对接焊残余应力的有限元分析
焊接残余应力有限元分析技术研究
1 前言焊接在工业中的应用是不言而喻的，但同时焊接过程中产生的残余应力往往又会导致焊接失效。
因此，在工业中一般都要对残余应力进行消除，但这种消应力处理往往在实际结构或环境中难以实现，就必须进行破坏性分析。
随着我国核反应堆的建设及运行，核级设备及管道会出现较多的缺陷，有的缺陷必须进行打磨后焊接修复，同时要进行力学分析评价，此时，力学分析就必须考虑由焊接而产生的残余应力。
对于焊接后结构中的残余应力大小及分布，会因结构形式、焊接方式及材料特性的不同而不同。
某核电站控制棒驱动机构（CRDM ）耐压壳上部Ω环连续两年都出现了泄漏，并在检修期间进行焊接修复。
焊接公司委托美国公司对修复后的结构进行了力学分析和评定。
焊接残余应力的有限元计算是关键技术之一，也是难点。
通过本课题的研究，掌握有限元模拟焊接过程及残余应力计算，能够提高我国焊接修复工程缺陷的分析能力，优化不符合项的处理程序，达到既节约时间和资金又满足工作性能和安全性能的目的。
因此，进行焊接残余应力有限元分析技术的研究是非常有必要的。
2 焊接实例本文以某核电站CRDM 耐压壳Ω焊接为研究对象，分析研究焊接后的残余应力分布。
CRDM 耐压壳包括上段是驱动杆行程套管和下段的密封壳。
驱动杆行程套管与密封壳采用螺纹连接，Ω焊接密封的结构进行连接和密封。
驱动杆行程套管的上端采用端塞，通过螺纹连接，Ω焊接密封的结构进行密封。
CRDM 耐压壳采用的这种密封结构形式是一种便于拆装的焊接密封结构，由于其内力的整体平衡主要由连接螺纹承担，Ω焊缝功能上主要起密封作用。
其结构及尺寸见图1 和图2。
图1 辐照监督管位置图图2 密封焊缝的结构尺寸图对CRDM 耐压壳上的Ω密封焊缝的修复采用OVERLAY 修复技术。
即在出现泄漏的Ω密封焊缝（CSW ）处，经打磨后用GTAW 方法堆焊INCONEL 52 。
从采用OVERLAY 技术修复CRDM Ω密封焊缝的总报告[1]可知：（1）堆焊两层，每层厚度为2.032mm（0.08in ），总厚度为4.064mm（0.16in ）。
建筑钢结构焊接残余应力的有限元预测与控制3篇
建筑钢结构焊接残余应力的有限元预测与控制3篇建筑钢结构焊接残余应力的有限元预测与控制1建筑钢结构焊接残余应力的有限元预测与控制建筑钢结构作为施工中常用的一种结构材料，在工程中扮演着至关重要的角色。
随着工程结构的不断复杂化和精度的提高，建筑钢结构在建设中所遭受的挑战也越来越多。
其中，建筑钢结构焊接残余应力的问题已经成为制约其使用的重要性问题之一。
焊接残余应力会导致结构失去平衡、刚度降低、易发生疲劳断裂和变形，甚至引发塑性坍塌等重大事故，因此建筑钢结构焊接残余应力的预测与控制显得十分必要。
有限元方法是当下理论分析的一种重要方法，它将一个复杂的结构分割成有限个单元，用数学模型对每一个单元进行分析。
通过运用计算机模拟技术，可以对建筑钢结构焊接残余应力进行有限元模型计算，既能够确定焊接残余应力的大小和分布情况，也可通过改变焊接工艺和条件的相应参数，从而实现焊接残余应力的控制的目的。
建筑钢结构焊接残余应力的预测与控制，离不开正确的计算方法和理论支持。
首先需要标准化设计和施工操作，遵守焊接规范和标准，保证焊接工艺符合设计和建设要求。
同时还应根据工程实际情况进行参数分析和优化设计，确保结构牢固、稳定，最大程度地减少焊接残余应力对建筑钢结构的危害。
对于建筑钢结构的设计者和工人而言，掌握一定的实际技能及理论知识显得尤为重要。
他们需要对材料的物理特性和焊接工艺进行充分了解，熟练掌握相关的计算方法和理论，从而能在实践中发挥更大的作用。
在建筑钢结构施工过程中，应配备专业焊接技术人员，使用适当的材料和设备，采用有效的检测和控制措施，来降低建筑钢结构焊接残余应力的风险。
总之，建筑钢结构焊接残余应力的有限元预测和控制是现代建筑工程中一项非常重要的技术，它对于保障人民生命财产安全起到了至关重要的作用。
随着建筑行业的不断发展，有限元方法也将不断完善，我们有理由相信，通过我们的不懈努力，建筑结构焊接技术必将取得更好的发展与应用在建筑钢结构焊接工程中，焊接残余应力是一个非常重要的问题。
8--钢桥整体节点焊接残余应力三维有限元分析
文章编号:1003-4722(2009)04-0028-04钢桥整体节点焊接残余应力三维有限元分析瞿伟廉,何 杰(武汉理工大学道路桥梁与结构工程湖北省重点实验室,湖北武汉430070)摘 要:钢桥整体节点最常见的问题是焊缝处出现疲劳裂纹,焊接残余应力是重要影响因素之一。
在大型有限元软件ANS YS 的基础上,开发了相应的焊接程序,选用三维实体单元,考虑材料物理性能随温度和相变的影响,采用内部生热的加载方法模拟焊接热源的移动,运用单元生死技术模拟多道焊过程,获得了焊接温度场和应力场的动态变化过程,并对计算结果进行了分析。
关键词:钢桥;桁架桥;整体节点;焊接残余应力;温度场;应力场;有限元分析中图分类号:U448.38文献标志码:AThree 2Dimensional Finite E lement Analysis of Welding R esidu al Stress in Integral Panel Point of Steel B ridgeQU Wei 2lia n ,He J ie(Key Laboratory of Roadway Bridges and Structural Engineering of Hubei Province ,Wuhan University of Technology ,Wuhan 430070,China )Abstract :The most common p roblem of t he integral panel point of a steel bridge is t he fa 2tigue cracks occurring at t he welding seams of t he point and t he welding residual st ress is deemed as one of t he important influential factors t hat causes t he cracks.On t he basis of t he large 2scale finite element software ANS YS ,a corresponding welding program was developed.The internal heat generation loading met hod was first used to simulate t he moving of t he welding heat source t hrough selecting t he t hree 2dimensional solid element s and taking into account of t he p hysical properties of materials changing wit h t he temperat ures and p hase t ransformation.The birt h and deat h technique was t hen used to simulate t he p rocess of t he multi 2pass welding and t he dynamic change p rocess of t he welding temperat ure field and st ress field were obtained.Finally ,t he re 2sult s of t he calculation were analyzed.K ey w ords :steel bridge ;t russ bridge ;integral panel point ;welding residual st ress ;temper 2at ure field ;st ress field ;finite element analysis 收稿日期:2009-05-05基金项目:国家高技术研究发展计划863项目资助(2007AA11Z119)作者简介:瞿伟廉(1946-),男,教授,博士生导师,1967年毕业于同济大学应用力学专业,1981年毕业于武汉工业大学工民建专业,工学硕士(qwlian @ )。
焊接接头的残余应力分析与消除技术
焊接接头的残余应力分析与消除技术焊接是一种常见的金属连接方式，广泛应用于工业生产和建筑领域。
然而，焊接过程中产生的残余应力可能会导致接头的变形、开裂和失效等问题。
因此，对焊接接头的残余应力进行分析和消除具有重要意义。
一、残余应力的形成原因焊接接头的残余应力主要来自于以下几个方面：1. 热应力：焊接过程中，焊缝周围的金属受到高温热源的加热，然后迅速冷却。
由于不同部位的金属冷却速度不同，会导致金属产生热应力。
2. 冷却收缩应力：焊接完成后，焊缝周围的金属在冷却过程中会发生收缩，由于焊缝两侧的金属受到约束，会产生冷却收缩应力。
3. 相变应力：某些金属在焊接过程中会发生相变，如奥氏体转变为马氏体，这种相变会引起金属的体积变化，从而产生相变应力。
二、残余应力的分析方法为了准确分析焊接接头的残余应力，可以采用以下几种方法：1. 数值模拟方法：利用有限元分析软件，对焊接接头进行模拟计算。
通过输入焊接过程中的热源参数、材料性能等数据，可以得到焊接接头在不同位置和方向上的残余应力分布情况。
2. 应力测量方法：利用应变计、应力计等仪器对焊接接头进行实时测量。
通过测量焊接接头的应变或应力，可以得到残余应力的大小和分布情况。
3. X射线衍射方法：通过对焊接接头进行X射线衍射分析，可以得到焊接接头中晶体的应变情况。
从而可以推导出残余应力的大小和分布情况。
三、残余应力的消除技术为了消除焊接接头的残余应力，可以采用以下几种技术：1. 预热与后热处理：通过在焊接前后对接头进行适当的预热和后热处理，可以改变接头的冷却速度，从而减小残余应力的大小。
2. 机械加工：通过对焊接接头进行机械加工，如磨削、切割等，可以改变接头的形状和尺寸，从而减小残余应力的大小。
3. 热处理：通过对焊接接头进行适当的热处理，如回火、退火等，可以改变接头的组织结构和性能，从而减小残余应力的大小。
4. 残余应力退火：通过对焊接接头进行退火处理，可以使接头中的残余应力得到释放，从而减小接头的变形和开裂风险。
V形对接焊的有限元分析
焊接 是一 个 涉及 到 电弧 物理 、传 热 、冶金 和力 学 的 复杂过 程 ，通 常是 局部 快 速加 热 到 高温 ，然后 快 速冷 却 。钢 材在 高温 热源 的作 用 下产 生塑 形 变形 或相 变 ，冷却 后 在 内部形 成残 余应 力 。焊 接质 量直 接关
系到 工 程质量 的好坏 、结 构 的安 全 ， 因而 焊 接是 工程 领域 关 注 的热点 问题 。Ｖ形 对接 焊是 焊 接 中较 为 典 型 的一 种 ，分析 理论 和计 算 机模 拟技 术 已趋 于成 熟口 ］ 。笔者 以 ＡＮＳ ＹＳ软件 为 工作 平 台对 Ｖ 形 对 接 焊 进行 数 值模 拟 ，分析 焊接 残余 应 力 。
●
１ 焊 接 温 度 场 和应 力 场 理 论
１ １ 焊 接 温 度 场 ．
焊 接温 度场 分 析属 于典 型 的非 线性 瞬态 热传 导 问题 。对 于均 匀 、各 向 同性 的连 续 体介 质 ，非线 性 瞬 态热 传 导 问题 的控 制方 程 为［ ： ４ ］
：
（ ＋ ＋ 餐） （ （ ＋ 罢） 哥） Ｑ
ｄ ｉ ０ ３ ６ ／．ｓｎ １ ７ —４ ９ （ ｏ ：１ ． ９ ９ｊｉｓ ． ６ ３１ ０ Ｎ）． ０ ２ ０ ． ３ ２１． ２ ０６
Ｖ 形 对 接 焊 的 有 限 元 分 析
刘 焕 玉 ，张 系斌 ，陶 承 伟 （ 长江大学城市建设学院， 湖北 荆州４４２） ３０３
［ 要 ］ 在 热 弹 塑 性 力 学 的基 础 上 ， 运 用 大 型 通 用 有 限 元分 析 软 件 ＡＮＳ Ｓ对 Ｖ 形 对 接 焊 进 行 三 维 实 时 动 摘 Ｙ
态 模 拟 ，得 出 了焊 接 温 度 场 和 焊 接 残 余 应 力 场 。模 拟 结 果 表 明 ，在 焊 缝 中 心 处 出 现 残 余 应 力 的 峰 值 ， 且
考虑相变的焊接十字接头残余应力的有限元数值分析
里!!!!翌墨里!!旦竺!!旦∑竺!：丝塑!：!Q Q!!：!Q!!：蔓墅量塑壅：!!文章编号：1002—025X(2013)10-0013—04O考虑相变的焊接十字接头残余应力的有限元数值分析葛亚琼1，王蓬2，王文先3(1．太原科技大学材料科学与工程学院，山西太原030024；2．中国电子科技集团公司第三十三研究所，山西太原030024；3．太原理工大学材料科学与工程学院，山西太原030024)摘要：焊接残余应力是影响焊接质量的重要因素之一，焊接残余应力主要由热应力和相变应力组成。
本文采用A N SY S软件，利用单元生死技术和热一结构耦合方法．模拟了十字接头的焊接及焊后冷却过程．计算分析了考虑相变的焊接残余应力的分布。
研究结果表明：焊接过程中，熔池的温度最高，最高温度达到l515℃；母材部分的温度最低，为室温20℃；随着与焊缝距离的增大，温度逐渐减小。
考虑相变的十字接头焊缝和焊缝附近在平行于焊缝和垂直于焊缝两个方向的焊接残余应力均为压缩应力．且最大压缩应力位于焊趾处，约为一500M Pa，说明相变能够有效地降低焊接接头的残余拉伸应力，并且在一定的条件下产生焊接残余压缩应力。
关键词：相变；十字接头；残余应力；有限元中图分类号：T G404文献标志码：B引言现代工业高速发展。
焊接已经成为应用最为广泛牧稿日期：2013--05—13的工艺方法．以至于当代许多重要的技术问题必须采用焊接才能解决。
焊接过程实际上是在焊件局部区域加热后又冷却凝固的热过程，由于不均匀的温度场．导致焊件不均匀的膨胀和收缩，所以不可避免地将产生焊接残余应力…。
焊接残余应力是影响焊接质量的接热循环的综合作用下组织发生了较大程度的变形：热影响区仅受焊接热循环的作用．与母材组织相似．但组织稍微有粗化现象。
(5)1060铝FSW接头显微硬度分布曲线呈W 形，前进侧热影响区处硬度值低于母材，是焊件的薄弱环节。
参考文献：[1]D A W E S C J．I nt r oduct i on t o f r ict ion s t i r w el di ng and i t s devel op m ent[J]．W el di ngand M et al F a br i ca t i on，1995，63(1)：13—15．[2]M I SH R A R S，M A Z Y．Fr i ct i on st i r w e l di ng and pr oces si ng[J]．M at er i al s S c i e nce a nd Engi nee r i ng，2005，50(12)：1-78．[3]T H O M EA S W M，N I C H O L A S E D．F r i c t i on s t i r w el di ng f or t het r anspor t at i on i ndust r i e s[J]．M at er i al s and D es i gn，1997，18(16)：269—273．[4]JO E LJ D．The f ri ct i o n st i r w e l d i ng a dvant a ge[J]．W e l di ng J ou r nal，2001，80(50)：30-34．[5]N A N D A N R，D E B R O Y T and B H A D E SH I A H K D H．Rec ent ad—va nce s i n f ri ct i o n st i r w el di ng pr oce ss，w el dm e nt s t r uct ur e and prop—eI t i es[J]．Pr ogr ess i n M at er i al s Sci e n c e，2008，53：980一l023．[6]赵衍华，林三宝，申家杰．等．2014铝合金搅拌摩擦焊接头的微观组织及力学性能[J]．航空材料学报，2006，26(1)：67—70．[7]陈影，付宁宁，沈长斌，等．5083铝合金搅拌摩擦焊搭接接头研究[J]．材料工程，2012(6)：24—27．[8]PA R K S H C，SA7r DY S and K O K A W A H．E f f ect of m i cr o—t ext ur eo n f r actur e l ocat i on i n f ri et i o n s t i r w el d of A Z61du r i n g t ens i l e t e s t [J]．S cr i pt M a t e ri al i a，2003，49(2)：161—166．[9]钟群鹏，赵子华．断13学[M]．北京：高等教育出版社，2006．[10]于勇征，罗宇，栾国红．影响搅拌摩擦焊金属塑性流动的因素[J]．焊接学报，2004，25(5)：117—120．[11]于勇征，罗字，栾国红，等．铝合金LD l0一LF6搅拌摩擦焊的金属塑性流动[J]．焊接学报，2004，25(6)：115一118．[12]俞汉青，陈金德．金属塑性成型原理[M]．北京：机械工业出版社．2002．作者简介：赵亚东(1983一)，男，硕士，讲师．研究向为轻合金材料的搅拌摩擦焊．14试验与研究焊接技术第42卷第10期2013年10月重要因素之一．焊接残余应力主要由热应力和相变应力组成[2]。
高压容器焊接残余应力的有限元分析
高压容器焊接残余应力的有限元分析发布时间：2021-12-27T10:43:51.157Z 来源：《中国科技人才》2021年第22期作者：李晓超[导读] 高压容器的焊缝处必然存在焊接残余应力，是焊接裂纹发生开裂的主要影响因素。
陕西榆林能源集团横山煤电有限公司陕西榆林719199摘要：高压容器的焊缝处必然存在焊接残余应力，是焊接裂纹发生开裂的主要影响因素。
焊接过中温度分布高度集中，由此产生的残余应力和变形不仅会严重影响复杂焊接工件的后期加工精度和尺寸，还会对压力容器的结构构件、结构刚度、静载荷产生影响，大大降低生产工的使用寿命。
在此基础上，下文讨论了高压容器残馀应力焊接的有限元方法，以供参考。
关键词：高压容器焊接；残余应力；有限元分析引言高压容器适用于多个行业领域，如在电厂、石油化工、科研、能源及军事等领域都获得了较为广泛的运用。
在运行原理上，高压容器主要是完成热传导、物质相态分离以及实现高压生产等，在切实保证产品质量水平的同时，最终提升生产效率水平。
但是，高压容器本身具备高压、易燃易爆炸、剧毒等潜在危险，一旦相关操作与管理人员的安全意识不足，出现违规操作及使用的情况，将很容易引发相应的事故，给群众的财产和生命安全造成严重威胁。
1 汽轮机高压隔板的结构型式汽轮机隔板按其结构形式不同，可分为围带式隔板、自带冠式隔板、旋转隔板、直焊式隔板和反动式隔板等，汽轮机高压隔板主要采用的是围带式隔板。
围带式隔板主要由隔板外环、隔板内环、叶栅和径向汽封体构成，叶栅由内、外围带和静叶片焊接而成。
因此，围带式隔板的结构比较复杂，焊接填充量大，焊缝质量要求高。
2 高压容器焊接残余应力的有限元分析调整焊接方法，采用手工焊打底、机械手自动焊填充和盖面底基采用焊丝混合气体屏蔽焊接(复盖电极手动电弧焊接适用于超出气体屏蔽焊丝干拉伸的焊接位置)，控制支撑焊接高度，使其低于刀片出口边和进口边平面 2~3mm，以保证焊接质量。
然后组装消弧线板，焊接到板条板两侧的焊接端，容易产生焊接错误的电弧起动和电弧闭合焊接放置在产品焊接端之外。
焊接过程模拟与焊接变形、焊接Ansys应力有限元分析
焊接过程模拟与焊接变形、焊接Ansys应力有限元分析1.1 焊接变形与焊接应力焊接时，加热和冷却循环总会导致一定程度的变形，焊接变形对尺寸稳定性以及结构力学性能都有很大的影响，控制焊接变形在焊接加工中是一个关键的任务。
在钢结构焊接中，焊接工艺会使构件温度场产生不均匀变化，从而在构件中产生复杂的残余应力分布。
残余应力是一种自相平衡的力系，当构件承受荷载时，如受拉、受压等，荷载引起的应力将与截面残余应力相叠加，从而使构件某些部位提前达到屈服强度，并发生塑性变形，故会严重降低构件的刚度和稳定性以及结构疲劳强度。
对构件进行焊接，在焊件上产生局部高温的不均匀温度场，焊接中心处温度可达1600℃，高温区的钢材会发生较大程度的膨胀伸长，但受到相邻钢材的约束，从而在焊件引起较高的温度应力，并在焊接过程中，随时间和温度而不断变化，称其为焊接应力。
焊接应力较高的部位，甚至将达到钢材的屈服强度而发生塑性变形，因而钢材冷却后将有残存于焊件的应力，称为焊接残余应力。
并且在冷却过程中，钢材由于不能自由收缩，而受到拉伸，于是焊件中出现了一个与焊件加热方向大致相反的应力场。
1.2 Ansys有限元焊接分析为通过对焊接过程的三维有限元模拟分析以及焊接后构件变形及残余应力分布分析，为评估焊接对焊件的影响提供更加合理、有效、可靠的分析数据，并为焊接工艺提供一定的指导，为采用的焊接过程提供一定的分析依据，采用大型有限元计算软件Ansys作为分析工具对焊接过程与焊件的变形与残余应力进行了分析。
ANSYS有2种方式来考虑热分析与力学分析之间的耦合,即直接耦合和间接耦合。
间接耦合法的处理思路为先进行温度场的模拟,然后将求出的结点温度作为体载荷施加在结构中,计算焊接残余应力与变形。
即：(1)使用热分析的手段进行热分析，根据需要可采用瞬态分析与稳态分析模型，此处为瞬态分析。
(2)重新进入前处理中,将热分析单元转换为相应的结构分析单元，设置结构分析中材料属性,如弹性模量、泊松比、热膨胀系数等。
不同坡口焊缝残余应力的有限元分析
不同坡口焊缝残余应力的有限元分析摘要：对接焊缝在不同坡口型式时残余应力的影响是不同的。
应用有限元方法，对不同坡口型式焊缝的残余应力进行了有限元分析，得出不同型式焊缝的残余应力分布与大小，为制定正确的焊接工艺、改善焊缝性能等实际生产和使用提供理论依据。
金属在焊接的过程中，由于不均匀热循环，必然在接头中产生残余应力，残余应力是引起裂纹、导致接头强度和韧性下降的重要原因［1］。
据统计，由于焊接件的普遍采用，不少专家学者做了大量的试验和研究工作。
近年来，随着计算机技术在工业中的广泛应用和有限元技术的逐步完善，用有限元法对工件在焊接过程中的状态进行模拟的方法越来越多。
但是，对于焊缝残余应力的研究大多只是分别研究［1，2］。
笔者综合考虑各种因素的影响，可以经济有效地预测焊接残余应力的分布与大小，为制定正确的焊接工艺、改善接头性能提供一定的理论依据。
1 方案分析考虑当焊件较长时，根据圣维南原理，离焊件两端稍远处应力可以不计。
因此，该问题可以看成是平面应变问题。
取焊件的几何尺寸为500 mm×260 mm，接头有V、Y 和U三种形式。
笔者根据接头形式，在ANSYS中实体造型了三种焊件。
对于每一种焊件，采用了直接耦合的方法，即利用包含所有必须自由度的耦合单元类型，仅通过一次求解即可得出耦合场分析结果。
在这种情况下，耦合通过计算包含所有必须项的单元矩阵或单元载荷向量实现。
2 单元类型及载荷工况的确定本文采用的焊件材料为碳钢，其热物性能和力学性能为表1[3,4]。
由于焊接时熔池处的焊接温度很高，而一般钢材温度超过1000℃后的高温热物理性能数据欠缺。
因此当温度超过1000℃时，热物理性能系数取1000℃时相应的数值(如传热系数)。
进行温度－应力耦合分析时，采用直接耦合的分析方法。
在网格划分时，同时综合考虑各因素，选用PLANE13单元。
进行有限元分析时，初始温度取20℃，焊条·40·计算机应用技术机械2006年第8期总第33卷温度取1500℃，参考温度取20℃。
焊接接头的应力松弛及残余应力分析
焊接接头的应力松弛及残余应力分析焊接接头是工程中常见的连接方式之一，它通过熔化金属填充接头间隙，使接头部分形成一个整体，从而达到连接的目的。
然而，焊接过程中会产生应力，这些应力可能会导致接头的应力松弛和残余应力的产生。
本文将对焊接接头的应力松弛及残余应力进行分析。
一、焊接接头的应力松弛焊接接头的应力松弛是指焊接后接头内部的应力逐渐减小的过程。
焊接时，由于热量的作用，接头内部的金属会发生膨胀，形成应力。
随着焊接过程的结束，接头开始冷却，金属会收缩，从而产生应力松弛的现象。
应力松弛对焊接接头的影响是多方面的。
首先，应力松弛会导致接头的变形，使接头的尺寸和形状发生变化，从而影响接头的使用性能。
其次，应力松弛还可能导致接头的疲劳寿命降低，使接头容易发生疲劳断裂。
因此，在焊接接头的设计和制造过程中，应力松弛的控制是非常重要的。
二、焊接接头的残余应力焊接接头的残余应力是指焊接后接头内部仍存在的应力。
焊接过程中，由于金属的膨胀和收缩，接头内部会形成复杂的应力分布。
随着焊接过程的结束，金属冷却后，部分应力会被释放，但仍有一部分应力无法完全消除，形成残余应力。
残余应力对焊接接头的影响也是非常严重的。
首先，残余应力会导致接头的变形，使接头的尺寸和形状发生变化，从而影响接头的使用性能。
其次，残余应力还可能导致接头的开裂，使接头容易发生断裂。
三、焊接接头应力松弛和残余应力的分析方法为了准确分析焊接接头的应力松弛和残余应力，需要借助一些分析方法。
常用的方法包括有限元分析和试验分析。
有限元分析是一种数值计算方法，通过将接头划分为多个小单元，建立接头的数学模型，利用有限元法求解接头内部的应力分布。
这种方法可以较为准确地预测接头的应力松弛和残余应力。
试验分析是通过实验手段来分析接头的应力松弛和残余应力。
常用的试验方法包括应力松弛试验和残余应力测量试验。
应力松弛试验可以通过对焊接接头施加一定的载荷，观察接头的变形情况，从而分析应力松弛的程度。
焊接接头的残余应力分析与控制
焊接接头的残余应力分析与控制焊接接头是工程中常见的连接方式之一，它通过熔化两个或多个金属工件并使其冷却固化，形成一个稳定的连接。
然而，焊接过程中会产生残余应力，这些应力可能会导致接头的变形、裂纹和失效。
因此，对焊接接头的残余应力进行分析与控制是非常重要的。
首先，我们需要了解焊接接头残余应力的形成原因。
焊接过程中，高温会使金属发生热膨胀，而冷却过程中又会发生热收缩。
这种热膨胀和热收缩的不均匀性会导致接头产生应力。
此外，在焊接接头中，还存在着熔化金属和固态金属之间的相互转化，这也会引起残余应力的产生。
接下来，我们来分析焊接接头残余应力的影响。
首先，残余应力会导致接头的变形。
由于应力的存在，接头可能会发生弯曲、扭曲等变形现象，从而影响其正常的使用。
其次，残余应力还会增加接头的脆性，使其更容易发生裂纹。
一旦裂纹形成，接头的强度和耐久性将大大降低，甚至可能导致接头的失效。
此外，残余应力还可能引起接头材料的变质和变色，从而影响其外观和质量。
为了控制焊接接头的残余应力，我们可以采取一些措施。
首先，合理选择焊接参数是非常重要的。
焊接参数包括焊接电流、焊接速度、焊接时间等，通过调整这些参数，可以控制焊接过程中的温度和冷却速度，从而减小残余应力的产生。
其次，采用适当的焊接方法也可以有效控制残余应力。
例如，采用预热和后热处理可以缓解焊接接头的应力，减小残余应力的程度。
此外，选择合适的焊接材料和焊接工艺也是控制残余应力的关键。
除了上述方法，还可以通过残余应力分析来控制焊接接头的质量。
残余应力分析是通过数值模拟或实验测试来评估接头中的残余应力分布和大小。
通过分析残余应力的分布情况，可以确定应力集中区域，并采取相应的措施进行改进。
例如，可以通过增加填充材料或改变焊接顺序来减小应力集中区域的应力。
此外，还可以通过优化焊接接头的设计来减小残余应力的产生。
例如，采用圆角设计可以减小应力集中，从而减小残余应力的程度。
综上所述，焊接接头的残余应力分析与控制是确保接头质量和可靠性的重要环节。
焊接残余应力产生的原因
焊接残余应力产生的原因
焊接残余应力是指在焊接过程中，由于局部区域受到不均匀的热膨胀和冷却收缩的影响，导致材料内部产生残余应力。
这些残余应力可能会对焊接件的性能和稳定性产生负面影响，因此需要及时进行处理和控制。
焊接残余应力的产生原因主要包括以下几个方面：
1. 热膨胀和冷却收缩不均匀：焊接过程中，焊接件局部区域受到高温热输入，导致局部区域膨胀，而在冷却过程中又会收缩。
如果热膨胀和冷却收缩不均匀，就会导致残余应力的产生。
2. 焊接过程中的变形：焊接过程中，由于焊接件受到热输入，可能会发生变形，导致残余应力的产生。
3. 材料性能差异：焊接时使用的母材、焊材和焊接工艺可能存在一定的差异，这也会导致残余应力的产生。
4. 焊接残留缺陷：如果焊接过程中存在气孔、夹杂等缺陷，也会导致残余应力的产生。
对于焊接残余应力的产生原因，我们可以通过以下几种方法进行控制和处理：
1. 合理选择焊接工艺和参数：在焊接过程中，应根据焊接件的材料和形状，合理选择焊接工艺和参数，以减少残余应力的产生。
2. 采取预热和后热处理措施：在焊接过程中，可以采取预热和后热处理的方式，以减少焊接残余应力的产生。
3. 控制焊接变形：在焊接过程中，应控制焊接变形，避免过大的变形导致残余应力的产生。
4. 检测和修复焊接残留缺陷：在焊接后，应对焊接件进行检测，及时发现并修复焊接残留缺陷，以减少残余应力的产生。
焊接残余应力的产生原因是多方面的，需要在焊接过程中加以控制和处理，以确保焊接件的性能和稳定性。
通过合理选择焊接工艺和参数、采取预热和后热处理措施、控制焊接变形和修复焊接残留缺陷，可以有效减少焊接残余应力的产生，从而提高焊接件的质量和可靠性。
焊接钢梁残余应力有限元分析
外可看到 ， 向残 余应 力在焊缝 方 向上 达到 平衡 ， 横 从这 点也 可 知
在横 向残余应力的两个组成部分 中， 向收缩 引起 的焊缝 及其 附 纵 近塑性 区的应力 占主导地位。
山 西 建 筑
性能参数 ， 通过 Ａ Ｓ Ｓ软件 中的热分 析模 块对焊 接钢 梁进 行 非 ＮＹ 线性瞬态分析 ， 进行有 限元数值模 拟。如图 ３所 示是焊缝 及周边 纵 向残余应 力 和沿纵 向焊缝 方 向 （ 轴 ） 同路径 的 ｏ 分 布 不 ｒ
情况。
比较图 ３ ） ａ 和图 ３ ） 以看 出， 面横 向残余应 力分 布 曲线 ｂ可 背
在该 区域 中力平衡方程 为 ：
＝
０
（） ４
其 中， ． 应力分量， 已包括热应力项。热应变可按下式描述 ：
８ ＝ （ ） ； 一 占
（） ５
其 中， 为热应 变张 量 ；ｔ 热膨胀 系 数 ； 为参 考温 度 ； Ｏ为 ｑ （） ６
应 力重分 布 ， 从而降低焊接构件 的刚度 和稳定性 。工程应 用中也 为 占算子。应 力应 变问的本构方 程为 ： 不乏这种将型 钢直 接焊 接成 钢梁 或钢架 的构件 ， 因此 用有 限元方 ｄ ＝ ８ Ｄ槲（ ｓ ｄ 乞一 ｓ ｄ ） ｄ “一 ｄ 一 ８ 法分析焊接钢梁 中残余 应 力的大小 和分 布对工 程实践 具有重 要
ｃｍ ｉｉ ｔ ｔｅｐ ｊｃ ａ ｐｅ ， ｏ ａｅ ｅ ｔ ｃｕａ ａｔｓｉ ｃｐｒ ｒ ａ ｃ ｆｈ ｒｅｄｆｒｎ ｉ ｏｌ ｔ ａ ｅ ， ｎ ｒｖｓｈ ｏ ｂｎｎ ｇ ｌｈ ｒ ｅｔ ｘ ｌ ｃｍｐｒｓｈ ｒ ｔｒｌ ｉ ｅ ｍｉ ｅｆ ｍ ｅｏ ｅｔ ｅ ｉｅ ｔ ｓ ｅａ ｉ ｄｍｐｒ ａｄｐ ｅ ｅ ｌ ｏ ｅｍ ｓ ｔ ｓｕ — ｓ ｏ ｎ ｎ ｔ ｈ ｅ ｖｃ ｓ ｃ ｓ ｏ ｔ
焊接质量控制中焊接接头残余应力的数值模拟分析
焊接质量控制中焊接接头残余应力的数值模拟分析焊接是一种常用的金属连接工艺，广泛应用于各个领域。
然而，焊接过程中，会产生残余应力，这对焊接接头的质量和性能有着重要的影响。
因此，通过数值模拟分析焊接接头的残余应力，可以帮助我们更好地控制焊接质量。
1.研究目的本文旨在通过数值模拟分析焊接接头的残余应力，深入了解焊接接头的力学特性，并探讨残余应力对焊接接头质量的影响。
通过分析结果，寻找降低焊接接头残余应力的方法，提高焊接质量。
2.数值模拟分析方法2.1 界面模型搭建首先，根据实际焊接接头的几何形状和尺寸，使用CAD软件建立焊接接头的三维模型。
然后，利用有限元软件将焊接接头模型离散化为有限元网格模型，确定网格的划分密度。
2.2 焊接热源模型通过研究焊接过程中热源的分布和传递规律，建立焊接热源模型。
考虑到焊接过程中的瞬态热传导、相变和非线性特性，选取合适的热传导方程和边界条件，计算焊接过程中的温度场分布。
2.3 应力模型建立根据焊接接头的材料性能和焊接过程中的温度场分布，采用线弹性力学理论，建立焊接接头的应力计算模型。
通过求解弹性力学方程，得到焊接接头的残余应力分布。
3.数值模拟分析的结果与讨论通过数值模拟分析，我们得到了焊接接头的残余应力分布图。
从图中可以看出，在焊接接头的熔池附近，残余应力呈现高应力区域，随着距离熔池的增加逐渐减小。
此外，在焊接接头的焊缝区域也存在较高的残余应力。
针对焊接接头的残余应力分布，我们可以得出以下结论和建议：3.1 结论1) 焊接接头的残余应力分布与焊接过程中的温度场密切相关。
熔池区域附近和焊缝区域往往存在较高的残余应力。
2) 焊接接头的残余应力对焊接质量和性能有着重要的影响。
高残余应力可能导致裂纹和变形，降低焊接接头的强度和寿命。
3.2 建议1) 优化焊接工艺参数，控制焊接温度和热输入，以减小焊接区域的残余应力。
2) 采用合适的焊接序列和填充材料，使焊接接头的温度场均匀分布，减少残余应力的集中。
船舶典型结构焊接残余应力的有限元分析
Ｓ ｉ ｃ ｎ ｅ ｈ ｏｏｙ Ｚ ｅｊ ｎ １０ ３ Ｃ ｉａ ｃ ｎ ｅａ ｄＴ ｃ ｎ ｌ ， ｈｎｉ ｇ２ ２ ０ ，ｈｎ ） ｅ ｇ ａ
试 验 值 进 行对 比分 析 。在 此 基 础 上 ， 船 舶 典 型纵 骨对 接 焊 进 行 数 值 模 拟 分 析 ， 到相 应 的残 余 应 力 的分 布 规 律 。 对 得 【 键词 】 骨对接 ； 接焊缝 ； 关 纵 对 残余 应 力 ； 数值 模 拟 ［ 图分 类 号 ］ ６ ４ １ 中 Ｕ ７ ． ８ ［ 献标 志码 ］ 文 Ａ ［ 章 编 号 ］１０ — ８ ５ ２ １ ）４ ０ ５— ６ 文 ０ １９ ５ （０ ２ ห้องสมุดไป่ตู้ － ０ ４ ０
ＦＥＡ ｏ ｌ ｉ ｇ ｒ ｓｄ ａ ｔ ｅ ｓｏ ｐ ｃ ｌｓ ｉ ｔ ｕ ｔ ｒ ｆ ｒ ｗｅｄ ｎ ｅ ｉ ｕ ｌｓｒ ｓ ｆｔ ｉａ ｈ ｐ ｓｒ ｃ ｕ ｅ ｙ
Ｌ ｎ — ｈ ｎ Ｓ Ｎ Ｊ Ｄ０Ｕ Ｐ ｉｌ ＩＹｏ ｇ— ｅ ｇ ＨＥ ｉ ｚ ｅ ｅ— ｉ —ｎ
第２ ３卷
第 ４期 （ 总第 １６期 ） ３
２１ ０ ２年 ８月
船
舶
Ｖ０ ．３ Ｎｏ ４ １ ２ ． Ａｕ ｕ ｔ ２ ２ ｇ ｓ ， ０１
Ｓ Ｐ ＆ Ｂ０ＡＴ ＨＩ
［ 舶 结构 ］ 船
船舶典型结构焊接残余应力 的有限元分析
李永 正 沈 杰 窦培 林
（ 苏科技 大 学 船 舶 与海洋 工程 学院 镇江 ２ ２ ０ ） 江 １０ ３
高压水射流喷丸降低焊接残余应力有限元分析
罗 云， 蒋文 春
Байду номын сангаас
（ 中 国石 油大学 （ 华 东 ）化学 工程学 院 ， 山东 青 岛
２ ６ ６ ５ ８ ０ ）
摘 要： 焊 接不 可避 免产 生残余 应力 ， 对 结构 完整 性造 成很 大 影 响。提 出利用 高 压 水射 流 喷丸 技 术
降低焊接残余应力， 并利用有限元法进行计算模拟。分别开发 了模拟焊接 的移动双椭球热源子程
ｈ ｉ ｇ ｈ ｐ ｒ ｅ ｓ ｓ ｕ ｒ ｅ ｗ ａ ｔ ｅ ｒ ｊ ｅ ｔ ｐ ｅ ｅ ｎ ｉ ｎ ｇ ｓ ｕ ｂ ｒ ｏ ｕ ｔ ｉ ｎ ｅ ｓ ｗ ｅ ｒ ｅ ｄ ｅ ｖ ｅ ｌ ｏ ｐ ｅ ｄ ， ａ ｎ ｄ ｔ ｈ ｅ ｒ ｅ ｓ ｉ ｄ ｕ ａ ｌ ｓ ｔ ｒ ｅ ｓ ｓ ｅ ｓ ｂ ｅ ｆ ｏ ｒ ｅ ａ ｎ ｄ ａ ｆ ｔ ｅ ｒ ｔ ｈ ｅ
Ｆｉ ｎｉ ｔ ｅ Ｅｌ ｅ ｍｅ ｎ ｔ Ａｎａ ｌ ｙ ｓ ｉ ｓ ｏ ｆ Ｒｅ ｄｕ ｃ ｉ ｎ ｇ Ｗ ｅ ｌ ｄｉ ｎ ｇ Ｒｅ ｓ ｉ ｄ ｕａ ｌ Ｓ ｔ ｒ ｅ ｓ ｓ
ｂ ｙ Ｈｉ ｇ ｈ Ｐ ｒ ｅ ｓ ｓ ｕ ｒ ｅ Ｗａ ｔ ｅ ｒ ｊ ｅ ｔ Ｐ ｅ ｅ ｎ ｉ ｎ ｇ
ｈ ｉ ｇ ｈ ｐ ｒ ｅ ｓ ｓ ｕ ｒ ｅ ｗ ａ ｔ ｅ ｒ ｊ ｅ ｔ ｐ ｅ ｅ ｎ ｉ ｎ ｇ ， ｔ ｈ ｅ ａ ｓ—ｗ ｅ ｌ ｄ ｒ ｅ ｓ ｉ ｄ ｕ ａ ｌ ｓ ｔ ｒ ｅ ｓ ｓ ｅ ｓ ｉ ｎ ｔ ｈ ｅ ｗ ｅ ｌ ｄ ｍ ｅ ｔ ａ ｌ ａ ｎ ｄ ｈ ｅ ａ ｔ ｆ ａ ｆ ｅ ｃ ｔ ｅ ｄ ｚ ｏ ｎ ｅ
序及 模 拟高压 水射 流喷丸 的移 动压力 载荷 子程序 ， 得 到 了经 高压 水 射 流 喷丸处 理 前 后焊 接 残余 应
厚板多层多道对接焊残余应力轮廓法测量及热-弹-塑性有限元分析
厚板多层多道对接焊残余应力轮廓法测量及热-弹-塑性有限元分析张庆亚1,卓子超1,周宏2,刘建成3,王江超1（1.华中科技大学船舶与海洋工程学院，武汉430074；2.江苏科技大学船舶与海洋工程学院，江苏镇江212100；3.招商局重工（江苏）有限公司，江苏南通226100）摘要：船体外板结构多采用多层多道焊工艺建造，焊接产生的残余应力复杂，易导致焊接结构断裂和疲劳失效。
本文采用轮廓法与基于并行计算技术的热-弹-塑性有限元研究Q235厚板多层多道对接接头内部残余应力分布及其变化过程，预测结果与测量结果吻合较好。
预测结果表明，纵向残余应力在焊缝区为拉应力，沿接头宽度方向逐渐减小最终转变为压应力，正面焊缝中部区域拉应力值明显降低；横向残余应力在焊缝区上表面及背面填充处为拉应力，沿接头宽度方向逐渐降低，在正面焊缝中部区域为压应力；Z 向残余应力主要存在于焊缝区，正面焊缝以压应力为主，背面焊缝以拉应力为主。
厚板多层多道焊接过程中，残余应力变化是由于后一道焊缝对已焊的焊缝起到热处理作用导致的，焊缝接头残余应力分布由最后一道焊缝决定。
关键词：多层多道对接焊；焊接残余应力；轮廓法；热-弹-塑性有限元中图分类号：U661.4文献标识码：A doi:10.3969/j.issn.1007-7294.2021.05.011Welding residual stress in multi-pass butt joint of thick plate through contour method and thermal-elastic-plastic finite element analysisZHANG Qing-ya 1,ZHUO Zi-chao 1,ZHOU Hong 2,LIU Jian-cheng 3,WANG Jiang-chao 1(1.School of Naval Architecture and Ocean Engineering,Huazhong University of Science and Technology,Wuhan 430074,China;2.School of Naval Architecture and Ocean Engineering,Jiangsu University of Science and Technology,Zhenjiang 212100,China;3.China Merchants Group Heavy Industry (Jiangsu)Co.Ltd.,Nantong 226100,China)Abstract ：The hull plate structure is often fabricated by multi-pass welding process.However,the welding-induced residual stress will lead to abrupt fracture and fatigue-related failure of welded structure.In this pa⁃per,the internal residual stress distribution in a multi-pass butt joint of a Q235thick plate was investigated by using the contour method and Thermal Elastic Plastic Finite Element Analysis (TEP FEA).The measured results were approximated with the predicted results.The longitudinal residual stress in the weld vicinity was tensile stress,it decreased gradually towards the base metal and finally turned into compressive stress.The stress value in the middle section of the front weld decreased obviously.The transverse residual stress was the tensile stress near the surface and then gradually decreased along the weld width.The compressive stress 第25卷第5期船舶力学Vol.25No.52021年5月Journal of Ship Mechanics May 2021文章编号：1007-7294（2021）05-0627-10收稿日期：2020-11-28基金项目：工业与信息化部高技术船舶科研专项（159****9518）作者简介：张庆亚（1990-），男，博士研究生，E-mail:*******************.cn ；王江超（1983-），男，博士，副教授，通讯作者，E-mail:**************.cn 。
焊接残余应力产生原因分析及消除方法
焊接残余应力产生原因分析及消除方法摘要：焊接应力即是在焊接结构时由于焊接而产生的内应力，它可以依据产生作用的时间被分为焊接瞬时应力和焊接残余应力。
所谓焊接瞬时应力是指在焊接的过程中某一个焊接瞬时产生的焊接应力，它是会跟着时间的变化而发生变化的，而在焊接之后，某一个受到焊接的焊件内还残留的焊接应力被称为焊接残余应力。
关键词：焊接残余应力；原因；消除方法1产生焊接残余应力的原因之所以会产生焊接残余应力，主要是由于焊件在焊接的过程中所受到的加热是不均匀的。
按照焊接残余应力的发生来源，可将焊接残余应力分为直接应力、间接应力和组织应力三种。
（1）直接的焊接应力是焊接残余应力所产生的最主要的原因，它是受到不均匀的加热和冷却之后所产生的，根据加热和冷却时的温度梯度而发生变化。
（2）间接的焊接应力则是焊件由于焊前的加工状况造成的应力。
焊件在受到轧制和拉拔时会产生一定的残余应力。
间接的残余应力如果在某一种场合下叠加到焊接的残余应力上去，焊件受到焊接发生变形，也会将其影响附加到焊接残余应力上去。
而且，焊件一旦受到外来的某一种约束，产生相应的附加应力，也属于间接应力的范畴。
（3）组织应力也就是由相变造成的比容变化而产生的应力，它的产生是由于焊件的组织发生了变化。
虽说组织应力会由于含碳量和材料其他成分的不同而产生差异，但我们一般都会将其所产生的影响进行分析研究。
2焊接残余应力控制方法2.1焊接结构焊接是产生焊接残余应力的根本原因，减少焊缝数量和尺寸能有效减少焊接量，通过控制焊接量可有效减少应力。
在同等焊接强度下，焊缝尺寸较小的，其焊接残余应力较小。
应尽量避免多条焊缝在同一部位集中，焊缝距离过近时，焊缝间会产生耦合，形成复杂残余应力场，焊缝间距离一般应大于3倍板厚且不小于100mm。
应尽量采用刚度较小的焊接接头形式，其结构拘束度小，能够通过变形释放焊接应力，残余应力较小。
2.2焊接工艺结构组件拆分、焊前预热、焊接参数设置、焊接顺序等对焊接应力影响较大。
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第１１卷第１期船舶力学Ｖｏｌ．１１Ｎｏ．１２００７年２月ＪｏｕｒｎａｌｏｆＳｈｉｐＭｅｃｈａｎｉｃｓＦｅｂ．２００７文章编号：１００７－７２９４（２００７）０１－００９４－０８对接焊残余应力的有限元分析孙文婷，万正权（中国船舶科学研究中心，江苏无锡２１４０８２）摘要：针对应用有限元方法进行焊接残余应力数值预报时模拟普遍存在的三维模拟过程复杂、计算时间冗长、计算费用较高的问题，通过引入焊接热循环过程的加热和冷却时间比，提出了以线热源代替点热源的简化数值预报方法，使三维问题简化为二维问题进行数值模拟，大大节省了计算时间。
数值计算结果表明：文中提出的焊接残余应力的数值预报方法能满足焊接力学分析的精度要求，节省了大量的计算时间，可以应用于工程实际。
关键词：对接焊过程；残余应力；数值计算模型；有限元分析中图分类号：ＴＧ４０４文献标识码：ＡＦｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔａｎａｌｙｓｉｓｏｆｂｕｔｔ－ｗｅｌｄｉｎｇｒｅｓｉｄｕａｌｓｔｒｅｓｓｅｓＳＵＮＷｅｎ－ｔｉｎｇ，ＷＡＮＺｈｅｎｇ－ｑｕａｎ（ＣｈｉｎａＳｈｉｐＳｃｉｅｎｔｉｆｉｃＲｅｓｅａｒｃｈＣｅｎｔｅｒ，Ｗｕｘｉ２１４０８２，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｓｉｍｐｌｉｆｉｅｄｍｅｔｈｏｄｉｓｄｅｖｅｌｏｐｅｄｔｏｏｖｅｒｃｏｍｅｔｈｅｓｈｏｒｔｃｏｍｉｎｇｓｉｎｏｒｄｉｎａｒｙｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｍｅｔｈ－ｏｄｓｆｏｒｗｅｌｄｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓｓｉｍｕｌａｔｉｏｎａｎｄｗｅｌｄｉｎｇｒｅｓｉｄｕａｌｓｔｒｅｓｓｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎ，ｓｕｃｈａｓｃｏｍｐｌｉｃａｔｅｄｐｒｏｃｅｓｓ，ｌｏｎｇｒｕｎｎｉｎｇｔｉｍｅａｎｄｈｉｇｈｃｏｓｔ．Ｔｈｅｍｅｔｈｏｄａｄｏｐｔｓｔｈｅｌｉｎｅｒｈｅａｔｓｏｕｒｃｅｉｎｓｔｅａｄｏｆｐｏｉｎｔｈｅａｔｓｏｕｒｃｅｂｙｉｎｔｒｏ－ｄｕｃｉｎｇａｔｉｍｅｒａｔｉｏｏｆｈｅａｔｉｎｇａｎｄｃｏｏｌｉｎｇｄｕｒｉｎｇｔｈｅｗｅｌｄｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓ，ｓｏｔｈａｔｔｈｅ３－Ｄｐｒｏｂｌｅｍｓａｒｅｔｒａｎｓ－ｆｏｒｍｅｄｉｎｔｏ２－Ｄｐｒｏｂｌｅｍｓａｎｄｓａｖｅｔｈｅｒｕｎｎｉｎｇｔｉｍｅａｌｏｔ．Ｔｈｅｎｕｍｅｒｉｃａｌｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｐｒｅｓｅｎｔｍｅｔｈｏｄｉｓｃａｐａｂｌｅｏｆｐｒｅｄｉｃｔｗｅｌｄｉｎｇｒｅｓｉｄｕａｌｓｔｒｅｓｓｉｎｐｒａｃｔｉｃａｌｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇａｎｄａｌａｒｇｅａｍｏｕｎｔｏｆｒｕｎｎｉｎｇｔｉｍｅａｎｄｃｏｍｐｕｔｅｒｒｅｓｏｕｒｃｅｓａｒｅｓａｖｅｄｕｎｄｅｒｔｈｅｃｏｎｄｉｔｉｏｎｏｆｑｕｉｔｅｈｉｇｈａｃｃｕｒａｃｙ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｂｕｔｔ－ｗｅｌｄｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓ；ｒｅｓｉｄｕａｌｓｔｒｅｓｓｅｓ；ｎｕｍｅｒｉｃａｌｍｏｄｅｌ；ｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔａｎａｌｙｓｉｓ１引言焊接过程的技术核心通常是构件局部加热熔化，随后是连续地冷却。
由于焊接等局部加热及材料本身受到的约束作用，材料在温度较高时发生了塑性变形或相变在冷却后被保留了下来，在构件内部形成了一个自相平衡的内应力场，即残余应力场。
残余应力的峰值往往达到或超过基体材料的屈服点应力，当这些焊接构件投入使用时，它们所受载荷引起的工作应力与其内部的焊接残余应力相叠加，将导致焊接构件产生二次变形和焊接残余应力的重新分布，从而降低焊接构件的刚性和尺寸稳定性。
焊接构件在焊接残余应力和工作温度、工作介质共同作用下，还将严重影响结构和焊接接头的疲劳强度、抗脆断能力，抵抗应力腐蚀开裂和高温蠕变开裂的能力。
因此，对焊接残余应力进行预报、测量和分析，掌握其产生和存在的规律性，并采取相应的技术措施改善其分布特性，对于提高焊接结构或接头的承载能力，延长使用寿命具有重要的工程实用价值。
对于焊接残余应力的研究早在上世纪３０年代就已开始。
Ｈ．Ｏ．奥凯尔布朗姆［１］首先用图解的形式收稿日期：２００６－１１－１４作者简介：孙文婷（１９８１－），女，中国船舶科学研究中心硕士研究生。
第１期孙文婷等：对接焊残余应力的有限元分析９５分析了一维条件下焊接过程中的应力应变过程，对了解焊接应力与变形产生的原理和本质具有重要意义，可以说至今它仍然是焊接应力与变形在教育领域的理论基础。
Ｃ．Ａ．库兹米诺夫［２］进一步发展了残余塑变法，提出了以残余塑变来计算焊接变形的方法，并形成一个较完整的系统。
上世纪７０年代初，Ｕｅｄａ等［３，４］以有限元方法为基础，提出了考虑材料机械性能与温度有关的焊接热弹塑性分析理论。
此后，国内外许多学者在焊接残余应力和应变的预测和控制方面开展了许多研究工作，取得许多有实用价值的研究成果［５－１０］。
汪建华等［１１－１５］分别对焊接过程及焊接残余应力数值模拟技术的研究现状与发展动态进行了详细的述评。
目前主要的研究方法有试验测试和数值方法。
试验检测具有真实性，但即使是同一模型的不同次测量结果都会有很大的差异，无法避免人为因素、环境因素等对检测结果的影响，因此得到的测试结果很不稳定。
比较实用的焊接残余应力与变形分析方法包括，在实验和统计基础上建立经验曲线与计算公式、一维解析的残余塑变法、固有应变法和数值模拟方法。
数值方法在避免人为、环境的影响方面具有不可比拟的优越性，但是由于结构焊接过程的复杂性，焊接中各种物理参数及其相互影响对焊接的残余应力分布影响很大，数值模拟涉及很多焊接控制参数，要使数值模型完全符合实际情况就有很大的困难，而且焊接过程一般具有强烈的非线性、不均匀分布和瞬时特征，焊接过程模拟将涉及到瞬时温度场、应力应变场和显微组织状态场的联立求解，数值计算时间冗长，严重阻碍了焊接数值预报技术在实际工程中的应用，因此有必要开展焊接残余应力数值预报方法研究。
本文在满足焊接力学分析精度要求的基础上，忽略焊接过程中应力应变场、瞬时温度场和显微组织的耦合效应，仅仅考虑焊接温度场对残余应力场的影响并计及材料参数随温度的变化，将焊接残余应力分析大幅度简化为焊接瞬时温度场和热弹塑性应力应变场的分析计算；通过引入焊接热循环过程的加热和冷却时间比，提出以线热源代替点热源进行焊接过程的数值模拟，使模拟过程复杂、计算时间冗长的三维问题简化为二维问题，得到了较为满意的结果。
２焊接残余应力预报的基本方法焊接是一个牵涉到电弧物理、传热、冶金和力学的复杂过程，影响焊接残余应力、应变的因素有焊接温度场和金属显微组织，而焊接过程中应力应变场对温度场和显微组织的影响却很小，所以在分析时，一般仅考虑焊接温度场和金属显微组织对焊接应力应变场的影响，而不考虑焊接过程中应力应变场对焊接温度场和金属显微组织的影响。
研究表明：对于低碳钢，相变一般发生在较高的温度，此时材料的屈服强度很低，材料容易变形，对最终的残余应力影响不大，可以忽略不计。
因此，焊接残余应力分析可以简化为热传导（瞬时温度场）和力学平衡状态（非线性应力应变场）两个过程的分析计算。
２．１焊接温度场焊接是一个局部快速加热到高温，并随后快速冷却的过程。
随着热源的移动，整个焊件的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变化，同时还存在熔化和相变时的潜热现象。
因此，焊接温度场分析属于典型的非线性瞬态热传导问题。
对于均匀、各向同性的连续体介质，非线性瞬态热传导问题的控制方程为：ｃ!"Ｔ"ｔ＝""ｘ#"Ｔ"ｘ!"＋""ｙ$%Ｔ"ｙ!"＋""ｚ$"Ｔ"ｚ!"＋"Ｑ"ｔ（１）式中，Ｔ为温度场分布函数；$为导热系数；Ｑ为内热源，表示单位体积逸出或消耗的热能；ｃ为质量比热容，!为密度，ｃ!为体积比热容。
焊接时，由于焊件是局部受热，焊件中存在很大的温度差，因此，不管是焊件内部还是焊件与周围介质之间都会发生热能的流动。
根据传热学的理论，热的传递不外乎是传导、对流和辐射三种基本形式。
研究表明：在熔焊的条件下，焊接过程的传热方式为：由热源传热给焊件的热量，主要是以辐射和对流为主，而母材和焊条（焊丝）获得热能后，热的传播则是以热传导为主。
９６船舶力学第１１卷第１期焊接温度场的求解除必须已知焊接构件的初始温度分布（初始条件），同时还必须已知焊接构件表面与周围介质之间进行换热的规律（边界条件），瞬时温度场的边界条件通常有下列四种：（１）热传导定律（傅立叶定律）ｑｓ＝－!"Ｔ"ｎ（２）（２）对流传热定律ｑｓ＝#Ｔａ－Ｔｂ!"（３）（３）辐射传热定律ｑｓ＝$Ｃ０Ｔ４（４）（４）Ｔｓ＝ｃｏｎｓｔ．（５）式中，ｑｓ为单位面积上的外部输入热源；#为表面换热系数；$Ｃ０为热辐射系数；Ｔａ为周围介质温度；Ｔｂ为已知边界上的温度；ｎ为边界外法线。
２．２热应力应变场由于高度集中的瞬时热输入，在焊接过程中和焊后将产生相当大的焊接应力和变形。
一般情况下，焊接应力和变形的计算是在焊接温度场计算的基础上，采用热弹塑性分析、粘弹塑性分析等方法跟踪焊接热循环过程中构件的热应力和应变来实现的，有时甚至需要考虑焊接区组织转变对热应力应变场的影响。
根据应变叠加原理，变形体内任意一点的应变增量可以表示为，ｄ$ｉｊ＝ｄ$ｅｉｊ＋ｄ$ｐｉｊ＋$ｔｈｉｊ（７）其中，弹性应变增量可以根据Ｈｏｏｋ定律确定，ｄ$ｅｉｊ＝１＋%Ｅｄ&ｉｊ－%１＋%ｄ&ｋｋ’ｉｊ－"Ｅ"ＴｄＴＥ&ｉｊ－%１＋%&ｋｋ’ｉｊ!"#$（８）变温引起的热应变率可以表示为，ｄ$ｔｈｉｊ＝(＋"("Ｔ!"ＴｄＴ’ｉｊ（９）塑性应变增量可以根据Ｐｒａｎｄｔ１－Ｒｅｕｓｓ相关塑性流动理论，ｄ$ｐｉｊ＝ｄ!"ｆ"&ｉｊｄｐ＝－ｄ!"ｆ"Ｒ（１０）ｄ)＝－ｄ!"ｆ"Ｘ和相容方程ｄｆ＝０，可得塑性应变增量的表达式，ｄ$ｐｉｊ＝１ｈ"ｇ"&ｉｊ"ｇ"&ｉｊｄ&ｉｊ－ｄＴｈ"&ｙ"Ｔ＋"Ｈ"Ｔ!""ｇ"&ｉｊ（１１）式中，ｆ＝ｆ&ｉｊ，Ｒ，Ｘ，!"Ｔ＝ｇ&ｉｊ!"－&ｙ!"Ｔ－Ｈｐ，!"Ｔ为塑性势函数。
ｄ!＝１ｈ"ｇ"&ｉｊｄ&ｉｊ－"&ｙ"Ｔ＋"Ｈ"Ｔ!"ｄ%&Ｔ为比例因子。
将（８）、（１１）式代入（７）式并整理得变形体的物理方程，ｄ$ｉｊ＝１＋%Ｅ１＋Ｅｈ１＋!"%"ｇ"&ｉｊ"ｇ"&ｉｊ!"ｄ&ｉｊ－%１＋%ｄ&ｋｋ’ｉｊ%&＋(＋"("Ｔ!"Ｔ’ｉｊ－１ｈ"&ｙ"Ｔ＋"Ｈ"Ｔ!""ｇ"&ｉｊ－１＋%Ｅ２"Ｅ"Ｔ&ｉｊ－%１＋%&ｋｋ’ｉｊ!"%&ｄＴ（１２）在给定边界条件（位移边界条件、应力边界条件和混合边界条件）下，根据变形体平衡微分方程（纳维叶方程）&ｉｊ，ｉ＋ｂｉ＝０、几何方程$ｉｊ＝１２ｕｉ，ｊ＋ｕｊ，ｉ!"和上述的物理方程，进行联立求解可以得到瞬时热应力场。