Q235厚板焊接残余应力数值模拟设计说明

1、Q235厚板焊接残余应力的数值模拟本文首先总结了国外焊接残余应力的研究进展，并在此基础上提出了本文的研究目的和意义。利用有限元软件ANSYS的APDL语言，编制了模拟焊接瞬态过程的程序，用于热-结构耦合分析。对Q235钢与钢对接接头的温度场和应力场进行了数值模拟和分析，得到了接头中温度和残余应力的连续分布规律:拉应力发生在焊缝附近的狭窄区域，压应力发生在其邻近区域。关键词:残余应力温度场有限元数值模拟文摘:本文对焊接残余应力的发展和研究现状进行了综述，在此基础上提出了本文的研究目的和意义。利用ANSYS APDL语言模拟焊接瞬态过程程序进行热-结构耦合分析，模拟分析Q235钢、钢两种材料搭接接

2、头的温度场和应力场。得到温度场和残余应力的分布:焊缝附近存在拉应力，其他区域存在压应力。关键词:有限元；数值模拟；残余应力；温度场。序焊接是一个复杂的过程，涉及传热学、电磁学、材料冶金学、固体和流体力学等。焊接产生的动态应力应变过程及其后续残余应力是导致焊接裂纹和接头强度及性能下降的重要因素。迄今为止，焊接残余应力一直是人们关注的热点问题，也是焊接生产领域亟待解决的问题。近年来，国外学者对此做了大量的研究，取得了丰硕的成果。中厚钢板是焊接结构生产中不可缺少的重要材料，广泛应用于国防、交通、能源、建筑等国民经济重要部门。钢结构体系具有重量轻、抗震性能好、施工周期短、安装速度快、投资回报快、绿色无

3、污染等优点。在一定程度上反映了国家的综合经济实力和建筑技术的发展水平，在世界范围内得到了广泛应用和大力推广。钢结构体系在欧美的应用已经发展了几十年，其施工速度快、回收方便等优点是其他结构无法比拟的，逐渐成为一种符合时代发展趋势的高效结构体系。本文采用有限元方法模拟研究了平板对接焊的温度场分布、残余应力分布以及温度场与残余应力的关系。不仅可以得到焊接残余应力的影响因素，了解焊接残余应力的连续分布规律，充分掌握结构的特点，而且可以通过优化焊接方法、顺序和工艺来控制(减小)焊接应力和变形。此外，还可以节省大量实验费用，有效缩短研发周期。因此，这是一个高效和低成本的优化过程。本文是我的毕业论文，是作者

4、在阅读大量文献后独立完成的，部分文献引用了三峡大学尤敏教授等。由于本人水平有限，还有很多不足之处，望各位批评指正。1导言1.1课题的来源和意义近年来，随着我国钢产量的逐步增加，为适应经济发展的需要，我国钢结构的应用由限制使用转向鼓励使用，为钢结构的广泛应用和推广创造了良好的氛围。尤其是今年，我国可持续发展理念的提出，钢结构体系在我国建筑行业展现出广阔的应用前景。钢结构的设计和施工技术也发展迅速，取得了良好的经济效益。近年来，在我国沿海软土地区和8度及以上地震高烈度地区，高层钢结构已被采用，并取得了可观的经济效益和社会效益。钢结构体系在建筑结构行业的日益普及和应用，迅速带动了机械制造、金属制造等

5、行业的发展。焊接技术作为钢结构三种连接方式(焊接、螺栓连接和铆接)中最重要的连接方式，因其不削弱构件截面而成为钢构件和金属加工中理想的连接方式。而且焊接技术的快速发展使得这种连接技术成为未来的发展趋势，但却导致钢结构焊缝中的焊接残余应力成为影响构件变形、稳定和脆性断裂的一个不可忽视的因素。构件中的纵向残余应力和钢本身作为弹塑性材料的特性是分析钢结构弹塑性问题的两个重要考虑因素。在钢结构构件的连接过程中，焊接是一种容易产生残余应力的加工工艺，其表现最为明显。一般在焊后冷却过程中伴随着明显的收缩变形和残余应力，其发生情况会因焊接件的形状、尺寸和焊接方法而异。近年来钢结构脆性断裂的事故分析表明，焊接

6、区钢材，尤其是焊接热影响区钢材在三向拉伸下的韧性大大降低。当板材较厚时，由于坡口焊缝的收缩受到很大限制，产生三轴残余拉应力引起的脆性断裂。正是因为钢构件在焊接过程中产生了接近屈服极限的残余应力。钢构件中的残余应力大多表现出很大的危险效应，如降低构件的强度和疲劳极限，引起应力腐蚀和脆性断裂。由于残余应力的松弛，构件变形，构件的尺寸精度受到影响。以往的研究表明，影响钢结构脆性断裂的因素很多。焊缝本身的缺陷和焊缝周围热影响区的分布与应力集中和残余应力的分布及大小有着密切的关系。根据线弹性断裂力学理论，残余应力对裂纹扩展有重要影响，因此需要正确评价和降低焊接残余应力对钢结构和系统工作性能的影响1-6。

7、焊接残余应力是影响焊接结构后焊接件的脆性断裂强度、疲劳强度、屈曲稳定性、振动特性和耐腐蚀性的重要因素。同时，残余应力的存在严重影响了结构的加工精度和尺寸稳定性。因此，焊接残余应力的形成机理、分布规律和测试技术的研究是焊接结构领域的一个重要方面，一直受到世界各国焊接专家学者的关注。通过多年的研究，到20世纪70年代初，焊接残余应力和变形理论的基础基本奠定。传统观点认为，焊缝及近缝区由于其受约束的膨胀而产生的塑性压缩应变是产生焊接残余应力的主要原因。我校游敏教授通过多年的研究分析认为，除了母材中塑性压缩变形引起的焊接残余应力外，焊缝金属在冷却过程中的收缩也是产生焊接残余应力的重要原因，并基于这一原

8、理开发了一种调节焊接接头横向残余应力的新技术7。1.2国外研究现状我国在残余应力领域的研究起步较晚。在20世纪80年代，残余应力的早期研究者丁权完成了关于残余应力、表面强化和金属疲劳的所有研究。他的研究课题“缺口残余应力的集中及其对疲劳性能的影响”表明，疲劳性能不仅与残余应力的分布和大小、材料的弹性性质和外应力的状态有关，还与残余应力的发生过程有关，在研究这些影响的过程中很难定量估计其影响。近年来，国内学者对不同专业领域(包括建筑结构、金属制造加工等)钢构件焊接残余应力卸载的特点和规律进行了广泛的研究。)，以及其对构件屈曲和稳定以及焊接接头疲劳性能的影响。文献8910对钢结构焊接件中残余应力的

9、形成和分布进行了探讨和研究，得到了焊接件表面和中部不同的残余应力分布和拟合曲线，分析了不同分布形式对构件承载力的影响。大学做了提高焊接接头疲劳性能的技术研究，提出了焊接结构的疲劳问题和研究的意义，对疲劳失效的原因做了系统的分析，讨论了应力集中和残余应力对疲劳强度的影响。材料学院设计优化了低相变点焊条，对各种焊接接头进行了大量的疲劳试验和工艺性能试验。结果表明，与普通焊条E5015接头相比，焊条LTTE接头在相变点处的疲劳强度分别提高了11%、23%、42%、46%和59%，疲劳寿命提高了数倍至数百倍。工程部大桥局桥梁研究所研究了焊接残余应力对对接板疲劳的影响，得到了全板断裂循环的积分表达式。通

10、过疲劳试验数据与计算结果的比较，验证了理论和寿命预测的合理性。文献11详细讨论了钢结构脆性断裂的原因。认为除了焊缝本身的一些缺陷(如裂纹、欠焊、夹渣、气孔)和钢的质量因素外，焊接结构的连接形式(如防止三条立缝施焊时材料的塑性变形)、零件内存在的残余应力等因素是产生裂纹的原因。材料不合格、低温冲击韧性差、低温焊接残余应力大是近几十年钢结构脆性断裂事故原因的常规认识。此外，日益复杂的结构形式、恶劣的工作环境(如大海)以及为了降低成本而采用的精确计算方法，大大降低了钢结构体系的安全储备，从而增加了断裂事故发生的概率121314。自20世纪30年代以来，焊接残余应力的研究在世界各个领域得到了广泛的研究

11、。它起源于学者们对焊接过程中瞬时热应力的研究。由于计算技术的限制，瞬时应力的计算比较复杂，当时对瞬时应力和相关运动的了解不多，也只限于对点焊和板条的温度和应力变化的初步研究，不能代表实际的焊接情况。随着计算机技术的迅速发展和普及，1961年，Tall15首次编制了一套计算堆焊时板条中心线应力的简易程序，用于分析焊接时的热应力，也就是后来的一维分析。1968年，在Tall分析的基础上，Battelle研究所编制了焊接过程一维分析的Fortan程序。1970年，国际焊接学会专门成立了“焊接应力、应变等效应的数值分析”工作组，负责收集和汇编世界各地各研究所开展研究工作的报告。在1978年年中召开的“

12、数值技术在焊接中的应用”研讨会上，发表了一篇关于焊接热应力分析的文章。1975年，Murakj16对堆焊过程热应力分析的二维有限元程序进行了很大的改进，可以用来分析对焊和堆焊过程中的热应力。到目前为止，由于开发能够精确分析焊接热效应的三维程序的复杂性以及计算和操作的高成本，将二维分析的应用扩展到三维状态以处理圆柱壳和大型焊件的问题的研究工作一直很艰难。同时，在此期间，人们对焊接热应力及其归属运动的实验研究一直没有间断。其中最具代表性的是麻省理工学院对各种材料和厚度的焊件所做的一系列实验研究。通过与理论预测和分析结果的比较，得出了许多有意义的结论，指出一维程序在预测钢板堆焊和对焊过程中的纵向应变

13、时具有足够的精度，金相变化对瞬时热应变的分析有很大影响。1960年，美国和日本学者在研究应力交变引起的残余应力变化对疲劳的影响时，将残余应力转化为平均应力，与各种作用应力和平均应力状态捆绑，得到疲劳曲线。Trufyakov关于不同应力循环特征下焊接残余应力对接头疲劳强度影响的研究最值得提出。但热处理不仅消除了残余应力，而且软化了材料，使热处理后的疲劳强度下降。该试验显示了焊接热循环引起的残余应力和材料变化对疲劳强度的影响。从这里也可以看出，焊接残余应力对接头疲劳强度的影响与疲劳载荷的应力循环特性有关。即当循环特征值较低时，影响相对较大1718。1.3研究的主要内容1.3.1焊接温度场由于焊接过

14、程的特点，焊接应力和变形的演化过程变得更加复杂，并与焊接温度场直接相关。焊接过程中一般没有外力，残余应力主要是焊接过程中热循环不均匀造成的19。因此，焊接瞬态温度场的计算是焊接残余应力分析的前提，因此有必要对温度场进行解释。在焊接过程中，依赖于时间的局部集中热输入会使焊接部位形成熔化区(熔焊)，这是产生残余应力和焊接变形的根本原因。本文对温度场的研究主要包括以下几点:1.在焊接过程和焊后冷却过程中，焊缝与两侧母材之间的传热及其对应力的影响；2.焊接期间和焊后冷却时焊件上的温度分布；3.在焊接过程和焊后冷却过程中，焊件上接头的温度随时间变化；焊接残余应力残余应力是指材料及其制品在机械加工或合金化

15、过程中产生的应力，在材料或制品的零件中得到平衡。是指在没有外力的情况下，与物体部分平衡受力的过程。金属焊接是金属被各种集中热源局部加热熔化的过程。焊接时，热量以高度集中的瞬时热量输入焊缝局部区域，热源是可移动的。焊件瞬时温度分布不均匀和热膨胀是产生残余应力和变形的根本原因。它的形成主要由三部分组成:1 .焊接区的金属在加热到一定温度时会产生塑性变形，在冷却收缩的过程中会受到附近低温区的约束而产生应力；2.焊件结构和形状的约束引起的应力；3.冷却过程中局部微观结构转变引起的应力。本文对焊接残余应力的研究主要包括以下几点:1.在焊接过程中和焊后冷却过程中，焊缝与两侧母材间残余应力的变化规律；2.冷

16、却后，试样上残余应力的连续分布；3.材料的理化性能对焊接残余应力的影响。2模拟分析过程2.1有限元分析软件ANSYS介绍在过去的几十年里，计算机对科学技术的深远影响是毋庸置疑的。极大地拓展了工程问题的解决。工程领域的大部分力学问题和场问题，如固体力学中的位移场和应力场，热传导中的稳态和瞬态温度场分析，流体力学中的流场问题，量子场论，材料相变的起源，金属裂纹的扩展等。，只能用分析的方法解决。往往是在给定边界条件下求解常微分方程和偏微分方程的问题。虽然有时可以得到它们的基本方程和边界条件，但有时它们的边界条件、结构形状和外载荷过于复杂，无法得到它们的精确解。处理这类复杂工程问题的方法一般是:引入简

17、化假设，采用数值模拟方法。前者通常不可靠，因为不合理的假设会导致结果出现较大误差。因此，随着计算机技术的发展和现代数学、力学理论的成熟和完善，利用计算机数值模拟技术获得满足工程精度的数值逼近，是工程模拟领域的一大突破。随着现代科学技术的飞速发展，焊接仿真技术的地位越来越重要。既能有效提高产品的经济效益，又能节省大量时间。有限元法是焊接模拟技术中为适应计算机而发展起来的一种有效方法。它成功地解决了工程领域的许多问题，广泛用于研究焊接热传导、焊接热弹塑性应力和变形分析、焊接结构断裂力学分析等。目前，世界上有许多大型有限元分析软件。其中，以ANSYS为代表的工程数值模拟软件不断吸收计算方法和计算机技

18、术的最新发展，有限元分析、计算机图形学和优化技术的结合成为解决现代工程问题不可或缺的有力工具20。ANSYS软件是一种大型通用有限元软件，其强大的热结构耦合、瞬态和非线性分析能力使其在焊接仿真技术中具有广阔的前景。焊接温度场和应力场的模拟是利用其热结构耦合分析功能进行计算的21。虽然焊接温度场和应力应变场是双向耦合的，但由于应变场对温度场的影响很小，计算条件有限，本文只考虑温度场对应力应变场的单向耦合。在模拟计算中，采用了ANSYS软件的热-结构耦合功能，通过温度场和应力应变场的直接耦合来计算焊接应力和变形。2.2有限元模型的建立课题是两块规格为1000mmx280mmx20mm的Q235钢板

19、对接，填充金属为钢，不开坡口。焊接后的焊接残余应力是通过双面焊接成形来获得，以随焊接时的温度而变化。假设没有辐射和对流，结构左侧固定，左右边界均给定20的温度约束。有两级焊接，如图1所示，图1是焊缝的横截面图。材料从左至右依次为Q235钢、钢、Q235钢，其中Q235钢初始温度为20，金属钢填充焊缝为1500。我们做出以下假设:该材料是各向同性的；忽略金属的填充和沉积；同时在对接接头的正面和背面开始焊接；不考虑粘弹性塑性和蠕变；忽略电弧焊部位的辐射；忽略熔池流体的流动；该材料是一种理想的塑料材料。图2.1焊接模型图2.2.1计算方法的确定在ANSYS软件中，计算焊接温度场和应力场的方法分为直接

20、法和间接法。直接方法是使用具有温度和位移自由度的耦合单元，同时获得热分析和结构应力分析的结果。间接法是先进行热分析，然后将得到的节点温度作为载荷应用于结构应力分析。由于单元发展的技术原因，直接法可用的单元很少，在分析过程中需要同时计算温度场和应力应变。其解的耦合元包含了所有必要的自由度，耦合场分析结果只需一个解即可得到22。需要指出的是，温度场计算是标量计算，计算时间比矢量计算的应力应变过程要少得多。所以周长的直接计算时间长，不灵活。间接法可以先进行温度场分析，待温度模拟准确后保存温度场结果，再进行应力应变分析。如果应力应变结果不理想，则不需要做温度分析，只需要修改力学性质和优化加载步长，然后

21、计算应力应变即可。这样可以节省很多时间，但是要得到最终的耦合结果需要好几次。这里虽然焊接温度场和应力应变场是双向耦合的，但由于应变场对温度场的影响很小，计算条件有限，本文只考虑温度场对应力应变场的单向耦合。在模拟计算过程中，为了简化求解过程，采用了ANSYS软件的瞬态热结构耦合和生死单元功能。同时，为了简化问题，在分析过程中会忽略结构分析的瞬态效应，只考虑热分析的瞬态效应。在此基础上，进行焊接过程模拟，计算焊接过程中的温度分布和应力分布，并与冷却焊缝的残余应力进行比较。一般来说，ANSYS的计算过程分为前处理、加载计算和后处理三个步骤。接下来的焊接温度场和应力场的计算就是按照这三个步骤来讨论的

22、。2.2.2定义单元属性本文采用的同一接头的焊接残余应力分析程序是基于通用二维热弹塑性有限元程序。程序中考虑了材料常数随温度的变化，直接输入计算所需的不同材料常数随温度的实验曲线，更符合实际情况。金属材料的热物理性质(如比热C、密度Q、导热系数K等。)会随温度变化，焊接时热物性随温度变化较大。如果不考虑材料热物性随温度的变化，计算结果会与真实情况有一定偏差，必须进行预处理。在焊接过程的数值模拟中，必须确定以下参数进行温度分析:热导率、密度和比热容；应力场分析必须确定弹性模量、热膨胀系数、密度和屈服极限等参数23。材料温度弹性模量Pa屈服强度镤剪切模量镤材料密度千克/立方米泊松比传热系数瓦特/(

23、米)线膨胀系数为1/比热焦耳/(千克摄氏度)Q235钢205001000150020002.12e111.75e111.39e111.07e110.83e110.33e90.213e90.153e90.073e90.013e92.12e101.75e101.39e101.07e100.83e1078600.29341.48e-5983钢铁205001000150020001.93e111.5e110.7e110.1e110.01e111.2e90.933e90.435e90.07e90.007e91.93e101.5e100.7e100.1e100.01e1080300.2916.31.78e

24、-6502表2.1材料物性参数表从表中可以看出，计算中所用材料的弹性模量、屈服强度、线膨胀系数和剪切模量都是随温度变化的。2.2.3创建实体模型图2.2简化的2D对接模型模型的几何形状不仅取决于焊件的形状和尺寸，还取决于载荷施加的方式和热源在焊件中的传导。在移动热源条件下，模型简化为二维平面模型，不考虑厚度方向的温度场分布。如图所示。网格划分众所周知，对于有限元分析来说，网格生成是最关键的步骤之一。网格生成的质量直接影响求解的精度和速度。这里首先要决定是用自由网格还是贴图网格。顾名思义，自由网格对形状单元没有限制，三个数组都是不规则的。网格对所包含的单元格的形状有限制，它必须满足某些规则。映射

25、的表面网格只包含四边形或三角形元素，映射的体积网格只包含六面体元素。此外，映射网格具有规则的形状，显然是一排排的单元。这对控制载荷施加和收敛是非常有益的。图2.3子网格模型2.3荷载计算焊接过程是一个非常不均匀的加热过程，焊缝处的温度变化很大。划分网格时一般不使用均匀网格，而是在焊缝及其附近使用密集网格。在远离焊缝的区域，温度分布梯度变化相对较小，可以忽略细节，划分均匀且相对稀疏的单元网格。简而言之，在保持精度的同时减少了网格的数量。为了获得良好的瞬态焊接温度场，焊缝处的最佳单元网格为2.5mm24，远离焊缝区域的单元网格为5mm。网格划分需要以下步骤:1设置单位大小；2激活焊接材料的性能；3

26、.设置网格划分模式；4存储数据库；5生成网格。2.3.1设置解决方案选项并施加约束。在求解处理器中，分析类型被定义为瞬态分析，求解方法为完全方法。焊接件的底边和侧边分别在Y方向和X方向受到约束，并施加初始温度载荷。受约束的模型如图所示。图2.4约束后的模型具体步骤如下:(1)设置分析类型，选择瞬态分析；(2)选择左侧节点；(3)施加约束；(4)选择左右节点；(5)施加温度约束；(6)选择所有实体。2.3.2载荷的施加对于焊接热源载荷，可以在ANSYS中应用热通量或生热率。对于带坡口的对接焊缝或角焊缝，应采用热源作为热处理的焊缝单元，并以生热率的形式施加载荷。同时，考虑到金属的填充效应，应采用生

27、死单元的方法，将填充焊缝逐步转化为绿色单元参与计算。图2.5应用约束后的一级显示图图2.6应用约束后第二层焊缝的显示图本主题中研究模型加载过程的具体步骤如下:(1)设置输出选项；(2)对整体应用初始温度值(20)；(3)设定时间积分控制；(4)杀死焊缝的上部单元；(5)选择焊缝处被激活的单元和节点；(6)对焊缝施加温度约束(1500)；(7)设置时间步长选项，逐步编写载荷。结构如图所示。2.3.3载荷步的确定在非线性瞬态分析过程中，我们需要设置加载步长。载荷步是表示载荷随时间变化，也就是将载荷-时间曲线分成载荷步。分析时，应为每个载荷步定义载荷值和相应的时间值。在计算每个载荷步时，应删除前一个

28、载荷步的温度，每个载荷步需要多个载荷子步。时间步长的大小关系到计算的精度。步长越小，计算精度越高，计算时间越长。根据线性传导传热，初始时间步长可根据以下公式估算:其中，是沿热流方向具有最大热梯度的单元的长度，是热导率，等于热导率除以密度和比热()的乘积。在本课题中，由于硬件条件的限制，焊接过程被简化，设置为7个加载步骤。2.3.4机组的生死手工电弧通常用于焊接大型部件。如果焊接方法是多道焊，由于焊接过程中焊缝金属是逐渐分层沉积的，熔池区的金属将进入力学性能为零的状态，其所有的应力和应变都将消失。这时候就需要采用生死单元技术25。在ANSYS软件中，不是从模型中删除“钉”的单元来达到“死单元”的

29、效果，而是将刚度矩阵乘以一个小的因子。同样，一个单元的“诞生”并不是把它添加到模型中，而是杀死它的所有组件，然后在一个适当的加载步骤中重新激活它。这也关系到单位“杀”或“生”的指定标准问题及相关问题。为了模拟多层焊缝的焊接过程，本课题采用了两层焊缝，在建模时已经以圆弧的形式进行了区分。第一层焊缝开始焊接时，这一层的元素处于“活”状态，其余焊缝处于“死”状态，对温度场和应力场的计算没有影响。当第二层焊缝开始焊接时，这一层焊缝的元素就“复活”了。随着焊接单元的“复活”,焊接热源逐渐添加到焊接单元。本题杀二缝效果如下图所示:图2.7主要焊缝的效果图分析选项的确定焊接温度场分析是一个典型的非线性瞬态热

30、传导问题。如果分析选项设置不正确，计算通常很难收敛。因此应做如下设置:采用全牛顿-拉夫逊(Newton - Raphson)法，每平衡迭代一次修改刚度矩阵，并激活自适应下降功能；打开自动时间步长；打开时间步长预测；时间步长的设置通常对计算精度有很大影响。步长越小，计算越精确。然而，太小的时间步长需要大的计算机容量和长的计算时间。在焊接过程中，一般时间步长应控制在0.5左右。在冷却过程中，时间步长可以逐渐增大。本文在保证焊缝处单元网格足够小的条件下，选取几个时间步长进行计算。每次计算将通过逐渐减少前一次计算的时间步长来进行。当相邻两个计算结果的温度场不大时，可以认为时间步长足够小26。ANSYS

31、中提供了五种求解器，可以根据自由度的数量、花费的时间和要求选择哪一种。一般程序自动选择求解器进行焊接，可以得到较好的计算结果。ANSYS的方程解算器计算多个联立线性方程来预测工程系统的响应。然而，非线性结构的行为不能直接由多个线性方程表示，而是需要多个带修正的线性近似解。3模拟结果及分析ANSYS的后处理就是对计算结果进行查询和处理，以判断网格是否精确，分析结果是否正确。ANSYS软件的后处理包括两个模块:通用后处理POSTI和时间历程后处理POST26。在后处理中，可以查看整个模型在某一载荷步或子步的计算值，比如某一时刻点焊件上各点的应力、应变、温度值。而时间历程的后处理可以检查某一点的数值

32、随时间的变化，比如在整个焊接过程中某一点的应力、应变、温度是如何随时间变化的。为了查看整个焊接过程中温度和应力的动态变化，可以使用ANSYS中的动画显示技术。在后期处理中，查询结果可以以列表和图形的形式显示。ANSYS中的误差估计基于能量分布，主要考虑单元网格的尺寸精度。一般计算结果中的能量误差值应低于10%，否则应细化网格27。3.1温度场模拟图3.1t = 0.001s时的温度场图3.2t = 0.002秒时的温度场图3.3t = 5.002秒时的温度场图3.4t = 10s时的温度场图3.5冷却5000秒后的温度场温度场的数值模拟是应力应变数值模拟的基础，温度场的分布对应力应变的分布有很

33、大的影响。图(3.1)-图(3.5)是各温度的瞬态变化图，依次描绘了各关键时刻的温度场，能反映焊接时焊缝熔合区金属被加热、熔化、冷却凝固的全过程。可以说明焊接热过程的基本特点:(1)加热面积小，加热温度高。造成焊件上各点之间的温度梯度较大，从图中两种颜色的突然变化就可以看出来。(2)加热时间短，温度分布不稳定；对于焊件的某一点，加热时间极短，可视为一瞬间28。即当焊接热源接近焊件上的某一点时，热源的热量会使该点迅速升温，而随着热源的离开，热量会被导出，使其温度降低。可以看出，焊件上的传热过程是一个不稳定的传热过程。图(3.1)和图(3.2)是一次焊接时的温度场，可以看出焊缝区域及其附近已经达到

34、熔化状态；图(3.3)二次焊接时的瞬态温度场，焊缝区域的温度已经达到了1500，这是一个很大的温度梯度。可以清楚的看到焊件在加热，因为远离焊缝的部分还是室温；图(3.5)显示了冷却过程中焊接件的温度。可以看出，焊接区域的温度逐渐降低，而非焊接区域的温度逐渐升高，并且随着离焊接区域距离的增加而降低，说明焊接是一个热传导过程。由于是同种材料的焊接过程，从图(3.4)和(3.5)可以发现，焊接区域两侧的温度分布是相同的。3.2应力场模拟图3.6t = 0.001s时的应力场图3.7t = 0.002秒时的应力场图3.8t = 5.002秒时的应力场图3.9 t=10s时的磁场图3.10冷却5000秒

35、后的应力场图3.11沿X轴的横向应力分布图3.12沿厚度方向的应力分布应力场如上图(3.6)至图(3.10):从图中可以看到某一时刻各点的瞬态应力图，也可以看到一些应力集中点(如图中红色位置)，因为这些地方的应力比较大，比较集中。还可以看到焊件温差造成的热应力。这种瞬时热应力随时间快速变化。当温度梯度较大且随时间的变化率较大时，这种瞬态应力作用在焊接件上。将温度场图(3.1)和(3.2)与应力场图(3.6)和(3.7)对比可以看出，此时第一层焊缝中心温度超过1200度，焊缝中心金属钢受热不均匀产生的热应力达到或超过焊缝中心钢的屈服强度， 于是焊缝中心区域产生塑性变形，焊缝周围钢材的热膨胀受到两

36、侧母材的约束，所以有了第二次焊接，由于第一次焊接的加热，第一次焊接的残余应力基本消除。 在焊缝的冷却过程中，由于焊缝的收缩，在靠近焊缝的狭窄区域产生拉应力，如图(3.8)、(3.9)所示；从图(3.10)中可以发现，焊接残余应力的分布是不均匀的，残余应力只存在于焊缝和近焊缝区，所以最大残余应力出现在熔化区附近，随着离焊缝距离的增加逐渐变为零。图(3.11)和图(3.12)分别显示了沿X轴方向的横向应力分布和沿厚度方向的应力分布。从图中可以看出，焊接残余应力分布是不均匀的，焊后收缩趋势越大，该区域的应力值越大，这意味着拉应力产生在靠近焊缝的狭窄区域，其最大值可以达到材料的屈服强度值。在其相邻区域

37、产生压应力。图3.13焊件上部铜表面的等效应力分布图3.14焊件中间层横向应力和等效应力分布图图3.15焊缝钢下表面等效应力分布图从图(3.14)可以看出，焊缝的位置位于曲线的X=(0.3-0.7)，其应力最大。将此区间的应力峰值与图(3.13)和图(3.15)中两个表层的应力分布进行比较，可以发现焊缝钢上下两层的残余应力是相同的，从横向应力分布图(3.14)也可以看出其在焊缝区域的应力是相同的。理论上，在焊接过程中，焊接区域受热剧烈，局部熔化的速度远高于周围区域。焊接区域的材料受热膨胀，热膨胀受到周围冷区的限制，产生热应力。当加热区域温度升高时，屈服强度极限降低，热应力可能部分超过屈服极限，

38、从而在焊接区域形成塑性热压。冷却后，焊接区域相对于周围区域更短、更窄或更小，因此该区域呈现拉伸残余应力，周围区域承受压缩残余应力。从图(3.6)到图(3.15)可以看出，应力变化规律与理论基本一致。4对全文的总结和展望4.1全文总结本文对Q235钢对接接头焊接后的温度场、应力场和残余应力进行了模拟，提出了基于ANSYS软件的焊接温度场和应力模拟分析方法。通过这项研究，可以得出以下结论。(1)通过本文中一个实例的数值模拟，得到了这种接头的温度场和焊缝应力的分布，得到了试件上残余应力的连续分布规律:靠近焊缝的狭窄区域产生拉应力，其相邻区域产生压应力。(2)本文应用弹塑性热应力理论，考虑材料的热物性

39、和力学性能随温度的变化，利用ANSYS软件对Q235钢和钢对接焊缝的残余应力进行了分析，掌握了影响接头残余应力的主要因素。提出了预防和降低残余应力的措施。本文的工作还存在以下不足，需要在今后进一步完善:(1)受硬件条件限制，本文采用二维模拟，不能完全反映各个方向的温度分布和应力分布；(2)由于缺乏材料物性数据，本文认为两种材料的线膨胀系数、导热系数和比热容都是定值，给最终分析结果带来一定误差；(3)不考虑热源问题，在某一层上焊接时，认为是对该层施加温度约束，而不是用热流密度加载热量，也会给结果带来一定的误差；(4)本文的方法没有解决计算时间、存储空间和计算精度之间的矛盾。(5)该方法不考虑高温

40、蠕变和辐射；(6)本文的方法没有考虑熔池流动对焊接温度场和应力的影响；(7)本文不考虑对接接头的焊接顺序，认为两侧同时焊接；(8)文中实例的计算结果尚未得到实验验证。4.2未来前景如何调控焊接残余应力一直是工程界普遍关注的问题，因为它们的存在直接关系到焊接结构的安全性和可靠性2930。但是，目前对焊接残余应力的研究还不多，国外许多学者越来越重视对焊接残余应力的研究。随着计算机的发展，数值模拟方法已用于预测焊接残余应力，并取得了丰硕的成果。例如，特厚板焊接残余应力的分析以及为减少和调整焊接后管道结构表面的残余拉应力而提出的许多焊接工艺和方法都得到了应用。这些都是过去常规分析方法难以达到的。但这远

41、远不能满足科学研究和实际工程的需要。例如，通过数值分析来控制实际复杂焊接结构的残余应力仍然存在许多问题。目前一个更重要的问题是缺乏材料性能数据，尤其是高温下的性能数据，这给焊接残余应力的数值分析带来了很多困难。因此，建立相应的材料性能数据库也将推动焊接残余应力数值模拟技术的发展。其次，由于焊接应力场的计算是一个受相变、塑性、非线性等多种因素影响的热弹塑性问题。，尤其是焊后冷却过程中的相变体积膨胀严重影响残余应力的分布。因此，在焊接残余应力的数值分析中，应充分考虑相变的影响。因为焊接应力场的计算是一个受相变、塑性、非线性等多种因素影响的热弹塑性问题。，尤其是焊后冷却过程中的相变体积膨胀严重影响残

42、余应力的分布。因此，在焊接残余应力的数值分析中应充分考虑相变的影响31。本文提出的焊接对接接头残余应力模拟分析方法将会得到很大的发展，具有广阔的应用前景。焊接热应力、残余应力和变形的分析将定量化和精确化；通过对焊后残余应力和应变的准确模拟，可以为后续研究焊接接头的强度、疲劳和裂纹奠定基础，焊接温度场的分析也可以作为后续分析焊接过程和焊后微观组织的前提条件。焊接温度场的分析方法可应用于热处理的模拟分析3233。另外，随着各种技术的深入研究和发展，本文提出的模拟方法可以利用有限元软件的参数化语言编写程序，打包各种焊接形式的模拟程序，建立焊接温度场、应力和变形的数值模拟系统，通过计算机系统指导实际工

43、作和生产，从而促进焊接过程模拟技术在工程中的应用。事实上，现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刻的认识，并为解决异种接头的焊接残余应力带来了新的思路和方法。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将会有广阔的应用前景，由异种接头残余应力引起的接头失效问题也将得到很好的解决。致谢这篇论文的顺利完成，离不开我的导师于海洲老师的悉心指导和悉心培养。作者对导师半年来在学习和科研中给予的指导、关心和帮助表示衷心的感谢。导师严谨的治学态度、一丝不苟的工作作风、谦虚的待人接物方式、自由的学术氛围都给作者留下了深刻的印象，必将对作

44、者未来的发展产生重要的影响。老师的亲切关怀和热情指导会铭刻在作者心中。在学习期间，我也得到了王杰、龙伟、王长庚等同学的大力帮助。在这里，笔者也深深地感受到了他们。最后，我真诚地感谢所有关心和帮助过我的老师和同学。参考仓，元。有限元方法的理论和工程应用。技术大学，1997年。如苍。多孔工程材料的力学行为。技术大学，1996年。守虚成。有限元法。清华大学，2004。GB50205-2001钢结构工程施工质量验收规范。中国机械工程学会焊接学会焊接手册-焊接结构。机械工业，2001。吴明升乐永强。锅炉再热器顶部密封结构焊接开裂原因分析。安全分析，2005，22(9):47-49。尤敏和小玲。连接结构分

45、析。华中科技大学，2003，8(5)18-24。余天庆，党志杰。焊接残余应力对焊接构件疲劳性能的影响。桥梁建筑，2000，25(2):4-6。岳兰。图解法测定压力容器残余应力的研究J.实验力学，2005，20(3):403-410。芦伟曾元兴。焊接结构分析。机械工业，1985。A.马哈茂迪、斯特凡内斯库、侯赛因、楚门、史密斯和威瑟斯侧向冲孔残余应力场的测量和预测。工程材料与技术2006，35(8):128-451。熊英，黄忠，焊接工字钢腹板的局部稳定性及屈曲后强度计算。工程建设与设计，2005，14(4):27-29。曾，熊。金属板料成形中的残余应力和不稳定性分析。塑料工程学报，2005，12

46、(2):82-84。李秀。钢结构焊接连接设计中常见问题的探讨。1994,9(1):96-97.芦伟曾元兴。焊接结构分析。机械工业，1985。唐万明，萧瑜。钢结构对接焊缝横向残余应力分布研究。交通大学学报，2004，23(6):40-42。熊木文。钢结构脆性断裂及技术预防措施。国外焊接，2004，33(6):73-74。欧阳宾，华。残余力对轴心受压和受压构件影响的探讨。水利工程学报，2004，23(3):42-45。张英林，尤敏，李。焊接结构工程。:水利电力，1995，22(1):7-42。闵行区汀路。异种钢焊接残余应力的分析与实验研究。机械强度。1997,16(2):51-53焊接期间热弹塑性

47、应力和应变的分析。反式J。日本焊接学会，1971年，2(2):9100ANSYS非线性分析指南，ANSYS.inc 1999。楚。数值分析在焊接中的应用。交通大学，1985。唐兴伦，群波，赵辉，等。ANSYS工程应用教程。中国铁路，1990年。余作生，严义霞，等。ANSYS在焊接中的应用。有限元在工程中的应用。师范大学，1998。张鹏翔，邓左良。对接焊接接头残余应力的数值和实验研究J假定材料科学，2004，25(3):511522 .林。焊接应力和变形的数值模拟。理工大学硕士论文。长度焊接中的热应力。在R.Hetnarski(编辑)。热应力1。荷兰北部，阿姆斯特丹，1986，5(2):299-

48、389。LADA，熊迪静等译。焊接热效应温度场和残余应力。机械工业，1997，8(2):12-156。张英林，尤敏，李。焊接结构工程。水利电力，1995，10(2):7-42。吴亮王建华。焊接变形和残余应力预测理论的发展及应用前景。焊接学报，2001(10):4-6。王建华等人。薄板焊接屈曲变形的有限元模型。上海交通大学学报M，1999，4(2):69-72。提高焊接三维有限元分析的数值精度和稳定性。焊接学报，1996，75(4):129-134。附录:ET，1，PLANE13键盘选项，1，1，4KEYOPT，1，2，0键盘选项，1，3，0键盘选项，1，4，0键盘选项，1，5，0！*MPTEM

49、P，MPTEMP，1，20，500，1000，1500，2000MPDATA，EX，1，2.12E+011，1.75E+011，1.39E+011，1.07E+011，8.3E+010MPDATA，PRXY，1，0.29MPDATA，ALPX，1，1.48E-005，1.48E-005，1.48E-005，1.48E-005，1.48E-005MPDATA，密度，1，7860TB，BKIN，1，5，2，1TBTEMP，20TBDATA，3.3E+008，2.12E+010，TBTEMP，500TBDATA，2.13E+008，1.75E+010，TBTEMP，1000TBDATA，1.53E+

50、008，1.39E+010，TBTEMP，1500TBDATA，7.3E+007，1.07E+010，TBTEMP，2000年TBDATA，1.3E+007，8.3E+009，MPDATA，KXX，1，34MPDATA，C，1，983MPDATA，MURX，1，1MPTEMP，MPTEMP，1，20MPTEMP，2500MPTEMP，31000MPTEMP，41500MPTEMP，52000MPDATA，EX，2，1.93E+011，1.5E+011，7E+010，1E+010，1E+009MPDATA，PRXY，2，0.29UIMP，参2分，MPDATA，ALPX，2，1.78E-005，1

51、.78E-005，1.78E-005，1.78E-005，1.78E-005MPDATA，密度，2，8030MPDE，前任，2岁MPDE，PRXY，2MPDATA，EX，2，1.93E+011，1.5E+011，7E+010，1E+010，1E+009MPDATA，PRXY，2，0.29MPDE，窝点，2MPDATA，密度，2，8030UIMP，2，参考文献，20MPDE，ALPX，2MPDATA，ALPX，2，1.78E-005TB，BKIN，2，5，2，1TBTEMP，20TBDATA，1.2E+009，1.93E+010，TBTEMP，500TBDATA，9.33E+008，1.5E+0

52、10，TBTEMP，1000TBDATA，4.35E+008，7E+009，TBTEMP，1500TBDATA，7E+007，1E+009，TBTEMP，2000年TBDATA，7E+006，1E+008，MPTEMP，MPTEMP，1，0MPDE，KXX，2MPDATA，KXX，2，16.3MPDATA，C，2，502MPDATA，MURX，2，1k，1，0，0，0，k，2，0.5，0，0k，3，1，0，0，4.0，0.26，0，0.35，0.26，0，6，0.65，0.26，0，k，7，1，0.26，00.5，0.300167，0，LARC，五，六，八FLST，2，4，3FITEM，2，1

53、FITEM，2，2FITEM，2.5FITEM，2，4一、P51XFLST，2，4，3FITEM，2，22.3英尺FITEM，2.7FITEM，2.6一、P51XFLST，2，3，42.3英尺FITEM，2.9FITEM，2，1铝，P51X大小为0.025，0，类型，1垫子，2个真实的，ESYS，0SECNUM，TSHAP线！*厘米，Y，面积ASEL，3CM，_Y1，面积CHKMSH，区域CMSEL，S，_Y！*姆什基，1AMESH，_Y1MSHKEY，0！*CMDELE，_YCMDELE，_Y1CMDELE，_Y2！*大小为0.05，0，类型，1材料，1真实的，ESYS，0SECNUM，TS

54、HAP线！*厘米，Y，面积ASEL，1CM，_Y1，面积CHKMSH，区域CMSEL，S，_Y！*姆什基，1AMESH，_Y1MSHKEY，0！*CMDELE，_YCMDELE，_Y1CMDELE，_Y2！*厘米，Y，面积ASEL，2CM，_Y1，面积CHKMSH，区域CMSEL，S，_Y！*姆什基，1AMESH，_Y1MSHKEY，0！*CMDELE，_YCMDELE，_Y1CMDELE，_Y2！*2,1！*ANTYPE，4！*TRNOPT，满LUMPM，0！*NSEL，S，LOC，X，0结束FLST，2，15，1，ORDE，4FITEM，2170FITEM，2180FITEM，2190FI

55、TEM，2，-202FLST，2，15，1，ORDE，4FITEM，2170FITEM，2180FITEM，2190FITEM，2，-202！*d，P51X，UX，UY，NSEL，S，LOC，X，0NSEL，A，LOC，X，1FLST，230，1，ORDE，7FITEM，2170FITEM，2180FITEM，2190FITEM，2，-202FITEM，2320FITEM，2330FITEM，2，-343！*d，P51X，20，温度，ALLSEL，所有结束！*OUTRES，所有，所有，FLST，2，469，1，ORDE，2FITEM，2，1FITEM，2，-469集成电路，P51X，温度20，

56、TIMINT，0，结构计时，1，热计时，0，MAGTINTP，0.005，1，0.5，0.2，！*结束FLST，284，2FITEM，290菲特姆，297菲特姆，283菲特姆，276菲特姆，269菲特姆，262菲特姆，255FITEM，2111FITEM，2112FITEM，2110费特姆，2109菲特姆，2108菲特姆，2107菲特姆，2106费特姆，296费特姆，295菲特姆，294菲特姆，293费特姆，292菲特姆，285菲特姆，278菲特姆，271菲特姆，264菲特姆，257FITEM，250菲特姆，2146菲特姆，2147FITEM，2145FITEM，2144菲特姆，2143FIT

57、EM，2142FITEM，2141FITEM，2134FITEM，2127FITEM，2120菲特姆，2113FITEM，2114FITEM，2121FITEM，2128FITEM，2135FITEM，2136FITEM，2129FITEM，2122FITEM，2115FITEM，2123菲特姆，2116FITEM，2130FITEM，2137FITEM，2138FITEM，2131FITEM，2124菲特姆，2117FITEM，2118FITEM，2125FITEM，2132FITEM，2139FITEM，2140FITEM，2133FITEM，2119菲特姆，254FITEM，2126菲特

58、姆，253菲特姆，252菲特姆，251菲特姆，258FITEM，260费特姆，259菲特姆，267菲特姆，261菲特姆，268菲特姆，266菲特姆，265菲特姆，272菲特姆，273FITEM，280菲特姆，279菲特姆，286菲特姆，287菲特姆，288菲特姆，289菲特姆，281菲特姆，282菲特姆，274菲特姆，275EKILL，P51XESEL，现场直播ESEL河，马特，2NSLEFLST，279，1，ORDE，14FITEM，2，12.3英尺FITEM，2，-10菲特姆，235FITEM，2，-49菲特姆，255FITEM，2，-97FITEM，2128FITEM，2，-134FITEM，2140菲特姆，2146FITEM，2152FITEM，2158