（材料加工工程专业论文）溶解乙炔气瓶焊接应力的有限元分析.pdf

合肥工业大学 本论文经答辩委员会全体委员审查，确认符合合肥工业大学 硕士学位论文质量要求。 主席： 委员： 导师： 答辩委员会签名：( 工作单位、职称) 是嘞专书钎殇婀吁彬 久叫 哆昕移z 斜娼j 多乞事公刁毒沙 掳奴已而以磊乙磊段 心府1 f f u 。，s 本学位论文作者完全了解金胆王些太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本 人授权金罂王些太堂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， 可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：狰级伤 签字日期： ff 年归日 学位论文作者毕业后去向：刍够蟛 工作单位：；。幺爱毵复嘀隈幺司 通讯地址珑l ；1 2 至7 盆型毵参茵膨幺习 导师签名： 签字日期： 电话：胁s 6 7 3 旧 蝴：f 嘲 溶解乙炔气瓶焊接应力的有限元分析 摘要 焊接模拟技术作为新兴的现代研究方法，可以通过计算机模拟实际的焊接 过程，得到一定工况下焊件中温度、应力、变形等物理量的数值分析结果，这 就大大地节约了实际焊接试验对人力、物力和时间的消耗，对保证焊接结构的 质量和安全可靠性具有重大的经济价值和现实意义。 溶解乙炔气瓶作为特殊的第三类压力容器，其设计、制造质量要求严格。 在气瓶的生产制造过程中，焊接质量对溶解乙炔气瓶的安全运行和使用寿命起 着关键作用。本课题以某企业生产的溶解乙炔气瓶为例，通过有限元分析软件 a n s y s 对其主体焊缝的焊接温度场及应力场进行了模拟。模拟的焊接过程包 括：封头与阀座间角接接头的双层埋弧焊；筒节纵缝的双面埋弧焊；封头与筒 节间环缝的双面埋弧焊。分析了焊接过程中的应力变化以及焊后去应力热处理 对接头残余应力的影响，探讨了溶解乙炔气瓶在设计载荷作用下的应力分布。 研究结果表明：不同的焊接接头形式，温度场的变化都经历了一个从始焊 时的非稳态逐渐过渡到准稳态，临近焊缝的末端又呈现非稳态的过程，多道焊 后续焊道的峰值温度要高于起始焊道。 不同主体焊接接头焊接应力场的分布存在着较大的区别，角接接头的残余 应力主要集中在焊缝区及封头一侧的焊接热影响区，焊缝区和熔合区为周向残 余拉应力，而热影响区为周向残余压应力。纵缝的轴向残余应力出现在焊缝中， 沿焊缝总体呈现出中间高两端低的分布，且内缝表面的轴向应力明显高于外缝。 焊缝中的周向应力要低于轴向应力，在纵缝的起始端与末端，周向残余应力发 生突变。环缝的周向残余应力大于轴向残余应力，内缝焊后在焊道根部存在较 高的应力集中，外缝的焊接热循环作用可以使内缝中的焊接残余应力重新分布， 应力峰值显著降低。 焊后去应力热处理可以在一定程度上降低接头的焊接残余应力。气瓶在设 计压力下受到的周向拉应力约是轴向应力的两倍。相对焊接残余应力，工作载 荷对气瓶的使用安全性影响较小。 关键词：溶解乙炔气瓶；数值模拟；焊接温度场；应力分析 t h e w e l d i n gs t r e s sf i n i t ee l e m e n ts i m u l a t i o no f d i s s o l v e da c e t y l e n ec y l i n d e r s a b s t r a c t w e l d i n gs i m u l a t i o nt e c h n o l o g ya san e wm e t h o d ，c a ng e tac e r t a i nc o n d i t i o n s i nt h ew e l d i n gt e m p e r a t u r e ，s t r e s sa n dd e f o r m a t i o no ft h ep h y s i c a lq u a n t i t i e sb y c o m p u t e rs i m u l a t i o nt h ea c t u a lw e l d i n gp r o c e s s ，i ti s t h er e s u l t so fn u m e r i c a l a n a l y s i sg r e a t l ys a v e st h e a c t u a lw e l d i n gt e s t f o rh u m a n ，m a t e r i a la n dt i m e c o n s u m p t i o n ，i th a sag r e a te c o n o m i cv a l u er e l i a b i l i t ya n dr e a l i s t i cs i g n i f i c a n c ei n e n s u r et h eq u a l i t ya n ds a f e t yo fw e l d e ds t r u c t u r e t h ed i s s o l v e da c e t y l e n ec y l i n d e ri st y p i c a lo ft h et h i r dk i n do fp r e s s u r ev e s s e l ， t h eq u a l i t yo fd e s i g na n dm a n u f a c t u r i n gr e q u e s ts t r i c t l y i nt h ep r o d u c t i o np r o c e s s o fd i s s o l v e da c e t y l e n ec y l i n d e r st h ew e l d i n gq u a l i t yp l a yak e yr o l ei ns a f eo f o p e r a t i o na n ds e r v i c e ，i nt h i st o p i c ，t a k et h ep r o d u c t i o no fd i s s o l v e da c e t y l e n e c y l i n d e r sf o re x a m p l es i m u l a t e dw e l d i n gs e a mo fb o d yt e m p e r a t u r ef i e l da n ds t r e s s f i e l db yt 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 i n c l u d i n gt h ed o u b l e s u b m e r g e d a r cw e l d i n gi n s e a l i n g a n ds e a tj o i n t s ，c y l i n d e rs e c t i o no f l o n g i t u d i n a ls e a m 、r i n gw e l db e t w e e ns e a l i n ga n dc y l i n d e rs e c t i o n ，a n a l y s e st h e s t r e s sc h a n g e sa n dw e l d i n gp r o c e s so fs t r e s sa f t e rw e l d i n gr e s i d u a ls t r e s so nj o i n t s h e a t ，d i s c u s s e st h ee f f e c to fd i s s o l v e da c e t y l e n ec y l i n d e r si nd e s i g no ft h e s t r e s s d i s t r i b u t i o n r e s e a r c hr e s u l t ss h o wt h a td i f f e r e n tw e l d i n gj o i n t s ，t h et e m p e r a t u r ei nt h e f i e l dh a se x p e r i e n c e daf l i g h tq u a s i - s t e a d ys t a t ef r o mu n s t e a d y , a n di nt h ee n di n u n s t e a d yp r o c e s s ，t h es u b s e q u e n tp a s s e sp e a kt e m p e r a t u r eh i g h e rt h a nt h e i n i t i a l p a s s e s t h es t r e s sf i e l d sa r eo fg r e a td i f f e r e n c e ，t h ea n g l ej o i n to fe q u i v a l e n tr e s i d u a l s t r e s sa r em a i n l yc o n c e n t r a t e di nw e l da r e a ，w e l da r e aa n df u s i o na r e a a r e c i r c u m f e r e n t i a lr e s i d u a lt e n s i l es t r e s s ，a n dh e a ta f f e c t e dz o n ei sr e s i d u a ls t r e s s t h e l o n g i t u d i n a ls e a ma x i a lr e s i d u a ls t r e s si sa l o n gt h ew e l d i n gw h i c hi sb i g g e ri nt h e m i d d l et h a ne n d s ，a sw e l la st h ea x i a ls t r e s ss e a ms i g n i f i c a n t l yh i g h e ri n s i d et h a n o u t s i d e t h ea x i ss t r e s si sl a g e rc o m p a r e dw i t hc i r c u m f e r e n t i a ls t r e s s ，t h es t r e s s o c c u r sg r e a tb r e a ka nt h ee n do fw e l d i n g ，t h e r ea r eh i g hs t r e s sc o n c e n t r a t i o n sa tt h e r o o to fi n s i d ew e l d i n g ，t h eh e a tc y c l eo fo u ts i d ec a nm a k er e s i d u a ls t r e s so fi n s i d e d i s t r i b u t i o n ，a n ds i g n i f i c a n t l yr e d u c ep e a k s t r e s s s t r e s sa f t e rw e l d i n gh e a tt r e a t m e n tc a ni nac e r t a i ne x t e n tt or e d u c ej o i n t w e l d i n gr e s a b o u tt w i c e t h es a f e t y0 k e y w o r d s ： 致谢 在论文即将结束的时刻，就意味着研究生生涯的结束，心中不禁思绪万千， 首先要把最深的谢意献给我的导师李萌盛老师。我知道，我所掌握的言语并不 能确切地表达我对李老师的感激之情。是李老师给了我一片天空，使我有了可 以试翅的空间。李老师在学术上给了我方向，生活中给我以关怀，用她的言传 身教，使我学到了许多书本上没有的东西，这是我获得的最宝贵的财富。值此 论文完成之际，谨向恩师致以最崇高的敬意和最诚挚的感谢。 论文工作期间，作者还要特别感谢焊接教研室的吴圣川老师以及徐道荣副 教授，感谢他们在研究工作中的热情指导和提出的宝贵建议。同时对焊接教研 室的其他老师一并表示真诚的感谢。 最后，对在课题研究中给予作者许多帮助和指导的宋荣武师兄和孙芳芳师 姐致以深深的谢意对在论文写作期间给予作者帮助的师弟，师妹们表示感谢。 作者：孙钦德 2 0 1 1 年3 月 目录 第一章绪论1 1 1 选题背景及意义l 1 2 有限元法简介2 1 3 焊接过程数值模拟的概况2 1 3 1 焊接温度场的模拟概况3 1 3 2 焊接应力场的模拟概况4 1 3 3 有限元软件在焊接模拟中的应用4 1 3 4a n s y s 在有限元分析中的应用5 1 4 本课题的主要研究内容5 第二章焊接过程的数值模拟7 2 1 焊接数值模拟的特点7 2 2 焊接影响因素间的关系7 2 3 焊接数值模拟的方法及步骤8 2 4 焊接温度场的数值模拟1 0 2 4 1 定义单元类型1 0 2 4 2 定义材料的属性1 0 2 4 3 生成网格1 l 2 4 4 熔焊热源模型1 2 2 4 5 热源加载1 4 2 4 6 生死单元技术1 4 2 5 焊接应力场模拟1 5 2 6 求解设置1 6 2 7 结果后处理1 7 2 8 本章小结1 7 第三章角接接头的温度场和应力场模拟1 8 3 1 焊接温度场的模拟1 8 3 1 1 有限元模型的确定1 8 3 1 2 角焊缝温度场的求解过程1 9 3 2 热分析结果2 1 3 2 1 三维温度场分布2 1 3 2 2 焊接热循环曲线2 3 3 3 应力场模拟过程2 4 3 4 应力场分析结果2 5 3 5 本章小结2 8 第四章筒节纵缝的温度场和应力场模拟3 0 4 1 模拟内容与方法3 0 4 2 纵缝温度场分布3 1 4 3 应力分布的模拟结果3 2 4 4 本章小结3 6 第五章环缝焊接温度场和应力场的数值模拟3 8 5 1 模拟内容与方法3 8 5 2 温度场计算结果3 8 5 3 应力场计算结果3 9 5 3 1 内缝的应力分布4 0 5 3 2 外缝焊接时内侧的应力分布4 1 5 3 3 焊缝方向的瞬时应力曲线：4 1 5 3 4 残余应力分布4 2 5 3 5 接头横截面的应力分布4 3 5 3 6 特殊点的应力变化4 4 5 4 结论4 6 第六章去应力热处理过程的模拟：4 7 6 1 角接接头的热处理分析4 7 6 2 筒节纵缝的热处理分析4 8 6 3 环缝的热处理分析4 8 6 4 本章小结5 0 第七章气瓶的工作应力分析：5 l 7 1 整体分析模型5 1 7 2 模拟结果5 1 7 3 结论5 3 第八章结论5 4 参考文献5 5 攻读硕士学位期间发表的论文s 8 插图清单 1 - 1 溶解乙炔气瓶几何模型5 2 - 1 焊接因素之间的关系8 2 - 2 间接法计算流体示意图9 2 - 3g a u s s 热源模型示意图1 2 2 - 4 双椭球热源模型示意图1 3 2 - 5 三维锥体复合热源模型1 3 3 - 1 接头的断面模型1 8 3 - 2 角接接头有限元模型。1 9 3 - 3 底层焊温度分布2 l 3 - 4 盖面焊的温度分布j 2 2 3 - 5 热源中心横截面上的温度分布2 3 3 - 6 热循环曲线采集点2 3 3 - 7 焊缝表面各点的热循环曲线2 4 3 - 8 盖面焊的等效应力分布2 6 3 - 9 底层焊时的轴向和周向应力曲线；2 6 3 - 1 0 盖面焊时的轴向和周向应力曲线2 7 3 - 11 残余应力分布2 7 3 - 1 2 中截面的周向残余应力分布2 8 3 - 1 3 中截面的轴向残余应力分布2 8 4 - 1 筒节纵缝的有限元模型及焊缝接头3 0 4 - 2 内缝焊接时的温度分布3 1 4 - 3 外缝焊接时的温度分布3 2 4 - 4 内，外缝焊后冷却过程中的温度分布3 2 4 - 5 内缝焊接2 0 秒时的应力分布3 3 4 - 6 内缝焊接6 0 秒时的应力分布3 3 4 - 7 内缝表面中心线上的瞬时应力变化曲线3 4 4 - 8 外缝表面中心线上的瞬时应力变化曲线3 4 4 - 9 内缝的焊后应力分布3 5 4 - 1 0 外缝焊后的残余应力分布3 5 4 - 1 1 内缝焊后筒节中截面的应力分布3 6 4 - 1 2 外缝焊后筒节中截面的残余应力分布3 6 5 - 1 环缝接头有限元模型和焊缝截面形状3 8 5 - 2 内缝焊接时的瞬时温度分布3 9图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图 5 - 3 外缝焊接时的瞬时温度场分布3 9 5 - 4 内缝焊接1 5 秒时的瞬时应力分布4 0 5 - 5 内缝焊接4 5 秒时的瞬时应力分布4 0 5 - 1 0 内缝焊后应力分布4 2 5 1 1 外缝残余应力分布4 3 5 1 2 内缝中截面的残余应力4 3 5 - 1 3 外缝中截面的残余应力4 4 5 - 1 4 各点在接头中的位置4 4 5 - 1 5 内缝焊接过程中各点的应力变化曲线4 5 5 - 1 6 外缝的应力变化曲线4 5 6 - 1 热处理前、后的周向应力分布，4 7 6 - 2 热处理前，后的轴向应力分布j 4 7 6 - 3 热处理前、后的周向残余应力分布4 8 6 - 4 热处理前、后的轴向残余应力分布4 8 6 - 5 热处理前，后的周向残余应力分布4 9 6 - 6 热处理前、后的轴向残余应力分布4 9 7 1 溶解乙炔气瓶的有限元模型5 1 7 - 2 气瓶内，外侧的等效应力分布5 2 7 - 3 气瓶的周向应力分布5 2 7 - 4 气瓶的轴向应力分布j 5 3图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图 表2 - i1 6 表3 - i 焊 表6 - 1 热 c 材料比热 旯材料导热系数 k 热流集中系数 g 电弧的有效功率 u 电弧电压 吼一边界换热热损失 p 卜一弹塑性矩阵 屈服应力 别单元几何矩阵 渺户单元节点上力 日应变硬化指数 第一章绪论 1 1 选题背景及意义 近几年，随着工业化发展不断加快，我国已经成为世界制造业的中心。压 力容器作为石油化工、机械、核工业、航天航天、轻工、食品、制药等多种工 业的承压设备，常用于完成反应、传热、传质、分离和贮运等的生产工艺过程， 且随着科学技术的发展，压力容器的应用领域不断拓宽，其种类和数量都迅速 增加。 压力容器在使用过程中，大多要承受一定的工作压力，并且所接触的介质 多为极端条件，如低温、高温或易燃易爆等。它们在使用过程中一旦发生事故， 就会危及正常生产，甚至可能引起火灾、中毒、爆炸等恶性事故，这给人们的 生命财产造成不可估量的损失【l 】。结构设计方法，材料的选用，生产工艺及管 理方式等多种因素都影响容器的安全性。在使用过程中，出于疲劳受力和腐蚀 性介质的作用，也可能从缺陷处诱发裂纹，导致容器的开裂、最终酿成灾难性 事故【2 1 。 压力容器的安全性是至关重要的，这是所有压力容器设计者的首要保证， 在保证安全的前提下，才可以考虑压力容器制造的经济性与实用性【3 4 】。 传统的压力容器的设计是基于弹性失效准则，以我国的g b1 5 0 钢制压力 容器、美国的a s m e v m 1 压力容器和日本的j i s b8 2 4 3 压力容器构造 为代表。该种设计方法虽然简单易行，却忽略了压力容器不同的应力性质以及不 同应力性质对结构失效的影响程度，使得设计出来的容器粗大笨重，不符合压力 容器设计经济性要求【5 】。 随着力学理论、计算机辅助分析的发展，以弹塑性失效为基础的分析设计 准则应运而生，以我国的j b 4 7 3 2 钢制压力容器分析设计标准为代表，该方 法为压力容器的合理设计提供了一种新的方法，然而，由于一些非标准容器的结 构复杂性及计算方法的不完善，分析设计仍然没有得到广泛应用【6 肖j 。 近年来随着数值计算方法尤其是有限元分析方法的不断发展和完善以及大 型有限元分析软件的推广应用，分析设计方法才体现出其自身在工业中的价值， 被广大设计者所认同。如今，在压力容器特别是大型高压容器的设计和制造中， 数值模拟的设计方法已经被广泛采用。数值模拟可用于压力容器设计制造的多 个环节，如容器的整体结构分析、温度场模拟、应力一应变场模拟以及各种热 一应力耦合场分析。 在压力容器的制造中，焊接是最主要的连接方法，由于焊接产生的焊接残 余应力和残余变形几乎不可避免，因此，焊接工艺过程其对容器的制造质量和 结构的承载能力有着重要的影响 9 , 1 1j 。作为焊接工作者，只有从压力容器的结 构设计、生产制造过程入手，采用合理的生产、制造工艺和防止焊接缺陷的措 施，获得高质量的焊接接头，才能保证压力容器的安全运行。因此，开展对压 力容器的性能产生重要影响的因素一一焊接残余应力与变形方面的研究工作， 尤其是对焊接过程中瞬态温度场、热应力应变场以及焊接残余应力的分布规律、 形成机理及其影响因素等的研究，无疑具有重要的学术价值和现实意义。 1 2 有限元法简介 有限元法最早可以追溯到2 0 世纪4 0 年代，由c o u r a n t 用定义在三角区域 上的分片连续函数和最小位能原理来求解扭转问题时首先提出的。1 9 6 0 年 c l o u g h 进一步处理了平面弹性问题，并第一次提出了”有限单元法，使人们认 识到它的功效i l2 。 有限元法的原理是将连续的求解域离散为一组单元的组合体，用在每个单 元内假设的近似函数来分片的表示求解域上待求的未知场函数，近似函数通常 由未知场函数及其导数在单元各节点的数值插值函数来表达。从而使一个连续 的无限自由度问题变成离散的有限自由度问题。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。 简单地说，有限元法是一种离散化的数值算法。离散后的单元与单元间通 过节点相联系。对每个单元，选取适当的插值函数，使得该函数在子域内部、 子域分界面上( 内部边界) 以及子域与外界分界面( 外部边界) 上都满足一定的条 件【1 3 1 。然后把所有单元的方程组合起来，就得到了整个物理场的方程。求解该 方程，就可以得到结果的近似解。离散化是有限元方法的基础，必须依据结构 的实际情况，决定单元的类型、数目、形状、大小以及排列方式。 1 3 焊接过程数值模拟的概况 焊接过程一般是焊件局部区域加热后又冷却凝固的热过程。在焊接过程中， 焊件的熔池部分被加热到熔化状态，而母材等其他部分还处于固态，这就形成 了焊件中温度分布的不均匀，不均匀温度场的存在，导致焊件不均匀的膨胀和 收缩，从而使焊件内部产生焊接应力而引起焊接变形。通常情况下焊接应力和 焊接变形同时存在，如果焊件或结构的变形苗超过了允许的数值就必须矫正 【1 4 】，虽然有的变形经矫正能达到使用要求，但却需要花费大量物力和人力。 长期以来，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 耗大量的人力和物力。而如果使用数值模拟方法，通过计算机模拟实际的焊接 工况，得到在该条件下的数值分析结果，再通过少量验证性试验来证明数值方 法在处理这一问题上的适用性，那么大的筛选工作便可由计算机进行，而不必 在车间或实验室里进行大量的试验，这就大大地节约了人力、物力和时间，减 少实验工作量。对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 2 现实意义【15 1 。 1 3 1 焊接温度场的模拟概况 在焊接过程中，被焊金属由于热量的输入和传播，而经历加热，熔化( 或 者达到热塑像状态) 和随后的冷却过程，焊接温度场属于典型的非瞬态热传导 问题，在整个焊接过程中温度随时间和空间急剧变化，材料的热物理性能也随 温度剧烈化，同时还存在着熔化和相变潜热等现象，要彻底搞清这一问题十分 困难。由焊接热过程的特点所决定的： ( 1 ) 不同的焊接方法决定了不同的焊接能量分布以及热输入方式，而施加 到被焊金属试件上的热量的大小与分布决定了熔池的形状和尺寸。 ( 2 ) 焊接过程加热和冷却时材料性能参数也会发生变化，焊接工艺参数的 变化又影响了熔池的凝固，相变过程，并最终影响到热影响区的金属显微组织 的转变过程。 ( 3 ) 焊接过程中不均匀加热使焊接部位受到不均匀温度场，从而造成不均 匀的应力状态，产生不均匀的应力和应变。 ( 4 )在焊接热作用下，受到冶金，应力因素以及被焊金属组织的共同影 响，可能产生各种形态的焊接裂纹以及其他冶金缺陷。 焊接温度场的研究是从解析方法开始的，随着数值模拟技术的发展，逐步 过渡到有限差分法和有限元法。在近几年的发展中，有限元方法逐步占据了主 导地位，分析模型也从开始时候的一维发展到二维模型，进而发展到现在的三 维实体模型。 有限元方法基本思想由c o u r a n t 于1 9 4 3 年首先提出，并于1 9 6 0 年正式提 出有限元这一名称以后，有限元分析就迎来了发展的春天。由于有限元法可以 用任意形状的网格分割区域以及根据场函数的需要有疏有密地自由布置节点位 置等独特的优越性，几乎在一切连续场领域得到了广泛的应用。 但是有限元方法在热分析特别是焊接分析上的应用要追溯到2 0 世纪6 0 年 代，但是由于数据量大，在计算机技术还比较落后的情况下，并没有取得较快 的发展。直到1 9 7 5 年加拿大的p a l e y 和h i b b e r t 发表了利用有限元方法分析焊 接时非线性热传输过程的研究论文，证实了有限元数值方法计算焊接温度场的 可行性【1 6 ，美国k u r t z 在1 9 7 6 年的博士论文中专门研究了焊接热循环曲线以预 测接头强度，其中分析了非线性温度场变化趋势。其建立了二维动态非线性温 度场的模型，考虑了材料的导热系数和比热随温度的变化。 9 0 年代以后，在求解焊接传热问题中，随着理论研究的发展以及电子计算 机的进步，使得大量数据的处理成为可能，数值计算法越来越受到科研工作者 的重视，并取得了较大进展。研究的焊接模型也从最初的两维进而发展的三维 模型，并且重点探讨了不同的焊接工艺条件下焊接模拟的特点。 3 在国内，国内西安交通大学唐慕尧等人首先编制了有限元分析程序计算了 薄板的准稳态温度场 1 7 , 1 8 】。随后上海交通大学的陈楚等人对非线性的热传导问 题进行了有限元分析，提出了求解非线性热传导方程的变步长外推法，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，在编制的相应程序中考虑 了材料热物理性能参数随温度的变化以及表面散热的情况【1 9 , 2 0 l 。由于三维焊接 温度场的复杂性，在国内对于三维温度场的有限元模拟问题是最近十几年的时 间并取得了一定的成果，上海交通大学的汪建华等人和日本大阪大学合作对三 维问题进行了一系列的有限元分析研究，探索了焊接温度场的三维分布特点和 提高计算精度的若干途径【2 1 , 2 2 】。之后，武传松等人重点考虑的焊接熔池的热物 理特性，建立了运动电弧作用下三维双椭球热源模型，模拟了m i g m a g 焊接 熔池中的流体流动和传热过程的准瞬态温度场【2 3 1 ，孙俊生等考虑了电弧热流密 度在变形熔池表面的分布模式及熔滴热焓量在熔池内部的分布都取得了较满意 的结果1 2 4 , 2 5 。 1 3 2 焊接应力场的模拟概况 焊接过程应力场的数值研究始于2 0 世纪3 0 年代，五十年代，前苏联学者 奥凯尔布洛母等人在考虑材料机械性能与温度之间的相互依赖关系的情况下， 以图解的形式分析了焊接动态过程和两维条件下对焊接应力应变的影响。六十 年代，随着计算机技术的发展对焊接应力应变的数值模拟有了极大的促进作用。 八十年代后，随着有限元技术的日益成熟，人们对焊接应力和变形过程及 残余应力的分布规律的认识不断深入。1 9 8 5 年j o s e f s o n 等人通过大量的数值计 算，进一步提高了预测焊缝周围残余应力分布的精度，同时考虑了定位焊对残 余应力分布的影响。上海交通大学对非线性瞬态温度场进行了有限元分析，提 出了求解非线性传导方程的变步长外推法，计算了平板对接焊时应力应变发展 过程及残余应力分布，1 9 9 1 年m a h i n 等人在研究中考虑了耦合的热应力问题 2 6 , 2 7 】，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，近年来焊 接应力场模拟更加迅速，各种研究成果不断的涌现，国内的清华大学，西安交 大，天津大学等都对焊接应力场的模拟做出来积极的探索，取得了积极的研究 成果。 他们所进行的温度场和应力场的分析，都是针对简单形式的焊接接头验证 性试验，而与实际产品相结合进行的有限元分析很少，而针对实际中的压力容 器的温度场模拟则更少。 1 3 3 有限元软件在焊接模拟中的应用 伴随着对焊接温度场、应力和焊接变形理论研究的不断发展，计算机技术 的飞速发展和广泛应用，有限元法已经成为工程数值分析的有力工具，并产生 4 了许多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。这些现有的有限元软件都是以有限元数值计算方法为 基础，具有良好操作性和通用性的商用软件的开发和应用极大的工程设计的基 数水平，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，可以得 到满意的结果。 1 3 4a n s y s 在有限元分析中的应用 a n s y s 是融合结构、热、流体、电磁场、声场和耦合场分析于一体的大型 通用有限元分析软件。a n s y s 以其强大的前后处理功能受到许多科研工作者和 工程师们的青睐。尤其是在结构分析、热分析已经热一力耦合分析方面， a n s y s 不仅提供了线性计算，还包含了如塑性、蠕变、膨胀、大变形、大应变 及接触分析的非线性计算技术。由于其在结构分析中的先进性和准确性， a n s y s 一直是做结构分析时的首选。a n s y s 软件是第一个通过i s 0 9 0 0 1 质量 认证的大型分析设计类软件，是美国机械工程师协会( a s m e ) 、美国核安全局 ( n q a ) 及近二十种专业技术协会认证的标准分析软件【2 8 ，2 9 1 。在国内第一个通过 中国压力容器标准化技术委员会认证并在国务院十七个部委推广应用，成为了 压力容器分析设计事实上的标准。 本文介绍了大型有限元程序a n s y s 在压力容器一溶解乙炔气瓶的应力分 析与设计中的应用，分析了a n s y s 用于容器设计和分析的有效性。 1 4 本课题的主要研究内容 溶解乙炔气瓶属于典型的第三类压力容器( 常温液体存储容器) ，乙炔气瓶 的设计、制造要求严格，必须符合溶解乙炔气瓶安全监察规程，由于生产工 艺要求比较严格，全国现仅有乙炔气瓶生产厂家几十家。 本课题以某压力容器制造厂生产的钢制气瓶为例，材质为1 6 m n r ，设计压 力为6 0 k g f c m 2 ，通过a n s y s 有限元分析软 件对其主体焊接接头进行模拟。 溶解乙炔气瓶是由圆柱形筒节、上封 头、下封头，阀座和底座经过焊接成型，筒 节的直径为2 5 0 m m ，高度为1 0 0 0 m m ，上，下 封头都是标准椭圆封头。阀座的直径为o 8 0 * 5 m m ，高度为4 0 m m ，如图1 - 1 所示。气 瓶在生产过程中先焊接筒节纵缝，再焊接封 头和阀座之间的角接接头，最后焊接封头和 筒节的环向接头。 图卜1 溶解乙炔气瓶几何模型 6 第二章焊接过程的数值模拟 焊接过程是一个复杂的热物理现象，涉及到高温热物理、传热，传质过程 等，传统的研究方法一般要通过大量的焊接试验，这样不仅浪费的大量的人力 和物力，还难以得到焊接过程中各点的瞬态变化情况。焊接数值模拟技术的发 展，为进一步研究焊接过程提供了可能。通过焊接过程的数值模拟对焊接现象 进行定量分析，实现对复杂焊接现象的进一步认识，有助于认清焊接现象本质， 弄清焊接现象规律。 2 1 焊接数值模拟的特点 焊接数值模拟，是以焊接物理模型为基础，采用一组控制方程来描述一个 焊接过程或焊接过程的某一个方面，采用分析或数值方法求解以获得该过程的 定量认识( 如焊接温度场分布、焊接热循环曲线、焊接热影响区的硬度、焊接 区的强度、断裂韧性等) 。焊接数值模拟的关键是确定被研究对象的物理模型及 其控制方程( 本构关系) 。通过对复杂或不可观察的现象进行定量分析和对极端 情况下尚不可知的规则的推测和预测，实现对复杂焊接现象的模拟，以助于认 清焊接现象本质。 由于焊接过程的复杂性，在建立精确的物理模型方面存在着较大的困难。 焊接模拟的特点： ( 1 ) 由于焊接过程是快速加热和冷却的过程，模拟过程是高度瞬态的。 ( 2 ) 由于材料的热一力耦合行为，模拟过程是高度的非线性的，并且与温 度相关。 ( 3 ) 焊接材料熔化，有时熔化的材料还添加在构件上，凝固后改变构件的 连接状况。 ( 4 ) 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。 2 2 焊接影响因素间的关系 焊接是一个牵涉到传热学、电磁学、材料冶金学、固体和流体学等多学科 交叉的复杂现象。加热和冷却参数的变化，影响熔池的凝固，相变过程，并影 响到热影响区的金属显微组织的转变。它们之间的相互关系如图2 1 所示。 7 热应 维组织转 图2 - 1 。焊接因素之间的关系 从图中可以看出，焊接温度场是最主要的影响因素，决定了应力分布和金 属的组织转变，虽然金属相变和应力场分布对焊接温度场也有影响，但影响不 是很大，同时金属的组织转变也会发生应力应变场的变化，由于严格地分析相 变是比较困难的，对于本文所研究的1 6 m n r 焊接结构的残余应力分布规律，由 于在冷却过程中的相变发生在较低温度，发生相变时的体积膨胀残余应力的影 响较小，一般可以不予考虑【3 0 1 。 2 3 焊接数值模拟的方法及步骤 通常用a n s y s 模拟焊接温度场和应力场时，可以通过两种途径来实现： 直接法和间接法。 直接法是使用具有温度和位移两种自由度的双向耦合单元，例如s o l i d 5 、s o l i d 2 2 3 ，这些单元在计算过程中同时考虑了温度场对应力场的影响以及应 力场对温度场的影响，计算后能同时得到热分析和结构应力分析结果。 间接法则属于单向耦合分析，只考虑温度场对应力场的影响，而忽略应力 场对温度场的影响，具体过程是首先进行热分析，得到焊接过程的温度场分布， 再将求得的节点温度作为载荷施加在结构应力分析中【3 3 1 ，间接法又可以进_ 步 分为物理文件法和普通间接法。实践证明间接耦合方法能够很好的模拟焊接过 程，又能减少计算量，本文属于典型的热应力耦合问题，所以可以忽略应力应 变场对温度场的影响，仅研究焊接温度场对应力应变场的影响，从而再得出焊 接残余应力的分布，利用a n s y s 软件采用间接法进行焊接热应力分析的计算 流程图如图2 2 所示。 图2 - 2 间接法计算流体不意图 分析步骤如下： ( 1 ) 进入前处理器r p r e p 7 ，定义单元类型，设置材料属性，建几何模型， 划分有限元网格。 ( 2 ) 进入s o l u 处理器，进行热分析，设置相应的边界条件。 ( 3 ) 重新进入前处理p r e p 7 ，转换单元类型，将热单元转化为相应的结构 9 单元，材料力学性能。 ( 4 ) 读入热分析的节点温度结果，文件名为木r t h ，施加结构分析边界条件。 ( 5 ) 进行应力场求解求解。 ( 6 ) 进入后处理器p o s t l 或p o s t 2 6 ，观察应力分析结果。 2 4 焊接温度场的数值模拟 2 4 1 定义单元类型 焊接模拟的第一步就是将一个连续的焊接模型简化为由有限个单元组成的 离散模型，也就是有限元模型。有限元模型由一些简单形状的单元组成，单元 之间通过节点连接，并承受一定载荷。其中单元是由一组节点自由度间相互作 用的数值、矩阵描述( 称为刚度矩阵或系数矩阵) 。节点是空间中的坐标位置， 具有一定自由度和相互物理作用。信息是通过单元之间的公共节点传递的。自 由度( d o f s ) 用于描述一个物理场的响应特性。有限元分析仅仅求解节点处的 自由度值，然后通过插值得到单元内不同位置的值。 a n s y s 单元库中有2 0 0 多种类型，提供了对各种物理场量的分析功能，每 类单元都有特定的应用范围，例如实体s o l i d 单元，表面p l a n e 单元，壳 s h e l l 单元，接触t a r g e t c o n t a c t 单元，矩阵m a t r i x 单元，表面效应 s u r f 单元，分网m e s h 单元等，在单元选择时，要根据分析问题的物理性质 来选择单元，单元一旦选定，也就确定了所进行的分析问题的物理环境，单元 类型选择是否正确对结果准确性有直接的影响。 本文溶解乙炔气瓶的焊接模拟，应采用能够进行瞬态非线性分析的三维有 限元模型，因此选用s o l i d 7 0 单元模拟热分析过程，在进行应力分析时选择 s o l i d 4 5 单元，为方便划分网格，选择了m e s h 2 0 0 单元辅助网格划分。 m e s h 2 0 0 是仅划