过程中要遵循很多原则。对工程应用而言，重要的是注意每种单元的解题性能与约束。例如，划分单元应该尽量规则，因为畸形单元不仅精度低，而且有缺秩的危险，可能会导致无解。 第五步：总装求解：将单元刚度矩阵联合形成离散域的总矩阵方程，即整体刚度矩阵。离散域要满足近似求解域的要求，则各个单元函数的连续性需要满足特定的连续条件，因为总装是在各个单元相邻结点上进行的，故状态变量及其导数的连续性建立在结点处。 第六步：联立求解方程组和检验结果：有限元法最终求解结果是总体联立方程组。可通过

22、直接法、选代法和随机法求解方程组，求解得到的结果是各个单元结点处状态变量的近似值。所以对于计算结果的质量，需要通过设计要求提供的允许值范围来比 5 较、评价并确定是否需要重复计算。 总而言之，有限元分析大致可分为三个阶段：前处理、分析计算和后处理。前处理阶段主要是定义物理问题的有限元模型，完成单元网格的划分；分析计算阶段则是求解一系列方程组，由单元刚度矩阵推导求解整体刚度矩阵；后处理阶段则是对分析结果进行处理，使用户能够方便地提取计算信息，了解计算结果。 2.2 有限元的发展 有限元的概念早在几个世纪前就已产生并得到了应用，例如用多边形（有限个直线单元）逼近圆来求得圆的周长，但作为一种方法而被

23、提出，则是最近的事。1943年courant在论文中取定义在三角形域上分片连续函数，利用最小势能原理研究St.Venant的扭转问题。1960年clough的平面弹性论文中用“有限元法”这个名称。1965年冯康发表了论文“基于变分原理的差分格式”，这篇论文是国际学术界承认我国独立发展有限元方法的主要依据。 有限元法最初被称为矩阵近似方法，应用于航空器的结构强度计算，并由于其方便性、实用性和有效性而引起从事力学研究的科学家的浓厚兴趣。经过短短数十年的努力，随着计算机技术的快速发展和普及，有限元的理论日趋完善，有限元方法迅速从结构工程强度分析计算扩展到几乎所有的科学技术领域，成为一种丰富多彩、应用

24、广泛并且实用高效的数值分析方法。现已开发了一批通用和专用有限元软件，这些软件的出现解决了众多领域的工程计算难题，大大地减少了先期成本和风险，实现了巨大的经济效益。 2.3 有限元在焊接中的应用及发展 焊接是一个非平衡快速凝固结晶的特殊热力学过程，基体金属的迅速融化和急速冷却导致膨胀与收缩，在焊后结构中产生残余应力与焊接变形。这种不均匀的应力应变状态会严重影响接头性能。为揭示残余应力和变形的分布规律，首先需要确定焊接温度场。然而要准确测定局部区域内三维动态热应力应变和温度，不仅需要昂贵复杂的专业设备，而且难以得到信息的原位反馈。 自从1966年Wilson和Nickell将有限元法应用于固体热传

25、的分析计算后，有限元法分析的优势便迅速在焊接温度场的求解中得到认可。1975年加拿大的Paley编制了可分析非矩形截面的单道、双道U和V型开坡口的焊接温度场的分析程序，确立了有限单元法应用于焊接温度场的地位。美国的Krutzy在其1976年的博士论文中专门研究利用焊 6 2016届机械设计制造及其自动化专业论文 接温度场预测接头的强度问题，获得了非线性温度场。而对于三维焊接过程分析，国内外也是近20年才开始研究。1994年，上海交通大学汪建华等人和日本大阪大学合作对三维焊接温度场进行了一系列的研究，探究了焊接温度场的特点及提高分析精度的若干途径。 有限元数值模拟不但可快速得到焊接件在焊接过程中

26、的瞬时热应力变化，而且可以直接获得最后的残余应力分布于焊接变形，已经成为工程设计和分析必不可少的工具。对于焊接生产技术的研究，已由之前的“理论试验生产”模型，朝着“理论数值模拟生产”模型转变。但是，运用有限元进行焊接分析仍然存在一些问题：例如，要用有限元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。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

27、虑到相变作用的影响。 事实上，已有的数值模拟研究成果已经使我们对复杂的焊接过程有了深入的了解，为解决焊接残余应力带来了新思路和新方法。因此，我们有理由相信，随着人们对焊接残余应力认识的深入和计算机技术的高度发展，焊接残余应力数值模拟技术具有广阔的应用前景。 2.4 有限元软件ABAQUS介绍 2.4.1 ABAQUS简介 ABAQUS是由世界知名的有限元分析软件公司ABAQUS公司（2005年被法国达索公司收购，2007年公司更名为SIMULIA）于1978年推出，经过三十几年的不断发展和完善，现不仅能进行有效的静态和准静态分析、模态分析、瞬态分析、弹塑性分析、接触分析、碰撞和冲击分析、爆炸分

28、析、断裂分析、屈服分析、疲劳和耐久性分析等结构和热分析，而且可以进行流固耦合分析、压电和热电耦合分析、声场和声固耦合分析、热固耦合分析、质量扩散分析等。 ABAQUS基于其高达433 种单元的单元库，可以用于模拟各种复杂的几何形状，并且拥有丰富的材料模型库，可用于模拟绝大多数的常见工程材料，如金属、聚合物、复合材料、橡胶、可压缩的弹性泡沫、钢筋混凝土以及各种地质材料等。 7 此外，ABAQUS使用非常简便，很容易建立复杂问题的模型。对于大多数数值模拟，用户只需要提供结构的几何形状、边界条件、材料性质、载荷等工程数据。ABAQUS最大的优势在于其强大的非线性分析系统，它能自动选择合适的载荷增量和

29、收敛准则，在分析过程中对这些参数进行调整，保证结果的精确性。 目前，ABAQUS在很多国家得到了广泛的应用，涉及机械、土木、水利、船舶、航空、电器、汽车等各个领域。近年来，我国的ABAQUS用户也迅速增长，使得ABAQUS在大量的高科技产品的研发中发挥了巨大的作用。 2.4.2 ABAQUS基本模块及操作方法 ABAQUS/CAE划分为一系列功能模块，每个模块只包含有与模拟作业的某一指令部分相关的一些工具，模块列表中的次序与创建一个分析模型的逻辑次序是一样的，分别为： 1）部件：在ABAQUS/CAE环境下用图形工具生成或从第三方软件导入几何模型； 2）属性：定义材料性质和截面几何形状，为部件

30、分配截面属性； 3）装配：创建部件实例，使所有实例相对于其他部件定位于总体坐标系中，构成一个 装配件； 4）分析步：构建分析步骤和输出需求； 5）相互作用：指定模型各区域之间或与周围环境间的力学或者热力学方面的相互作用； 6）载荷：指定载荷、边界条件和场变量及其所在分析步； 7）网格：利用各层次上的自动划分和控制工具生成满足需要的网格； 8）作业：提交、管理并监控分析作业； 9）可视化：以简单、动态的图像显示有限元模型及分析结果。 8 2016届机械设计制造及其自动化专业论文 第3章焊接变形有限元分析理论 3.1 焊接热过程分析理论 3.1.1 热量传递三种基本方式 热量传递主要有三种方式：热

31、传导、热对流和热辐射。这三种热量传递方式的物理本质是不一样的，实际工程中的热传递现象一般是三种方式的综合作用结果。 （1）热传导 热传导，指直接接触的物体或同一物体各部分之间的热量传递现象。其机理是不同温度的物体或同一物体不同温度的各部分之间，分子动能的相互传递，即动能较大的分子把能量传给邻近动能较小的分子。从宏观上表现为热量由高温物体传递给低温物体，但不存在物质的宏观移动。 均质固体中的热传导遵循傅里叶定律： 式（3-1） dqn?dQn?T?dA?n dqn：热流密度（w/m2）,单位时间内通过单位面积的热量； ?T/?n：温度梯度(K/m)，温度场中任意点温度沿等温面法线n方向的增加率；

32、 ?：导热系数(w/(mK)，指单位厚度的材料两侧表面在单位温差下及单位时间内， 通过单位面积传递的热量，主要取决于物质种类、结构、物理状态以及温度、湿度、密度等，其中温度对导热系数的影响尤为重要。 （2）热对流 热对流，是由于流体的宏观运动使不同温度的流体发生相对位移而引起的热量转移现象。热对流只能发生在流体中，常常在工程上遇到的不是单纯的对流方式，而是对流和导热联合作用的方式，这种方式称为对流换热。对流换热既具有流体分子间的微观导热作用，也具有流体宏观位移的热对流作用，所以对流换热过程必然受到导热规律和流体流动规律的支配。换句话说，它与流体的流动物性和换热壁面的几何尺寸、形状有密切关系，因

33、而是一个复杂的传热过程，遵循牛顿冷却公式： 式（3-2） qwc?hc?Tw?Tf? 9 qwc：热流密度（w/m2）,单位时间内通过单位面积的热量； Tw：固体壁面温度（K）； Tf：流体温度(K)； hc：对流换热系数（w/(m2K)，指单位面积上，流体与壁面之间在单位温差下及单位时间内所能传递的热量,其与物体的热导率、密度、比热容、形状、尺寸，及其流动形态、成因等有关。 （3）热辐射 热辐射，是一种是在能量传递过程中伴随有能量形式转化（热能与辐射能之间转化）的非接触式传递能量的方式，区别于导热、对流这两种需要物质传递热量的方式，热辐射不需要传热介质，即使是在真空中，热辐射也照常能进行。

34、从微观角度讲，物体之所以产生辐射热交换，是由于物体中的分子、原子、电子等微粒的能级发生变化时，以光子的形式对外发射能量，光线照射到物体上,光子把能量传递给分子,加剧分子的无规则热运动。 辐射能投射到物体上时，其中一部分被物体吸收，一部分被物体反射，另一部分透过物体。影响热辐射线吸收和反射的主要因素是物体的表面粗糙度，表面粗糙度越大，物体对热射线的吸收能力也越大。 对于灰体(即黑度为)，其热辐射规律可用斯蒂芬波兹曼定律表示为： E=0T4 式（3-3） E：辐射密度(w/m2)，物体单位表面积单位时间内发射的一切波长射线所携带的能量； ：辐射率，即黑度系数，在0-1之间，表面越光，则越小； 0

35、: 波兹曼常数，约为5.6710-8w/(m2k4)； T：热力学温度（K）。 3.1.2 焊接热过程特点 （1）焊接热过程具有瞬时性，因为在高度集中的热源作用下，加热时间极短，速度极快，即要在很短的时间内迅速把热量传递给焊件； （2）焊接过程中，热源相对焊件是运动的，焊接时焊件受热区域不断的变化，使得焊接传热过程极不稳定； （3）焊接热过程发生在局部，焊件的加热并不是整体，而是热源直接作用的附近区域，所以加热极不均匀； （4）焊接熔池中的熔融金属并非静止不动，而是在强烈的运动着，同时发生一系列复杂的物化反应。在熔池内部，热量传递以流体对流为主，熔池外部以固体导热为主。 10 2016届机械设

36、计制造及其自动化专业论文 除此之外，在焊件的外表面上还发生着与与空气的对流换热和辐射换热。因此，焊接过程涉及到上述三种基本传热方式，属于复合传热问题。 3.1.3 热传导分析中的非线性 1）材料非线性: a.导热系数是温度的函数；b.比热容是温度的函数；c.潜热效应，是一种很强的非线性。 2）边界条件非线性:a.具有辐射边界条件，有时也是一种很强的非线性；b.换热系数是温度的函数；c.任何热流边界条件中，热流是温度的函数。 3.1.4 非线性热传导有限元分析 焊接过程温度场分析问题是典型的非线性瞬态热传导问题，因此，在进行有限元分析时，假定一个单元内节点温度呈线性分布状态，然后再根据变分原理推

37、导出节点温度的一阶常系数微分方程组。然后在时间域上用有限差分法把它化成节点温度线性代数方程组的递推公式，然后把每个单元矩阵叠加起来形成节点温度线性方程组，从而求得节点温度值。用有限元分析热传导过程，其实是把一个热传导微分问题转化为了变分问题，对实体结构进行有限元分割，把变分问题近似表达为线性方程，然后求解线性方程组，把所得到的解作为热传导问题的近似解。 （1） 空间域的离散 ?tt?t?ttt?K?H?T?C?T?RQ?Rq?Rh? 式（3-4） ?ttt?t?t?t 这样包含空间域和时间域的偏微分方程问题在空间域被离散成有 N 个节点的常微分初值解问题。其中，K为传导矩阵，包括热导系数、热对

38、流、对流系数及辐射率和形状系数，C为比热矩阵，考虑系统内能的增加和减少，T为节点温度列向量，T为温度对时间的导数，Q为节点热流率向量，包含热生成。 如果材料热物理性能随温度变化，如K(t),C(r)等，则为非线性热分析，称为材料非线性。非线性热分析的热平衡矩阵方程为： 式（3-5） （2）时间域的离散 离散方程包含对时间的一阶微分方程，对时间离散较为简单，假定时间域用等时间间距t离散，并且tn时刻空间域 V 内各点温度值已知，边界条件也给定，这样就有 ?Tn?1?Tn?11 ? ?Tn?Tn?1?Tn?t?t?t?t? 式（3-6） 式中为加权系数?0?1?，将离散方程代入上式得： ?C?C?

39、Tn?Rn?1?1?Rn?KT?1?Kn?1?式（3-7） ?t?t? 一旦给定初值，就可以用上述公式求出时间域内任意时刻tn时空间域 V 内的温度分布。 3.2 焊接残余应力和变形分析理论 残余应力指当所有外载荷卸载后仍然残留在物体内部的应力。焊接残余应力是由于在焊接过程中局部热源的加载产生的局部熔化而引起的不均匀温度分布，同时不均匀的温度分布也会导致热应变和局部的塑性变形。焊接残余应力源于受阻收缩过程、淬火过程和相变过程。受阻收缩占主导因素，它可以通过热膨胀系数和温度差来计算。由其他两个因素导致的残余应力通常与由收缩导致的残余应力同时存在。焊件的残余应力状态主要取决于产生的温度梯度的严重性和限制焊件热变形的约束的自由度，并且它以平衡内部残余应力和焊接变形的组合为主要特征。 按照残余应力的定义，平衡条件下截面内的残余应力可以用如下公式来表示 式（3-8） 在任何一个截平面内， 式（3-9） 其中,为 Cauchy应力，可以表示为 式（3-10） 分别是沿 X、Y、Z 平面的应力分量，分别是切变应力分量，