焊接结构残余应力与数值模拟

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8百度文库年 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。
焊接结构残余应力及其数值模拟
李慧
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。
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。
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。
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。
d.物性数据
e.焊接过程中的温度分布图
f.焊接温度分布曲线
g.焊接过程中的热应力分布
h.焊缝的残余应力
i.残余应力的分布曲线及讨论
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。
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。
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。
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。
计算机的性能已经大大提高和普及。
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
1978 Rybicki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
1997 LELindgren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Wasplay Ni基合金电子束平板对接接头残余应力
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。
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
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。
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 载过程中所采取的高斯分布热源的简化;在计算过程中作了多次的迭 代，多次累积本身就会产生一定的误差。所以，数值模拟与试验测 量都只是我们所采用的一种方法进行预测与分析，并不能完全反映 实际结果，只能成为我们分析解决问题的一种手段。
焊接数值模拟软件
SYSWELD ANSYS、MSC-NASTRAN、 ABAQUS、MARC DYNA WSDP
3 对接薄板的残余应力数值模拟
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
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。
1973 Vaidyanathan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 。
知识回顾 Knowledge Review
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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
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