q235厚板焊接残余应力数值模拟本科毕设论文

毕业设计（论文）题目Q235厚板焊接残余应力数值模拟学生姓名刘武超学号2008106107专业材料成型及控制工程班级20081061 指导教师评阅教师完成日期2012 年 5 月15 日学位论文原创性声明本人郑重声明：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。

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（请在以上相应方框内打“√”）作者签名：年月日导师签名：年月日目录摘要 (4)前言 (5)1绪论 (6)1.1课题来源和意义 (6)1.2国内外研究现状 (7)1.3研究的主要内容 (5)2模拟分析过程 (7)2.1有限元分析软件ANSYS简介 (7)2.2有限元模型的建立 (7)2.3加载计算 (11)3模拟结果及分析 (15)3.1温度场模拟 (15)3.2应力场的模拟 (17)4全文总结与展望 (22)4.1全文总结 (22)4.2未来的展望 (22)致谢 (24)参考文献 (25)附录 (27)Q235厚板焊接残余应力数值模拟学生：刘武超指导教师：余海洲（三峡大学机械与材料学院）摘要：本文首先综述了目前国内外对焊接残余应力研究进展，在此基础上提出了本文的研究目的和意义。

运用有限元软件ANSYS的APDL语言编写模拟焊接瞬态过程程序进行热-结构耦合分析，对Q235钢、钢两种材料之间的对接接头的温度场和应力场进行数值模拟分析，得到温度和残余应力在接头的连续分布规律：在接近焊缝较窄的一个区域内产生拉应力，在其相邻区域产生压应力。

关键词：有限元数值模拟残余应力温度场Abstract:In this article, the development and present research situation of the welding residual stress have been critically overviewed ,base on this ,we bring up the purpose and sense of this article.Carry on the hot-structure coupling analysis using the ANSYS APDL language simulation welding transient state process procedure,which to simulate analysis on the temperature and stress field of the lap joints of Q235 steel, steel between the two materials. then get the distribution of the temperature field and residual stress: There is a tension stress near the weld bead ,there is a compress stress in other areas.Keyword: Finite element; Numerical Simulation;Residual stress; Temperature field.前言焊接是一个涉及传热学、电磁学、材料冶金学、固体和流体力学等多学科交叉的复杂过程。

由焊接产生的动态应力应变过程及其随后形成的残余应力，是导致焊接裂纹和接头强度与性能下降的重要因素。

迄今为止，焊接残余应力一直是人们关注的热点问题，仍是焊接生产领域中迫切需要解决的问题。

近年来，国内外学者对此进行了大量的研究，取得了丰硕的成果。

中厚钢板是焊接结构生产中不可缺少的重要材料，被广泛应用于国防、交通运输、能源、和建筑等重要国民经济部门。

钢结构体系具有自重轻、抗震性能优、施工周期短、安装速度快、投资回报快、绿色无污染等优点，从一定程度上反映了国家的综合经济实力和建筑技术的发展水平，得到了世界各国的广泛的应用和大力推广，钢结构体系的应用在欧美已经有几十年的发展历史，其施工快、回收利用便利等诸多优点是其他结构形成所无可比拟的，并逐渐成为顺应时代发展趋势的高效结构体系。

本文通过用有限元方法模拟研究平板对接焊接焊缝温度场分布、残余应力分布、温度场与残余应力的关系，不仅可以从中得到焊接残余应力的影响因素，了解焊接残余应力在连续分布规律，全面掌握结构的特性，而且可以通过优化焊接方法、顺序和工艺，控制（减小）焊接应力和变形，另外还可以节约大量的实验费用，有效地缩短研制和开发周期，因此是一种高效低成本的优化工艺的方法和预测与控制技术。

本文是本人的毕业设计论文，经过作者阅读了大量的文献后独立完成的，其中部分观点是引用三峡大学游敏教授等人的，由于本人的水平实在有限，还存在许多不足之处，希望各位批评指正。

1绪论1.1课题来源和意义近年来，随着我国钢产量的逐渐攀升，为适应经济发展的需要，国家对于钢结构的应用也从限制使用改为鼓励采用，为钢结构的广泛应用与推广营造了良好的氛围，特别是今年来我国可持续发展观的提出，钢结构体系在我国的建筑产业中呈现出广阔的应用前景。

钢结构的设计与施工技术也得到了飞速的发展并取得了良好的经济效益，近年来我国在沿海深厚软土地区和8度地震区及以上高烈度区采用高层钢结构形式获得了可观的经济效益和社会效益。

钢结构体系在建筑结构行业中的日益普及应用迅速带动了机械制造、金属制作加工等行业的发展，焊接技术作为为钢结构三大连接（焊接、栓接、铆接）中最主要的连接手段，因其不削弱构件截面的特点，成为了钢构件、金属加工中理想的连接方式。

并且焊接技术工艺的飞速更新发展使这一连接技术成为未来的发展趋势，但却致使钢结构焊缝中的焊接残余应力成为影响构件变形、稳定性和脆性断裂不可忽略的因素。

而构件中的纵向残余应力和作为弹塑性材料的钢材本身的性能是分析钢结构弹塑性问题的两个重要的考虑因素。

在钢结构构件的连接加工过程中，焊接是一种易产生残余应力的加工工艺，其表现最为明显，一般在焊接后的冷却过程中就伴随着明显的收缩变形和残余应力，其产生情况会因焊接件的形状、尺寸和所选用的焊接方法等的不同而异。

近年来对于钢结构脆性断裂的事故分析表明，焊接区的钢材，尤其是处于三向受拉状态的焊接热影响区得钢材，韧性大幅降低。

当板件较厚时因坡口焊缝收缩受到很大约束而出现三轴残余拉应力引起的脆性断裂，正是出于钢构件在焊接加工过程中，产生了接近屈服极限的残余应力。

构件中的残余应力大多数表现出很大的危险作用，如使构件的强度降低、降低构件疲劳极限、造成应力腐蚀和脆性断裂，由于残余应力的松弛，使构件产生变形，影响构件的尺寸精度，以往的研究表明影响钢结构脆性断裂的因素是多方面的，与焊缝自身的缺陷、焊缝周围热影响区得分布对钢材材质的脆性影响以及应力集中和残余应力的分布及大小有密切的关系，而根据线弹性断裂力学理论，残余应力对于裂纹的扩展有着重要的影响，因此正确的评估和降低焊接所造成的构件残余应力对钢结构构件及体系工作性能的影响，就显得十分必要[1-6]。

焊接残余应力是影响焊接结构后焊接部件的脆性断裂强度、疲劳强度、压曲稳定性、振动特性和耐腐蚀性能的重要因素；同时，残余应力的存在，还严重的影响了结构的机加工精度和尺寸稳定性。

因此对焊接残余应力的形成机理、分布规律及其测试技术的研究是和焊接结构领域的重要方面，也一直吸引着世界范围内焊接专家、学者的注意力。

通过多年的研究，到20世纪70年代初期，大致奠定了焊接残余应力和变形理论的基础。

传统的观点认为，焊接加热过程中焊缝和近缝区内因其膨胀受制而产生的塑性压缩应变是导致焊接残余应力产生的主要原因。

我校游敏教授通过多年的研究分析，认为除了母材中的塑性压缩变形引起焊接残余应力之外，焊缝金属冷却时的收缩受到制约也是导致焊接残余应力产生的重要原因，并据此原理开发了调控焊接接头横向残余应力的新技术[7]。

1.2国内外研究现状我国在残余应力领域的研究起步较晚，上世纪八十年代的残余应力早期研究学者张锭全作了残余应力、表面强化和金属疲劳方面的研究，其研究课题“缺口残余应力集中及其对疲劳性能的影响”表明疲劳性能不仅与残余应力的分布和大小、材料的弹性性能、外来作用应力的状态有关，还与残余应力的发生过程有关，而在研究这些影响的过程中给予定量的估计其影响是及其困难的。

近年来国内学者于各自不同的专业领域（包括建筑结构、金属制作加工等）对钢构件中的焊接残余应力的分卸特点、规律以及其对构件屈曲、稳定的影响和焊接接头的疲劳性能等方面作了广泛的研究。

文献[8][9][10]对钢结构焊件中残余应力的分布形成、分布等进行了探讨和研究，得到了焊件表面和中部不同的残力分布和拟合曲线，并分析了不同分布形式对构件承载力的影响。

天津大学做了提高焊接接头疲劳性能的技术研究，提出焊接结构的疲劳问题以及研究的意义，进行了系统的疲劳失效原因分析，论述了应力集中及残余应力对疲劳强度的影响。

天津大学材料学院设计和优化研制了低相变点焊条，并在各种焊接接头上进行了大量的疲劳试验和工艺性能试验。

结果表明，相变点焊条LTTE接头的疲劳强度分别比普通焊条E5015接疲劳强度提高11%、23%、42%、46%和59%疲劳寿命提高幅度从几倍到上百倍。

湖北工学院和铁道部大桥局桥科院通过疲劳实验对焊接残余应力对对接板的疲劳影响进行了研究得出了整板断裂周次的积分形式表达式，通过比较疲劳实验数据和计算结果，证明了理论和寿命预测方面的合理性。

文献[11]对钢结构脆性断裂的起因进行了较为详尽的论述，认为除焊缝自身的一些缺陷（如裂纹、欠焊、夹渣和气孔）和钢材质量因素外，焊接结构的连接形式（如当三条垂直施焊时阻止了材料的塑性变形）、内部存在的残余应力和其他因素结合是导致开裂的诱因。

材质的不合格、低温的冲击韧性差和低温焊接产生的较大残余应力是入们几十年来对于钢结构脆性断裂事故原因所形成的规律性认识，另外，结构形式的日益复杂、工作环境的恶劣(海洋等)以及为降低造价的目的所采用的精确计算方法,都比过去大大降低了钢结构体系的安全储备，从而增加了断裂事故发生的几率[12][13][14]。