高强度钢结构焊接残余应力的数值计算
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的课题
坡 口的多 道 焊 接 接 头 的残 余 应 力 分 布形 态 ．对 于 极
厚板 多道 焊 焊 接 接 头 ．其最 大 残 余 应 力 出 现在 最 后
一
目前 ．比较 实 用 的 焊 接 残 余 应 力 分 析 方 法包 括
解 析 方 法 、残 余 塑 变法 和 固有 应 变 法 、热 弹 塑性 有
徐 济进 等人 采用 三维 固有应 变 有 限元方 法分 析 大型
焊接 是 将金 属 材料 零 件 连接 成 构件 的重要 方 法 大 多 数 焊接 过程 的技 术 核 心 是 将被 连 接 件 的表 面局 部 加热 熔化 ，随后 是 连续 地 冷却 ，而且 升 温速 度 高 、
冷 却 速 度快 ．形 成 与 普 通 热 处 理 过程 大不 相 同 的特 殊 热循 环 由 于高 度 集 中的 瞬 时热 输 入 ．在 焊 接 过 程 中 ．结 构 件母 材 被 加 热 到 高 温 ，材 料 在 温 度 较 高
时 发 生 了塑 性 变 形 或 相 变 ．将 不 可避 免 地 产 生 焊 接 残余 应 力 和焊 接 变 形 。焊 接应 力 和焊 接 变 形 不 但 可
筒 体 结 构 环 缝 对 接焊 的焊 接 变 形情 况 ．求 得 各 条 焊
道 的纵 向残余 塑变 和 横 向残余 塑变 数 值 。钱 秀 清 等
对接 焊 的残余 应力 进行 了分 析 和研究 。Ａ ｆ ｚ ａ ａ ｌ 等人［ １ ０ ］
用 有 限元 和 试 验 方 法 研 究 了 圆柱 壳 的 残 余 应 力 陈 虎等 人 …］ 对 典 型 封 闭 环 焊缝 多道 焊 焊 接 残余 应 力 进
行模 拟分 析
收 稿 日期 ：２ ０ １ ３ — ０ ８ — １ ５
人Ｅ ５ ］ 基于 固有 应变概 念 ．采用 边界 元方 法 ．提 出一 种
反 方 法 构造 连续 的满 足 域 内 自平 衡 条 件 的平 面 残 余
应 力场 孙 文婷 ＿ ６ ］ 针 对 三维点 热源 数值 模 拟 占用硬 盘
空 间 大 、运 行 时 间长 的缺 点 ，提 出 了 以线 热 源 代 替
高 强 度 钢 结 构 焊 接 残 余 应 力 的 数 值 计 算
李 良碧 ．万 雁 翔
（ 江 苏科 技 大 学 船 舶 与 海 洋 工 程学 院 ，江 苏 镇 江 ２ １ ２ ０ ０ ３ ）
摘 要 ：在 高 强 度 钢 结 构 的 焊接 过 程 中 ， 焊缝 附近 的 温度 已 经超 过 了淬 火 和 回 火 的 临界 温 度 ．微 小 的 焊接 工 艺 参数 偏 差 就 可 能 在 焊 接 热 影 响 区 内引 起 材 料 性 能 的剧 烈 改 变 ，在 焊缝 附近 区域 产 生三 维反 力 ，使 高 强 度 钢 材 料 对 焊 接 残 余 应 力 具 有 更 高 的敏 感 性 ，显 著 地 影 响
Ｗｅ ｌ ｄ ｉ ｎ ｇ Ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ Ｖ ｏ １ ． ４ ３ Ｎ ｏ ． １ Ｊ ａ ｎ ． ２ ０ １ ４
文章编号 ： １ ０ ０ ２ — ０ ２ ５ Ｘ （ ２ ０ １ ４ ） ０ １ — ０ ０ ０ ５ — ０ ６
． 试验与研究 ． ５
间 的耦 合 效 应 ．仅仅 考 虑 焊 接 温度 场对 残 余 应 力 场
６ ・ 试验与研究 ・
限元 方 法 ， 以及 考 虑 瞬 时 高温 蠕 变 、热 相 变 与耦 合
层 焊道 表 面之下 。Ｓ ｈ ｉ ｍ￣ ８ １ 开发 了厚 板 多道 焊焊 接 过
程 的残余 应 力沿 厚度 分 布模 型 。Ｐ ｅ ａ ｒ ｅ ｅ 等人｜ ９ Ｉ 对 厚 板
效 应 的粘 弹 塑 性 数值 模 拟方 法 。Ｍｏ ｃ ｈ ｉ ｚ ｕ ｋ ｉ 等 人 …对 多道焊 的 焊接接 头进 行 了理 论分 析 万正 权等 人 ［ ｚ ］ 根 据 焊 接 热 循 环 过程 的特 点 ．以及 平 板 和 圆柱 壳 对 接
了高 强度 钢 焊接 结 构 的安 全 可 靠性 。本 文根 据 焊 接 热 力 循 环 过 程 的特 点 ，进 行 高 强 度 钢 焊 接 残 余 应 力数 值 仿 真 ，计 算 结 果 与 试 验 结 果
比较 吻合 。在 此 基 础 上 进 行 焊 接 工 艺参 数 、结 构 参 数 及 边 界 条 件 对 焊接 残余 应 力 的 影 响 ．计 算 结 果 为 高 强度 钢 焊接 残余 应 力 的 计 算 提 供 了 参 考 关 键 词 ： 高 强度 钢 ： 焊 接 残余 应 力 ： 计 算方 法
本 文 根 据 高 强度 钢 焊 接 热力 过 程 的特 点 ．忽 略
焊 接 过 程 中应 力应 变 场 、瞬 时 温度金资助项 目 （ ５ １ １ ０ ９ １ ０ ０ ） ；江苏 省 自 然科学基 金资助 项 目 （ Ｂ Ｋ ２ ０ １ １ ５ ０ ８ ） ；江苏 高校 优势 学科建设 工程资助项 目
能 引起 热 裂 纹 、冷 裂 纹 等 工 艺缺 陷 ，而 且 在 一 定 的
条 件 下 将 影 响焊 接 结 构 安全 可 靠 性 和 产 品 精 度 的 重
点热 源进 行焊 接数 值模 拟方 法 。
Ｕ ｅ ｄ ａ等人 应 用有 限元 法 成 功 模 拟 了大 厚度 深
要 因素 ．这 是 至 今 仍 然 是 工业 生 产 中迫 切 需 要 解 决
中 图分 类 号 ：Ｔ Ｇ１ ｌ １ ． ３ 文 献 标 志 码 ：Ｂ
焊 残 余 应 力 分 布 规律 ．提 出 了平板 和 圆柱 壳 对 接 焊
０ 引 言
残 余应 力 的简化 计算 方法 。汪 建华 ＿ ３ ］ 将 焊 接过 程 中产 生 的塑 性 应 变 、热应 变 和 相 应 变看 作 固有 应 变 ，残 余 应 力是 在 固有应 变 源作 用 下构 件 自动 平 衡 的结果 。
坡 口的多 道 焊 接 接 头 的残 余 应 力 分 布形 态 ．对 于 极
厚板 多道 焊 焊 接 接 头 ．其最 大 残 余 应 力 出 现在 最 后
一
目前 ．比较 实 用 的 焊 接 残 余 应 力 分 析 方 法包 括
解 析 方 法 、残 余 塑 变法 和 固有 应 变 法 、热 弹 塑性 有
徐 济进 等人 采用 三维 固有应 变 有 限元方 法分 析 大型
焊接 是 将金 属 材料 零 件 连接 成 构件 的重要 方 法 大 多 数 焊接 过程 的技 术 核 心 是 将被 连 接 件 的表 面局 部 加热 熔化 ，随后 是 连续 地 冷却 ，而且 升 温速 度 高 、
冷 却 速 度快 ．形 成 与 普 通 热 处 理 过程 大不 相 同 的特 殊 热循 环 由 于高 度 集 中的 瞬 时热 输 入 ．在 焊 接 过 程 中 ．结 构 件母 材 被 加 热 到 高 温 ，材 料 在 温 度 较 高
时 发 生 了塑 性 变 形 或 相 变 ．将 不 可避 免 地 产 生 焊 接 残余 应 力 和焊 接 变 形 。焊 接应 力 和焊 接 变 形 不 但 可
筒 体 结 构 环 缝 对 接焊 的焊 接 变 形情 况 ．求 得 各 条 焊
道 的纵 向残余 塑变 和 横 向残余 塑变 数 值 。钱 秀 清 等
对接 焊 的残余 应力 进行 了分 析 和研究 。Ａ ｆ ｚ ａ ａ ｌ 等人［ １ ０ ］
用 有 限元 和 试 验 方 法 研 究 了 圆柱 壳 的 残 余 应 力 陈 虎等 人 …］ 对 典 型 封 闭 环 焊缝 多道 焊 焊 接 残余 应 力 进
行模 拟分 析
收 稿 日期 ：２ ０ １ ３ — ０ ８ — １ ５
人Ｅ ５ ］ 基于 固有 应变概 念 ．采用 边界 元方 法 ．提 出一 种
反 方 法 构造 连续 的满 足 域 内 自平 衡 条 件 的平 面 残 余
应 力场 孙 文婷 ＿ ６ ］ 针 对 三维点 热源 数值 模 拟 占用硬 盘
空 间 大 、运 行 时 间长 的缺 点 ，提 出 了 以线 热 源 代 替
高 强 度 钢 结 构 焊 接 残 余 应 力 的 数 值 计 算
李 良碧 ．万 雁 翔
（ 江 苏科 技 大 学 船 舶 与 海 洋 工 程学 院 ，江 苏 镇 江 ２ １ ２ ０ ０ ３ ）
摘 要 ：在 高 强 度 钢 结 构 的 焊接 过 程 中 ， 焊缝 附近 的 温度 已 经超 过 了淬 火 和 回 火 的 临界 温 度 ．微 小 的 焊接 工 艺 参数 偏 差 就 可 能 在 焊 接 热 影 响 区 内引 起 材 料 性 能 的剧 烈 改 变 ，在 焊缝 附近 区域 产 生三 维反 力 ，使 高 强 度 钢 材 料 对 焊 接 残 余 应 力 具 有 更 高 的敏 感 性 ，显 著 地 影 响
Ｗｅ ｌ ｄ ｉ ｎ ｇ Ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ Ｖ ｏ １ ． ４ ３ Ｎ ｏ ． １ Ｊ ａ ｎ ． ２ ０ １ ４
文章编号 ： １ ０ ０ ２ — ０ ２ ５ Ｘ （ ２ ０ １ ４ ） ０ １ — ０ ０ ０ ５ — ０ ６
． 试验与研究 ． ５
间 的耦 合 效 应 ．仅仅 考 虑 焊 接 温度 场对 残 余 应 力 场
６ ・ 试验与研究 ・
限元 方 法 ， 以及 考 虑 瞬 时 高温 蠕 变 、热 相 变 与耦 合
层 焊道 表 面之下 。Ｓ ｈ ｉ ｍ￣ ８ １ 开发 了厚 板 多道 焊焊 接 过
程 的残余 应 力沿 厚度 分 布模 型 。Ｐ ｅ ａ ｒ ｅ ｅ 等人｜ ９ Ｉ 对 厚 板
效 应 的粘 弹 塑 性 数值 模 拟方 法 。Ｍｏ ｃ ｈ ｉ ｚ ｕ ｋ ｉ 等 人 …对 多道焊 的 焊接接 头进 行 了理 论分 析 万正 权等 人 ［ ｚ ］ 根 据 焊 接 热 循 环 过程 的特 点 ．以及 平 板 和 圆柱 壳 对 接
了高 强度 钢 焊接 结 构 的安 全 可 靠性 。本 文根 据 焊 接 热 力 循 环 过 程 的特 点 ，进 行 高 强 度 钢 焊 接 残 余 应 力数 值 仿 真 ，计 算 结 果 与 试 验 结 果
比较 吻合 。在 此 基 础 上 进 行 焊 接 工 艺参 数 、结 构 参 数 及 边 界 条 件 对 焊接 残余 应 力 的 影 响 ．计 算 结 果 为 高 强度 钢 焊接 残余 应 力 的 计 算 提 供 了 参 考 关 键 词 ： 高 强度 钢 ： 焊 接 残余 应 力 ： 计 算方 法
本 文 根 据 高 强度 钢 焊 接 热力 过 程 的特 点 ．忽 略
焊 接 过 程 中应 力应 变 场 、瞬 时 温度金资助项 目 （ ５ １ １ ０ ９ １ ０ ０ ） ；江苏 省 自 然科学基 金资助 项 目 （ Ｂ Ｋ ２ ０ １ １ ５ ０ ８ ） ；江苏 高校 优势 学科建设 工程资助项 目
能 引起 热 裂 纹 、冷 裂 纹 等 工 艺缺 陷 ，而 且 在 一 定 的
条 件 下 将 影 响焊 接 结 构 安全 可 靠 性 和 产 品 精 度 的 重
点热 源进 行焊 接数 值模 拟方 法 。
Ｕ ｅ ｄ ａ等人 应 用有 限元 法 成 功 模 拟 了大 厚度 深
要 因素 ．这 是 至 今 仍 然 是 工业 生 产 中迫 切 需 要 解 决
中 图分 类 号 ：Ｔ Ｇ１ ｌ １ ． ３ 文 献 标 志 码 ：Ｂ
焊 残 余 应 力 分 布 规律 ．提 出 了平板 和 圆柱 壳 对 接 焊
０ 引 言
残 余应 力 的简化 计算 方法 。汪 建华 ＿ ３ ］ 将 焊 接过 程 中产 生 的塑 性 应 变 、热应 变 和 相 应 变看 作 固有 应 变 ，残 余 应 力是 在 固有应 变 源作 用 下构 件 自动 平 衡 的结果 。