CSTM-焊接残余应力有限元计算导则编制说明

T/CSTMXXXXX-202X《焊接残余应力有限元计算导则》编制说明目录（编写框架）TOC\o"1-3"\h\u1. 目的、意义及任务 图17及18所示，焊接试样尺寸为300mm×300mm×80mm，采用为V型坡口，角度30°。母材和焊缝材料分别为EH47和SF-36E。焊接方式为药芯电弧焊，焊接电压、电流和速度分别为30V、250A和5mm/s。图1780mm厚焊接接头示意图图18焊接接头宏观形貌图（2）中子衍射残余应力测试如图17所示，中子衍射测试位置位于沿焊缝中心线的P1路径。测试点从距上表面5mm处开始，间隔为5mm，共计15个点。由于测试样品的厚度较大，将采用双波长开展测试。其中，35-45mm深度位置的法向应力选用1.55Å的波长进行测试，其对应的衍射晶面为(110)晶面，衍射角为82.9°。其他的测试点及应力分量的测试均采用2.39Å的波长，其衍射晶面为(211)，衍射角为72.1°。纵向应力的测试采用10(x)×5(y)×5(z)mm3的衍射体积，横向及法向应力的测试采用5(x)×5(y)×20(z)mm3的衍射体积。同时，制备5(x)×10(y)×4(z)mm3尺寸的零应力式样，其衍射体积为2×2×2mm3（3）轮廓法残余应力测试轮廓法是根据切割时应力弹性释放引起的切割面变形来确定残余应力。主要实验步骤依次包括：试件切割、轮廓测量、轮廓数据处理、有限元应力重构。本实验采用直径为100μm的黄铜丝进行慢走丝切割，将样品在中间长度位置切割成两半。切割后，用扫描共聚焦激光探针测量切割表面的法向位移，测试轮廓点间距为0.5mm。并进一步通过拟合得到光滑的解析轮廓曲面，从测量表面轮廓中滤除测量噪声和表面粗糙度。进而将轮廓作为位移边界条件，进行线弹性有限元应力分析重构，并设置焊缝中心位置的弹性模量为206GPa，其他所有位置的弹性模量为217GPa，泊松比取0.28。5.2.2有限元建模（1）有限元模型及网格划分由于厚板焊道数量较多，采用三维模型难以实现焊接残余应力的高效率计算。因此，本节模拟采用二维截面模型。根据实际几何尺寸建立中间长度方向的截面模型，并进行有限元网格划分如图19所示，共6631个节点和6483个单元。对于焊接过程中焊缝金属的施加，采用生死单元技术来实现。图19有限元模型及网格划分（2）温度场计算本节采用二维等效热源进行温度场的模拟，并在计算中考虑了预热温度、层间温度及对流、辐射效应。材料的热物理性能参数表2所示。表2材料特性参数T(°C)C(J/kg/°C)λ(W/m/°C)α(10-6mm/mm/°C)µ2052.544011.70.310052.146012.30.330048.352013.10.350043.060013.90.370035.974514.90.390026.381812.40.3110026.763014.20.3140030.564016.10.3150061.064016.70.3300061.064016.70.3（3）应力场计算由于母材和焊缝金属均不存在固态相变行为，焊缝、热影响区和母材金属在焊接前后的组织均为铁素体。因此，总应变只包括弹性应变、塑性应变和热应变。本文采用混合强化模型，具体的材料参数如表3、表4所示。为避免刚性运动，厚板底部端点被约束。表3焊缝金属混合硬化模型参数T/℃E/MPaσ0/MPaC/MPaγQ∞b20195000500532616377600300195000450206015018265138425001400002501.053e112.661e9897847006000040563090944700900470002337632167400表4母材混合硬化模型参数T/℃E/MPaσ0/MPaC/MPaγQ∞b20190000500296717481513212210021000049029369544671119330020500047078842588571681077007000070657651952009006000042205794005.1.3计算结果及分析图20为有限元计算获取的三向残余应力云图，图21为轮廓法测试的得到的纵向应力分布云图，二者应力分布规律及应力水平基本吻合，均表现为焊缝上下表面出现较大的拉应力，焊缝中部应力较小，从而验证了有限元计算的有效性。对于横向应力，热影响区及焊缝根部产生较大拉应力，并由焊缝中心的压应力保持应力平衡。法向应力较小，多数为压应力。图20纵向(LD)、横向(TD)和法向(TD)残余应力的有限元分析云图图21轮廓法测试的纵向残余应力云图图22给出了中子衍射测试和有限元计算得到的P1方向残余应力分布。两种方法获取的应力大小与分布吻合性较好。在有限元计算结果中，表面的纵向应力约为630MPa，在48mm厚度处逐渐减小到250MPa；然后在78mm处增大为499MPa，最后减小到348MPa。上表面的横向应力为454MPa，然后逐渐减小，在23mm处变为压缩；然后进一步减小到60mm时的最大压应力-273MPa，最大拉应力出现在下表面为565MPa。法向应力波动较小，最大值为41MPa，最小值为-157MPa。图22沿路径P1的:（a）纵向；（b）横向；（3）法向残余应力结束语《焊接残余应力有限元计算导则》是我国首次关于焊接残余应力有限元计算的标准化文件。该文件结合了工作组多年来在焊接残余应力计算领域的经验及工业应用，融入了先进、系统的焊接残余应力研究理论体系，全面地阐述了焊接残余应力有限元计算方法，可应用于多种材料、结构的残余应力计算，实现