对接接头应力集中和应力集中系数的研究

1、学号10112609319毕 业 设 计（论 文）对接接头工作应力分布与应力集中系数研究教 学 系：机电工程系 指导教师：于有生 专业班级：成型1093 学生姓名： 二一三年五月毕业设计(论文)开题报告题目对接接头工作应力分布与应力集中系数研究1.目的及意义（含国内外的研究现状分析）： 焊件不均匀加热、冷却过程产生焊接应力与变形，不仅影响焊接结构的制造精度，同时也对结构的强度、韧性及使用性能产生重大影响。这种情况在国内外焊接工作者中引起了的广泛关注，并进行了长期、大量的研究，取得了许多重要成果，在焊接结构生产中得到了广泛的应用。 我国在焊接应力变形的数值模拟分析方面已取得了可喜的成就和进展，但

2、由于焊接过程的复杂性及影响因素较多，目前对于复杂和大型焊接结构的应力和变形的预测还存在许多困难，主要表现为数值模拟过程中结构的自由度规模庞大；瞬态分析时间步繁多；材料性能的严重非线性变化影响了求解过程的精度和效率；结构中的局部高温区的存在导致有限元方程组性态变差；熔池及其附近高温区导致其精确数学物理模型的建立困难；移动热源导致过程非线性；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。 国外类似研究开始的比较早，有关焊接过程中瞬态热应力的研究始于本世纪三十年代。最近，Bachorski等提出了收缩体积法的焊接变形有限元预测理论。收缩体积法类似于固有应变法，它

3、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于50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。 在过去十几年中很多数值模拟程序开发出来，以找到更实用的方法预测焊接残余应力和变形，Ueda与其合作伙伴研究了固有应力在T型和I型焊接头处的分布特征，并且用他们预测焊接残余应力。基于固有应变方法，Murakawa等人研究了多道焊的焊接变形和残余应力。Michaleris和OeBiccari开发了一个双步数值分析程序来预测焊接及变形。其进行了二维热一力

4、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。 对于本课题所研究的对接接头，对接接头由焊缝金属,熔合区,热影响区和邻近的母材所组成。焊接接头中的化学成分，金相组织和力学性能一般是不均匀的。由于焊接接头截面几何形状的突变性，造成焊接接头工作应力的分布也是不均匀的。运用ansys软件可以提前模拟应力分布出来，通过改变结构设计或者焊接等方法，可以避免因为接头的应力集中导致的安全事故。 但是由于焊接接头形状复杂，难以用弹性力学的解析方法求解，一般采用实验方法求取，但因实验工作量较大，且因实验方法不同存在一定的实验误差，而且这种实验的周期长，成本高。目前实验方面的数据还比较缺少。借助

5、于数值模拟软件ANSYS分析对接接头的工作应力分布，我们可以进行对接接头的建模，计算和分析，研究对接接头在承载时的工作应力分布和接头截面几何参数与应力集中系数K的关系。为合理地选择焊接接头截面形状和尺寸，提高焊接结构的使用寿命和安全稳定性以及焊接结构的设计和制造提供了一定的理论依据。2. 基本内容和技术方案： 基本内容（1）通过查阅相关的资料，了解和掌握焊接接头的几何参数及其对接头机械性能的影响；（2）基于第一点所了解的，分析焊接工艺参数对接头几何参数的影响规律； (3) 根据自己所了解与所查阅的相关资料，总结并分析出焊接接头几何参数对工作应力分布的影响规律，熟悉和掌握接头应力集中地概念； (

6、4) 根据研究对象，建立合适的对接接头的几何模型，确定应力集中系数的计算方法；（5）利用数值模拟软件ANSYS，编写出对接接头工作应力分析的数值模拟计算机程序，并对所写的程序进行调试，运行，修改。（6） 制定计算方案，通过改变对接接头几何参数或形状参数，确定其对接头工作应力和应力集中系数的影响，并对运行结果进行分析和整理。技术方案运用ansys软件，研究对接接头工作应力分布与应力集中系数,如图一为本次实验的计算模型。在图一的模型中，图示中几何参数有板厚焊缝正面熔宽焊缝反面熔宽焊缝正面加强高焊缝反面加强高和试件计算长度L,应力集中系数K=，并且假设。基于以上的，研究L,对应力集中系数K的影响。

7、研究方案如下：ANSYS软件建模绘出应力集中系数K与L,这些参数的变化曲线确定计算方案根据ANSYS软件的计算总结计算结果 计算方案满意？总结分析计算结果 NO撰写论文 YES3进度安排：（1）收集相关参考资料并调研本课题的国内外发展概况，查阅不少于15篇的相关资料，其中英文文献不少于2篇，并在毕业设计的第三周完成开题报告。（2）在第四周到第五周完成根据研究内容和课题调研结果，确定课题的实验研究方案。（3）根据实验研究方案，在第六周到第十一周利用数值模拟软件ansys编写对接接头的工作应力分析的数值模拟计算机程序，并进行调试，分析和整理软件计算结果。（4）毕业设计的第十二周，根据研究结果写出1

8、5000字的毕业论文，论文争取论点正确，论据充分，劲量数表化，公式化。（5）在第十三周翻译与本课题相关的外文资料8000字符。 4.指导老师意见：指导教师签名： 年 月 日注：1. 开题报告应根据教师下发的毕业设计（论文）任务书，在教师的指导下由学生独立撰写，在学院规定时间内完成；2设计的目的及意义至少800字，基本内容和技术方案至少400字；3指导教师意见应从选题的理论或实际价值出发，阐述学生利用的知识、原理、建立的模型正确与否、学生的论证充分否、学生能否完成课题，达到预期的目标。郑 重 声 明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引

9、用的内容外，本论文不包括任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。本人签名： 日期： 目 录摘 要3ABSTRACT4第一章 绪论61.1 研究背景61.2 焊接数值模拟在国内外的研究概况61.3 有限元软件在应力集中研究中的应用和发展71.4 课题研究的意义71.5 本章小结8第二章 课题研究方案92.1 基本内容92.2 技术方案92.3 本章小结10第三章 焊接数值模拟简介113.1 有限元方法简介113.2 焊接过程有限元分析的特点123.3 ANSYS软件的基础123.3.1 ANSYS软件结构123.3.2 APDL语言简介143.4 本

10、章小结15第四章 ANSYS程序设计164.1 对接接头工作应力分布与应力集中系数的计算方法174.2 对接接头工作应力的计算174.2.1 建模174.2.2 焊接应力载荷的施加174.2.3 工作应力集中系数的求解184.3 本章小结23第五章 程序运行结果分析245.1 焊接后的应力分布245.2 焊接接头的应力集中系数的影响285.2.1 正面余高和板厚对应力集中系数的影响285.2.2 正面焊缝宽度和板厚对应力集中系数的影响295.2.3 正面余高和板长对应力集中系数的影响305.2.4 正面焊缝宽度和板长对应力集中系数的影响315.3 本章小结32第六章 结论和展望336.1 结论

11、336.2 研究展望33参考文献34附 录35致 谢38 摘 要焊接是一个涉及到电弧物理、力学、传热、冶金等多种学科综合的复杂过程。焊接现象包括焊接过程中的电磁、传热的过程、金属熔化和凝固、冷却时的相变、焊接应力和变形等等。如果我们能够实现对各种焊接现象进行计算机模拟，那么我们就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。这样克服了我们在实际生产中的试验周期长，试验方法得到的实验数据不够准确，经济性较差的缺点。对接接头焊接件是焊接结构中常见的。目前，船舶、机车、车辆、桥梁、锅炉、立体车库等工业产品，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、

12、高层建筑等重要结构，无一不用到对接接头焊接结构。目前在对接型接头焊接方面的数值模拟研究比较多，实际应用中很多情况下对接型接头的焊接质量要求也是非常高。特别是对大型构件，焊接构件的质量的好坏不仅仅是影响到了经济效益，而且关系到使用者的生命安全。因此深入这方面的数值模拟研究工作很有必要。本文利用有限元软件ANSYS对对接型接头焊接件的焊接应力场和焊接应力集中系数进行三维数值模拟仿真，得到焊件在不同试件参数的条件下，焊接应力场的变化及焊件的应力集中系数。本文主要做了如下几个方面的研究工作：1建立了对接型接头焊接有限元分析模型。为了提高计算精度，本文考虑了采用过渡网格划分形式划分网格以保证焊缝处网格足

13、够细小。2选取适当的试验参数，并且在此基础上进行了交叉对比，让实验数据更加贴近实际情况。在模拟计算时，尽量的结合四组实验，使其互相有一定的可比性，可以互相参考。这样可以节省大量的时间，使计算较为合理、高效。3对焊接应力场进行分析，得出焊接残余应力分布规律，为焊接结构的优化设计提供了重要的依据。 关键字：对接型接头 焊接 有限元数值 工作应力 应力集中系数 ABSTRACT Welding is an arc involved physics, metallurgy, mechanics, heat transfer, wide range of multidisciplinary and co

14、mplex process. Phenomenon include electromagnetic welding process, welding, metal melting and solidification process of heat transfer, cooling of the welding stress and deformation of phase transitions, and so on. If we can achieve a variety of welding phenomena computer simulation, then we can use

15、a computer system to determine the best design for welding of structures and materials, the best process and welding parameters. Overcomes our long test cycle in the actual production, test methods are experimental data is not accurate enough, less economic disadvantages. Butt joint welding is commo

16、n in welded structures. At present, ships, locomotives, vehicles, bridges, industrial products such as boilers, parking, as well as energy engineering, marine engineering, aerospace engineering, petroleum chemical engineering, large plants, high-rise buildings and other vital structures, no to butt

17、joint welding without structure. Currently at the butt-joint welding numerical simulation of more practical applications in many cases-butt joint welding quality requirements are also very high. Particularly for large components, welding components quality is good or bad is not just affecting the ec

18、onomy, but also to consumer safety. Numerical simulation study of work in this area is necessary. This article uses finite element software ANSYS to welding of butt-joint weld stress and stress concentration factors for three dimensional numerical simulation of welding, are parameters under the cond

19、ition of Weldment in different specimens, and welding on welding stress field change of stress concentration factor. This article is doing research work on the following aspects: 1. A finite element analysis of welding of butt-joint model. In order to improve the precision of calculations, this arti

20、cle taking into account the transitional divide the mesh grid to ensure the weld mesh is small enough. 2.Select the appropriate test parameters, and on that basis to the cross, was closer to reality by experimental data. When the simulation, with four sets of experiments, provided each other with a

21、certain degree of comparability, you can reference each other. This can save a lot of time, the calculation is more reasonable and efficient. 3.An analysis of the stress field of welding, Welding residual stress distribution that, provide an important basis for optimization design of welded structur

22、es.Key words：Butt-joint；Welding；Finite element numerical simulation；Work stress；Stress concentration factor第1章 绪论1.1 研究背景 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1。由于焊接方法灵活、经济，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，船舶、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

23、认识它，才能设计制造出性能良好、经济性好焊接结构。历史上许多焊接结构失效的事例追其根源，大多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，在材料加工领域中占有重要地位。但是焊接是一个涉及电弧物理、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。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。这些缺陷的产生主要是焊接时不合理的热过程引起的。由于短时间内的瞬时大的热输入。焊接过程将产生很大的动态焊接应力，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)。

24、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，而且在一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。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，而且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。但仅仅从实验角度研究焊接热应力、焊后残余应力和变形的问题难度很大，不能全面预测和分析焊接对整个焊接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

25、和残余应力模拟分析技术相应的得到发展。在实际中，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。而数值模拟技术，既本文所使用ANSYS软件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 焊接数值模拟在国内外的研究概况我国在焊接应力变形的数值模拟分析方面已取得了可喜的成就和进展，但由于焊接过的复杂性及影响因素较多，目前对于复杂和大型焊接结构的应力和变形的预测还存在许多困难，主要表现为数值模拟过程中结构的自由度规模庞大；瞬态分析时间步繁多；材料性能的严重非线性变化

26、影响了求解过程的精度和效率；结构中的局部高温区的存在导致有限元方程组性态变差；熔池及其附近高温区导致其精确数学物理模型的建立困难；移动热源导致过程非线性；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。 国外类似研究开始的比较早，有关焊接过程中瞬态热应力的研究始于本世纪三十年代。最近，Bachorski等提出了收缩体积法的焊接变形有限元预测理论2。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于5

27、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。在过去十几年中很多数值模拟程序开发出来，以找到更实用的方法预测焊接残余应力和变形，Ueda与其合作伙伴研究了固有应力在T型和I型焊接头处的分布特征，并且用他们预测焊接残余应力3。基于固有应变方法，Murakawa等人研究了多道焊的焊接变形和残余应力。Michaleris和OeBiccari开发了一个双步数值分析程序来预测焊接及变形。其进行了二维热一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。1.3 有限元软件在应力集中研究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

28、几年来计算机技术的突飞猛进，目前已经有了不少优秀的有限元计算分析软件，如：ANSYS、ABQUS、ADINA、NASTRAN、MARC、SYSWELD等可供焊接工作者选用3。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的功能，并使其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，就可以得到所需要的结果，这就明显地加速了焊接数值模拟技术的发展。在国内，清华大学的鹿安理等利用MARC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

29、出未来焊接数值模拟应重点研究的几个问题。清华大学的蔡志鹏等，利用MARC软件，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。1.4 课题研究的意义对接型焊接接头是焊接结构中常见的形式，目前在船舶、车辆、桥梁、锅炉等工业产品中无一不用型接头焊接结构。对接接头在焊接过程中由于加热不均匀性，冷却速度不一中，对其最后的伸缩不一，造成了应力分布不均，既应力集中发生，在某些情况下突然发生断裂或者失效，具有突然性和不确定性，在措手不及中引起生命财产的损失，是一种危险的形式。在实际应用中对接型焊接接头的焊接质量要求往往非常高，特别是对大型

30、构件，焊接质量好坏不仅影响经济效益而且有时直接关系到生命安全，因此深入这方面的数值模拟研究工作很有必要。本文就是利用有限元软件ANSYS对焊接应力场进行数值模拟仿真，生动的再现了对接型接头焊接过程，模拟各种焊接顺序，得到焊件任何时刻任何点的焊接过程应力场的变化及焊件冷却后的残余应力，分析了残余应力分布规律，这无论是对焊接设计人员优化设计焊接结构，还是对工程技术人员编写焊接工艺都很高的参考价值。1.5 本章小结本章主要讨论了课题选择的背景和意义，总结了焊接数值模拟在国内外研究大致发展情况，其中详细阐述了焊接应力应变场有限元分析的研究进展。本章简要介绍了有限元软件在焊接应力分析中的应用和发展，提出

31、了本文的研究方法和主要内容，简要介绍了论文各章的大致内容。第二章 课题研究方案 本文将重点针对对接接头的焊接，应用大型通用有限元软件ANSYS对对接型接头焊接过程进行数值模拟。在本章中有以下的描述，其中包括基本的内容和可行的方案设计。2.1 基本内容（1）过查阅相关的资料，了解和掌握焊接接头的几何参数及其对接头机械性能的影响；（2）基于第一点所了解的，分析焊接工艺参数对接头几何参数的影响规律； (3) 根据自己所了解与所查阅的相关资料，总结并分析出焊接接头几何参数对工作应力分布的影响规律，熟悉和掌握接头应力集中地概念； (4) 根据研究对象，建立合适的对接接头的几何模型，确定应力集中系数的计算

32、方法；（5）利用数值模拟软件ANSYS，编写出对接接头工作应力分析的数值模拟计算机程序，并对所写的程序进行调试，运行，修改。（6） 制定计算方案，通过改变对接接头几何参数或形状参数，确定其对接头工作应力和应力集中系数的影响，并对运行结果进行分析和整理。2.2 技术方案运用ANSYS软件，研究对接接头工作应力分布与应力集中系数,如图一为本次实验的计算模型。在图2-1的模型中，图示中几何参数有板厚焊缝正面熔宽焊缝反面熔宽焊缝正面加强高焊缝反面加强高和试件计算长度L,应力集中系数K=，并且假。基于以上的，研究L,对应力集中系数K的影响。图2-1 对接接头的ANSYS计算模型 基于ANSYS软件的数值

33、模拟，在这里，本文给出了一个大体的流程图，为下一步的具体阐述本文研究的步骤提供一个引导，简略的研究方案如下：ANSYS软件建模绘出应力集中系数K与L,这些参数的变化曲线确定计算方案根据ANSYS软件的计算总结计算结果 计算方案满意？总结分析计算结果 NO撰写论文 YES 图2-2 有限元软件研究方案根据这个流程图，大体上叙述了本文的行文思路，为下文的论述做一个指引。2.3 本章小结 本章通过图表和部分论述，简要的介绍了本文的行文思路，给本文做了一个提纲。也从另外一个方面为本文提供了如何来做本次课题，和本次课题需要得到什么样子的目的做了一个大体的阐述。第三章 焊接数值模拟简介有限元法(Finit

34、e Element Method，FEM)，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5。3.1 有限元方法简介有限元方法是求解复杂的工程问题的一种近似数值解法。在利用有限元分析时，首先将分析物体离散成为许多各自独立的小单元。其次，在给定边界条件、载荷和材料特性的情况下，再求解线性或非线性的方程组，得到位移、应力、应变、内力等结果，最后在计算机上使用图形技术显示计算结果。有限元法现已经广泛应用到力学、热学、电磁学等各个学科，主要分析工作环境下物体的线性和非线性静动态特性等

35、性能。有限元方法分析的主要步骤为6：1连续体的离散化。也就是将给定的物理系统分割成等价的有限元系统。一维结构的有限单元为线段，二维连续体的有限单元为三角形、四边形，三维连续体的有限单元可以是四面体、长方体或六面体，最典型的区分就是有无中节点。应用时必须决定单元的类型、数目、大小和排列方式，以便能够合理地表示给定的物理系统。2选择位移模型。假设的位移函数或模型只是近似地表示了真实位移分布。通常假设位移函数为多项式。实际应用中，没有一种多项式能够与实际位移完全一致。用户所要做的是选择多项式的阶次，以使其在可以承受的计算时间内达到足够的精度。此外，还需要选择表示位移大小的参数，它们通常是节点的位移，

36、但也可能包括节点位移的导数。3用变分原理推导单元刚度矩阵。单元刚度矩阵是根据最小位能原理或者其他原理，由单元材料和几何性质导出的平衡方程系数构成的。单元刚度矩阵将节点位移和节点力联系起来，物体受到的分布力变换为节点处的等价集中力。刚度矩阵外、节点力向量 和节点位移向量的平衡关系表示为线性代数方程组：=。4集合整个离散化连续体的代数方程。也就是把各个单元的刚度矩阵集合成整个连续体的刚度矩阵，把各个单元的节点力矢量集合为总的力和载荷矢量。最常用的原则是要求节点能互相连接，即要求所有与某节点相关联的单元在该节点处的位移相同。但是最近研究表明：该原则在某些情况下并不是必需的。总刚度矩阵【K】、总载荷向

37、量F以及整个物体的节点位移向量之间构成整体平衡，其联立方程：【K】F=。这样得出物理系统的基本方程后，还需要考虑其边界条件或初始条件，才能够使得整个方程封闭。如何引入边界条件依赖于对系统的理解。5求解位移矢量。即求解上述代数方程，这种方程可能简单，也可能复杂，比如非线性问题，在求解的每一步都要修正刚度和载荷矢量。6由节点位移计算出单元的应力和应变。视具体情况，可能还需要计算出其他一些导出量，但这已是相对简单的了。3.2 焊接过程有限元分析的特点采用空间和时间有限元(包括有限差分法)模拟焊接时材料和构件的热和力学(弹性一粘塑性)行为，分析焊接残余应力和变形，并采用弹性构件分析同样程度的细节，在超

38、级计算机时代也是难以解决的任务。焊接过程的有限元分析有下述特点7,8,9,10：(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，模拟的过程是高度瞬态的，具有与位置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)焊接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。虽然今天可以利用功能强大的计算机，但计算方法和计算软件的发展还是跟不上硬件进

39、步的速度，即使有了可以采用的计算手段，但目前在收敛和误差估计方面也将遇到难以逾越的困难。如果在模型中某些问题起主导作用就不用考虑上述所有要点，这时只在有限元模型中研究的主要是影响参数，有限元方法就可以给出贴切的实际结果。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。如果采用无损检测技术，只能粗略的得到构件表面的应力状态，就算是采用破坏性的测量方法，也几乎不可能得到足够的精度来确定构件内部完整的三维应力状态。这就涉及到有限元模型简化问题。3.3 ANSYS软件的基础 ANSYS软件是融和结构、流体、电场、磁场和声场分析于一体的大型有限元分析软件，可广泛地应用于机械、

40、电子、土木工程、水利等一般工业及科学研究。ANSYS软件是唯一能实现多场及多场藕合分析功能的软件。用户不但可用其进行如结构、热、流体流动、电磁等的单独研究，还可以利用其进行这些研究类型互相影响的研究。3.3.1 ANSYS软件结构11,12软件主要包括三个部分：前处理模块，分析计算模块和后处理模块。前处理模块提供了一个强大的实体建模及网格划分工具，用户可以方便地构造有限元模型。分析计算模块包括结构分析、流体动力学分析、电磁场分析、声场分析、压电分析以及多物理场的耦合分析，可模拟多种物理介质的相互作用，具有灵敏度分析及优化分析能力。后处理模块可将计算结果以彩色等值线显示、梯度显示、矢量显示、粒子

41、流迹显示、立体切片显示、透明及半透明显示等图形方式显示出来，也可将计算结果以图表、曲线形式显示或输出。1前处理模块PREP7实体建模ANSYS程序提供了两种实体建模方法：自顶向下与自底向上。自顶向下进行实体建模时，用户定义一个模型的最高级图元，如球、棱柱，称为基元，程序则自动定义相关的面、线及关键点。用户利用这些高级图元直接构造几何模型，无论使用自顶向下还是自底向上方法建模，用户均能使用布尔运算来组合数据集，从而“雕塑出”一个实体模型。ANSYS程序提供了完整的布尔运算，诸如相加、相减、相交、分割、粘结和重叠。在创建复杂实体模型时，对线、面、体、基元的布尔操作能减少相当可观的建模工作量。ANS

42、YS程序还提供了拖拉、延伸、旋转、移动和拷贝实体模型图元的功能。附加的功能还包括圆弧构造、切线构造、通过拖拉与旋转生成面和体、线与面的自动相交运算、自动倒角生成、用于网格划分的硬点的建立、移动、拷贝和删除。自底向上进行实体建模时，用户从最低级的图元向上构造模型，即用户首先定义关键点，然后依次是相关的线、面、体。ANSYS程序提供了使用便捷、高质量的对CAD模型进行网格划分的功能。包括四种网格划分方法：延伸划分、映像划分、自由划分和自适应划分。延伸网格划分可将一个二维网格延伸成一个三维网格。映像网格划分允许用户将几何模型分解成简单的几部分，然后选择合适的单元属性和网格控制，生成映像网格。自适应网

43、格划分是在生成了具有边界条件的实体模型以后，用户指示程序自动地生成有限元网格，分析、估计网格的离散误差，然后重新定义网格大小，再次分析计算、估计网格的离散误差，直至误差低于用户定义的值或达到用户定义的求解次数。2求解模块soLUTIoN前处理阶段完成建模以后，用户可以在求解阶段获得分析结果。在该阶段，用户可以定义分析类型、分析选项、载荷数据和载荷步选项，然后开始有限元求解。ANSYS软件提供的分析类型包括：结构静力分析、结构动力学分析、结构非线性分析、热分析、电磁场分析、流体动力学分析、声场分析、压电分析以及多物理场的藕合分析。求解阶段是计算机在内部完成矩阵计算求出计算结果的过程。当结构模型有

44、严重错误，计算机会提示相应的错误信息，并停止计算用户可以根据提示对模型做出相应的修改。ANSYS的求解器提供了多种求解方法。用户可针对不同的结构类型，不同的模型规模及精度选择不同的方法或者多种方法的组合。3后处理模块可ANSYS软件的后处理过程包括两个部分：通用后处理模块POSTl和时间历程后处理模块POST26。通用后处理POSTl模块对前面的分析结果能以图形形式显示和输出例如，计算结果(如应力)在模型上的变化情况可用等值线图表示，不同的等值线颜色，代表了不同的值(如应力值)。浓淡图则用不同的颜色代表不同的数值区(如应力范围)，清晰地反映了计算结果的区域分布情况。时间历程响应后处理模块POS

45、T26用于检查在一个时间段或子步历程中的结果，如节点位移、应力或支反力。这些结果能通过绘制曲线或列表查看。绘制一个或多个变量随频率或其它量变化的曲线，有助于形象化地表示分析结果。另外，POST26还可以进行曲线的代数运算。整个程序的框图如图3-1所示：图3-1有限元计算流程图3.3.2 APDL语言简介 图3-1有限元计算流程图虽然ANSYS的GUI类似于平常使用的Windows操作窗口，简单易学，在处理比较简单的问题的时候相对实用，但是当遇到复杂问题的时候，操作起来就显得很不方便。本文分析焊接过程的热一力耦合场的问题，涉及到热源的施加，单元死活等比较复杂的问题，这种情况下使用APDL语言编写

46、命令流的方法就显得方便实用了。APDL(参数化设计语言)是ANSYS的高级分析技术之一，也是ANSYS高级应用的基础，它提供一种逐行解释性的编程语言工具，可以很好地用于实现参数化的有限元分析、分析批处理、专用分析系统的二次开发以及设计优化等，是ANSYS不可缺少的重要技术。APDL的全称是ANSYS Parametric Design Language，它是ANSYS的编程语言，可以利用文本编辑器，如写字板、记事本等直接进行参数化命令流的编写，也可以采用从日志文件亦即LOG文件中提取命令流。APDL语言大大方便了建模、计算及数据处理，同时使有些凭手工无法想象的工作成为可能。 APDL与其它编程

47、语言一样，具有参数、数组表达式、函数、流程控制(循环与分支)、重复执行命令、缩写、宏以及用户程序等。APDL命令是十分丰富的，常用的有：模型的输入和输出命令、数据库处理命令、宏命令、循环命令等。3.4 本章小结 本章主要是对于本课题所使用的ANSYS软件进行了一个简要的介绍，使我们在运用的时候大体了解我们所接触的是什么软件，是做什么用的。对于使用本软件的具体的特点，会出现什么样子的情况，以及从文字逻辑上看出ANSYS软件是如何工作，通过何种方法与手段得到自己所需要的结果，在本文中都有部分的介绍。 最主要的是通过了解ANSYS软件的知识基础，与我们从实验方法得到的步骤可以做一个对比，使我们可以在

48、软件分析的结果得到的数据进行逻辑上的推演，使我们可以从逻辑验证方法上面找到我们最初设计没有考虑到的地方。第四章 ANSYS程序设计 以往的研究中采用的计算模型包括双侧对称加强高模型，单侧加强高模型以及双侧不对称加强模型，考虑到后一种的应力集中情况介于前两种之间。本文采用第一种模型分别进行计算13。 对接接头简化计算模型采用有限元软件 ANSYS 进行计算，选取四边形八节点单元并在应力集中区域细化网格为提高计算精度，在必要区域不排除三角形单元的产生。 利用APDL参数化设计思想，本文从功能和组成上列出了软件设计的思路图表，如图4-1参数设置几何建模网格划分加载计算结果后处理 图4-1 APDL参

49、数化设计流程图4.1 对接接头工作应力分布与应力集中系数的计算方法 应力集中系数是材料承受的交变应力远小于其静载下的强度极限时，破坏就有可能发生。材料会由于截面尺寸改变而引起应力的局部增大，这种现象称为应力集中,材料承受的交变应力与静载下的强度极限之比叫应力集中系数。在这里，为了运用ANSYS软件计算方便，在这里引用出了应力集中系数的公式，其中应力集中系数的公式为： K= （4.1）并且假，我们可以由此开始应力集中系数的计算14。由于使用ANSYS软件可以分析出，而，引用（4.1)，可知道每次的数值模拟的应力集中系数K的大小。基于以上的，可以方便的研究L,分别或者几种组合起来对应力集中系数K的

50、影响。研究的具体步骤流程可以参见图2-1。4.2 对接接头工作应力的计算 由于采用的是ANSYS软件分析在不同情况下的应力分布，因此在ANSYS软件中输入一定的程序，那么就可以在软件的输出中看到应力的分布，并且可以清晰的看到分布最大与最小的应力位置，为求出应力集中系数K提供了一种方法15。4.2.1 建模运用ANSYS软件，研究对接接头工作应力分布与应力集中系数,运用如图2-1作为本次实验的计算模型。 在图2-1的中，图示中几何参数有板厚焊缝正面熔宽焊缝反面熔宽焊缝正面加强高焊缝反面加强高和试件计算长度L,应力集中系数K=，并且假。基于以上的，研究L,对应力集中系数K的影响。4.2.2 焊接应

51、力载荷的施加 由于焊接应力的影响方式不仅仅是一个变量的影响，因此我们需要从不同的角度来解决这个问题，也就是说我们需要不同的情况来进行数值模拟，为此在以下的数值模拟部分，我们从正面余高和板厚对于应力集中系数的影响，正面焊缝宽度和板厚对于应力集中系数的影响，板子的长度和正面余高对于应力集中系数的影响 ，正面焊缝宽度和板长对应力集中系数的影响，在这些研究以上所罗列的研究方法的基础上，我们在每一组的实验中，选取不同的数值来进行模拟，可以得到在同一条件下，不同数值大小情况下的不同，并由这些数值所描绘处的趋势图来推断应力集中系数和正面余高，反面余高，板长，板厚，正面焊缝宽度，反面焊缝宽度对于应力集中系数的

52、影响。4.2.3 工作应力集中系数的求解 有了以上的运算计划以后，我们下一步需要的就是如何在程序上运行这些数据所组成的实验条件，因此我们基于ANSYS软件的编程，编写了如下的程序，并且在下面的程序描述中，分别解释了几条重要程序所代表的含义。分别改变程序中的不同数值，分别模拟不同是要条件下不同数值大小小对应力集中系数的影响。a. 计算参数设计44/prep7 /pnum,kp,1 /pnum,line,1/pnum,area,1/pnum,volu,1*set,Length,40 ! （长度） 参数设置*set,Thick,32（厚度）*set,YugaoP,7（正面余高）*set,YugaoN

53、,1（反面余高）*set,WidthP,20（正面焊缝宽度）*set,WidthN,14（反面焊缝宽度）RTP=(WidthP*WidthP)/(8*YugaoP)+YugaoP/2RTN=(WidthN*WidthN)/(8*YugaoN)+YugaoN/2 本部分程序定义了参数，其中包括有板长，厚度，正面余高，反面余高，正面焊缝宽度，反面焊缝宽度，最后两条程序则是利用与焊缝截面相似的RTP/RTN，使用该图形来代替实际焊缝截面模拟了焊缝区域，简化了该模型的建立。 b.参数点的定位K,1,WidthN/2,0 ! K,2,Length,0 K,3,Length,ThickK,4,WidthP/2,ThickK,5,-WidthP/2,ThickK,6,-Length,ThickK,7,-Length,0 K,8,-WidthN/2,0 K,9,0,YugaoN!K,9,0,-Y