焊接接头残余应力的计算机模拟

机械 ２００４年第３１卷第１０期

收稿日期

０５

朱援祥

1,2

ºþ±±

武汉 430072ºþ±± 武汉 430074)

摘要

采用有限元分析软件ANSYS

Ä£Äâ½á¹ûºÍ

ʵÑé½á¹û±È½ÏÎǺÏ

关键词

有限元

TG407 文献标识码

０３１６（２００４）１０

０４　

Computer simulation of residual stress in welding joint

WANG Qin 1

WANG Li-li 1

(1.School of Dynamic and Mechanical Engineer, Wuhan University, Wuhan 430072, China;

2.School of Material Science and Engineering, HUST, Wuhan 430074, China)

Abstract: In this article, using the finite element method (FEM), with the FEA software-ANSYS, the magnitude and distribution of residual stress in welding joint is simulated, which results are agreement with the experimental results. The method has important useful values. Key words: residual stress

computer simulation

随着我国压力容器桥梁等工业的迅速

发展

由焊接而产生的残余应力和残余变形是导致焊接裂

纹和接头强度下降的重要因素保证结构的安全使用

传统的残余应力研

究方法多是破坏性的研究方法

大量的实验也会增加生产成本

利用计算机模拟技术来模拟焊接接

头残余应力的分布情况

本文以某水电站引水压力钢管所用钢种为实验

材料

应用大型有限元分析软件

ANSYS [2]

对其焊接过程中产生的残余应力进行了计

算机模拟

证明该

方法具有重要的理论和实际应用价值

这是一种含C

是一种具

有较好焊接性的钢种

６５０ｍｍ

试板两端采用拘束机架固定焊接试板

试验用焊条为MK .J607RH º¸½Ó¹¤ÒÕ²ÎÊýÈç±í1所示

载荷实际上是因为温

度变化而引起的

不考虑应力场对温度场的耦合作用

[3]

È»ºó½«Ë²Ì¬ÈÈ·ÖÎöµÃµ½µÄÔØ

ºÉ²½µÄζÈ×÷ΪÌåÔغÉÊ©¼Óµ½½á¹¹Ó¦Á¦·ÖÎöÖÐÈ¥

ͨ

机械 ２００４年第３１卷第１０期过其APDL 语言编程实现

图1 焊接试样示意图

表

1 焊接工艺参数表

坡口间隙　

３　

预热温度　１０５　

焊接电流 (A) 100

V26

焊接速度　１００

KJ/cm18.2

层间温度　１００

由于焊接试样的对称性

取试样截面的一半进行计算

考虑到焊接热源附近温度梯度大

温度和应力应变的分布极不

均匀采用

垂直于焊缝方向的横截面模型

远离热源的地方采用较粗大

的网格

图3 有限元网格划分示意图

2.2热物理参数的输入

金属材料的热物性导热系

数λ等

其热物理性质随温度变化很大

那么计算结果

将与事实情况产生一定的偏差

然后将随温度变化

的热物性参数输入到计算程序中

表2 实验材料的热物理性能

2.3热源模型

在本文的研究中

为了模拟电弧移动的实际过程

以便于准确地计算焊接温度场

斜坡热源模型如图4所示

焊接热输入以增量的方式逐

渐加到焊缝单元上当电弧移动到

横截面上时候

加热时间为t2ºá½Ø

ÃæÉϺ¸·ìµÄÈÈÊäÈëÖ𽥵ݼõΪ0一

般认为t1和t3相等

应用该方法能够很

好地模拟电弧的移动

是准确计算焊接应力场的前提

其中包括对流和辐射换热在

焊接时热能的损失主要通过辐射

　２０　１００　２００ ３００　４００　５００　

比热c(kJ/kg

K)

线膨胀系数α(

60

½á¹¹

µ¥Ôª×ª»»

后处理

较小

[1]

ΪÁ˼Æ

Ëã·½±ã

2.4温度场的计算

本文实验焊缝为多道焊为了

更好地模拟实际焊接过程

生死

开始的时候杀

死

在第一层开始焊接的时候

生

其余焊缝处于

的状态

第二层开始焊接时候复活

到第3层及以后各层焊

缝单元焊接时

复活

焊接热源随着焊缝单元的逐渐加到焊缝单元上去

在焊接的

不同时刻

计算过程中

对每个载荷步

焊接开始和开始冷却时的时间步长要取得较小

将各节点的温度保存

在结果文件中

2.5焊接应力场的计算

利用ANSYS 的热-结构单元转换

输入力学参数

弹性模量E

线膨胀系数

α

本文结构

拘束边界条件的设定是将有限元模型左端所有节点自由度约束为0

½«ÎÂ

¶È³¡¼ÆËãÖеõ½µÄζÈÔöÁ¿ÔغÉ

¼ÆË㺸½Ó¹ý³ÌÖеĶ¯Ì¬Ó¦Á¦Ó¦±äºÍ×îÖÕ

µÄ²ÐÓàÓ¦Á¦ÏÔʾ¸÷½Úµã

Ó¦Á¦

ͬʱ²ÉÓÃä¿×·¨²â¶¨º¸½Ó²ÐÓàÓ¦Á¦

88

型超级静态电阻应变仪１．５

钻孔直径为

1.5mm

ͼ5和图6是上表面焊接接头残余应力

的计算机模拟值和实验测得数据的对比图

焊接接头残余应力的

大小和分布的计算机模拟值和实验数据比较吻合

在焊缝及热影响区附近

有较大的残余拉伸应力

逐渐变

为压应力

图5 横向残余应力分布示意图

焊接接头裂纹大多由横向残余应力y σ

引起

由图5可以

看出

最大拉

伸应力达387MPa ´æÔÚ×ÅÔÓÖʺÍÒ»

Щ΢¹ÛȱÏÝ

ÕâЩDZ

ÔÚµÄÁÑÎÆÔ´ÈÝÒ×À©Õ¹¶øÐγÉÁÑÎÆ

ͨ¹ý¿ØÖƺ¸½ÓÏßÄÜÁ¿

¿ÉÒÔ¼õÉÙº¸½ÓÓ¦Á¦

图6 纵向残余应力分布示意图

从图6可以看出

但比横向残余应力低远离焊缝区

4 结论

本文采用有限元方法

模拟结果和实

验结果比较一致在实际生产中而且能够

节省生产成本

400300200 1000

应力ó/M P a

100150050

离焊缝中心距离 l/mm

400300

200

150

50下转第37页