焊接结构残余应力及其数值模拟

关于焊接结构残余应力及其数值模拟1.焊接数值模拟研究概况焊接是一门古老而充满活力的学科，在材料加工领域中居于首要的地位，而随着工业的现代化，焊接过程的数值模拟在材料热加工领域数值模拟中具有很强的代表性。数值模拟技术是使热加工过程走向科学的重要手段，无论是在理论还是实际都有着极其重要的意义所以，在能源、动力、军工等领域的重要部位的焊接仿真的实现、优化工艺过程、提高产品质量、清除安全隐患等方面起着日益重要甚至不可替代的作用。第2页,共29页，2024年2月25日，星期天国外20世纪70年代初，日本大阪大学的上田幸雄教授等人,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。1973Vaidyanathan利用板壳理论,提出了薄壁管对接环焊缝残余应力的计算方法。1978Rybicki等人，将三维焊接应力问题简化为轴对称问题之后BYYDong建立了奥氏体不锈钢管道环焊缝的残余应力三维有限元模型

1997LELindgren等用三维热—力耦合的有限元方法模拟了大型铜罐电子束焊接接头残余应力此外，Medill采用三维热弹塑性有限元模型模拟了航空常用的WasplayNi基合金电子束平板对接接头残余应力第3页,共29页，2024年2月25日，星期天国内我国在计算机分析焊接力学方面起步较晚，但发展迅速。在20世纪80年代初西安交通大学和上海交通大学等就开始了关于焊接热弹塑性理论及在数值分析方面的研究。

此后，西安交通大学的张建勋[7]采用热—弹塑性有限元法，应用有限元程序TEPFEM，分析计算了Co基合金静叶片电子束焊接时的焊接工艺对焊接残余应力的影响。西安石油学院的李栋才等人采用弹塑性有限元方法对超载拉伸消除焊接残余应力过程进行了数值模拟天津大学材料学院的陈俊梅利用ANSYS软件对Q235B钢十字接头的焊接残余应力进行了有限元计算。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。

第4页,共29页，2024年2月25日，星期天2数值模拟技术随着计算机技术和计算方法的发展，复杂的工程问题可以采用离散化的数值计算方法并借助计算机得到满足工程要求的数值解，数值模拟技术是现代工程学形成和发展的重要动力之一。第5页,共29页，2024年2月25日，星期天第6页,共29页，2024年2月25日，星期天第7页,共29页，2024年2月25日，星期天数值模拟技术受到重视的原因由于系统越来越高性能化或复杂化，单纯的试验已难以使严峻的状况重现出来。有些问题只能使用数学模型才能了解其状况。计算机的性能已经大大提高和普及。第8页,共29页，2024年2月25日，星期天数值模拟的基本步骤1.建立反映问题（工程问题、物理问题）本质的数学模型。具体说就是要建立反映问题各量之间的微分方程及相应的定解条件。2.建立真实的物理模型，就是与现实中所对的理想化的模型3.剖分，将待解区域进行分割，离散成有限个元素的集合4.导入物性数据，以及其他参数。5.单元分析，求解近似变分方程6.后处理第9页,共29页，2024年2月25日，星期天数值模拟技术在焊接中的应用1）焊接热传导分析2）焊接熔池流体动力学3）电弧物理4）焊接冶金和焊接接头组织性能的预测5）焊接应力与变形6）焊接过程中的氢扩散7）特殊焊接过程的数值分析8）焊接接头的力学行为第10页,共29页，2024年2月25日，星期天焊接数值模拟软件SYSWELDANSYS、MSC-NASTRAN、

ABAQUS、MARCDYNA WSDP第11页,共29页，2024年2月25日，星期天3对接薄板的残余应力数值模拟理论残余应力分布曲线第12页,共29页，2024年2月25日，星期天a.确立研究对象1）坐标系：x轴为焊接线方向、y轴为板宽方向。2）大小：板长1500mm、板宽600mm、板厚6mm。b.焊接条件1）焊接电流I=200A，焊接电压U=18V，焊接速度v=3mm/s。2)焊接开始位置的x坐标=-750mm。3）焊接终止位置的x坐标=+750mm。4）焊道的半宽为5mm。第13页,共29页，2024年2月25日，星期天c.单元划分

划分范围：为节约计算时间，考虑其构件的对称性，所以取接头的1/2部分进行单元划分来减少计算的时间。单元大小：焊接线附近5mm，即使远离焊接线也要20mm

单元数：6000个节点数：6321点第14页,共29页，2024年2月25日，星期天d.物性数据第15页,共29页，2024年2月25日，星期天

e.焊接过程中的温度分布图第16页,共29页，2024年2月25日，星期天f.焊接温度分布曲线

第17页,共29页，2024年2月25日，星期天第18页,共29页，2024年2月25日，星期天g.焊接过程中的热应力分布第19页,共29页，2024年2月25日，星期天第20页,共29页，2024年2月25日，星期天h.焊缝的残余应力第21页,共29页，2024年2月25日，星期天i.残余应力的分布曲线及讨论第22页,共29页，2024年2月25日，星期天第23页,共29页，2024年2月25日，星期天在沿焊缝的中部区域，纵向残余应力大小基本上保持不变，为拉应力稳定区，在焊缝两端的部位，其纵向残余应力则由恒定值逐渐降至零，因为两端部的边界条件与中间部位有所不同，是自由边界无约束。沿焊缝方向的纵向残余应力第24页,共29页，2024年2月25日，星期天在焊缝及其近区的残余应力为拉伸应力，稍微离开焊缝区，应力陡降继而出现的是残余压应力。与焊缝垂直方向的纵向残余应力第25页,共29页，2024年2月25日，星期天横向残余应力图为钢构件内部横向残余应力，焊缝处为拉应力，在焊缝附近为压应力，而且应力的变化比较急剧。第26页,共29页，2024年2月25日，星期天4结论

焊接结构中存在的残余应力，大大降低了材料的使用性能，为了提高钢结构的使用安全，采用焊接结构变形预测软件（WSDP）对对接焊件内部的温度场和残余应力分布进行模拟，得出其分布曲线，并与理论曲线进行比较。采用软件模拟，可大大提高分析结构内部残余应力的效率，另外对结构设计还具有一定的预测性，在实际生产中具有一定的应用价值。

通过本文的残余应力模拟，可得出以下内容：

1.焊接变形预测软件WSDP以固有应变理论为基础，通过弹性板单元有限元法计算焊接结构的变形，从而计算出残余应力。

第27页,共29页，2024年2月25日，星期天2.在对接薄板的温度场中，沿焊缝方向上的温度分布在始终两端部分，在焊接线上的最高到达温度大致相等，而在开始端最高到达温度最低，终端部分温度最高。而终端最高到达温度升高的原因是该部分电弧前方的金属不存在，本应在前方由于热传导所丧失的热量确在终端部分聚集，与此相反，开始的部分则因为没有热量的流入，所以温度很低。

3.对接薄板的的残余应力数值模拟是通过模型的构筑，单元的划分，物性参数的导入和计算以及后处理，从而得出模拟结果。残余应力的模拟曲线与其理论曲线基本相同。

4.数值模拟只是作为一种分析问题的方法，它并不能代替实际，而且在建模的过程中作了许多简化，例如几何尺寸的选取，以及在加载