【正文】 能試驗(yàn)。結(jié)果表明，相變點(diǎn)焊條 LTTE 接頭的疲勞強(qiáng)度分別比普通焊條 E5015 接疲勞強(qiáng)度提高11%、 23%、 42%、46%和 59%疲勞壽命提高幅度從幾倍到上百倍。湖北工學(xué)院和鐵道部大橋局橋科院通過(guò)疲勞實(shí)驗(yàn)對(duì)焊接殘余應(yīng)力對(duì)對(duì)接板的疲勞影響進(jìn)行了研究得出了整板斷裂周次的積分形式表達(dá)式，通過(guò)比較疲勞實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和計(jì)算結(jié)果，證明了理論和壽命預(yù)測(cè)方面的合理性。文獻(xiàn) [11]對(duì)鋼結(jié)構(gòu)脆性斷裂的起因進(jìn)行了較為詳盡的論述，認(rèn)為除焊縫自身的一些缺陷（如裂紋、欠焊、夾渣和氣孔）和鋼材質(zhì)量因素外，焊接結(jié)構(gòu)的連接形式（如當(dāng)三條垂直施焊時(shí)阻止了材料的塑性變形） 、內(nèi)部存在的殘余應(yīng)力和其他因素結(jié)合是導(dǎo)致開(kāi)裂的誘因。材質(zhì)的不合格、低溫的沖擊韌性差和低溫焊接產(chǎn)生的較大殘余應(yīng)力是入們幾十年來(lái)對(duì)于鋼結(jié)構(gòu)脆性斷裂事故原因所形成的規(guī)律性認(rèn)識(shí)，另外，結(jié)構(gòu)形式的日益復(fù)雜、工作環(huán)境的惡劣(海洋等)以及為降低造價(jià)的目的所采用的精確計(jì)算方法,都比過(guò)去大大降低了鋼結(jié)構(gòu)體系的安全儲(chǔ)備，從而增加了斷裂事故發(fā)生的幾率 [12][13][14]。有關(guān)焊接殘余應(yīng)力的研究在上世紀(jì)三十年代就已在世界各國(guó)各個(gè)領(lǐng)域進(jìn)行了基礎(chǔ)性的廣泛研究。最早起源于學(xué)者對(duì)于焊接過(guò)程中瞬時(shí)熱應(yīng)力的研究，由于受計(jì)算技術(shù)的限制且瞬時(shí)應(yīng)力計(jì)算較為復(fù)雜，當(dāng)時(shí)對(duì)瞬時(shí)應(yīng)力和舍屬運(yùn)動(dòng)的認(rèn)識(shí)不多，僅限于對(duì)點(diǎn)焊和板條內(nèi)溫度和應(yīng)力變化的初始研究，無(wú)法表示實(shí)際的焊縫情況。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展和日益普及，1961 年，Tall [15]首次編制了一套計(jì)算板條中線進(jìn)行堆焊時(shí)的應(yīng)力簡(jiǎn)單程序用于分析焊接時(shí)的熱應(yīng)力，即后來(lái)所說(shuō)的一維分析。1968 年，巴特爾研究所以 Tall 的分析為基礎(chǔ)，編制了焊接過(guò)程中一維分析的 Fortan 程序。1970 年，國(guó)際焊接學(xué)會(huì)專門設(shè)立了“焊接應(yīng)力、應(yīng)變和其他影響的數(shù)值分析”工作組，負(fù)責(zé)專門收集編制關(guān)于世界各國(guó)各研究所進(jìn)行的研究工作報(bào)告，并于 1978 年年會(huì)中舉行的“數(shù)值技術(shù)在焊接中的應(yīng)用”專題會(huì)上，發(fā)表了有關(guān)焊接熱應(yīng)力分析的文章。1975年 Murakj[16]將板堆焊時(shí)的熱應(yīng)力分析二維有限元程序做了重大改進(jìn)，使之可用于分析對(duì)接焊和板上堆焊過(guò)程中的熱應(yīng)力。時(shí)至今日，鑒于開(kāi)發(fā)能準(zhǔn)確分析焊接熱效應(yīng)的三維程序的復(fù)雜性和計(jì)算運(yùn)行的高額費(fèi)用等原因，為處理園筒形殼體和大型焊件問(wèn)題將二維分析擴(kuò)大應(yīng)用于三維狀態(tài)的研究工作一直在艱苦的進(jìn)行。同時(shí)，在此期間，人們關(guān)于焊接熱應(yīng)力和舍屬運(yùn)動(dòng)的實(shí)驗(yàn)研究一直沒(méi)有間斷過(guò)。其中最具代表性的是麻省理工學(xué)院對(duì)各種材料和厚度的焊件所做的一系列實(shí)驗(yàn)研究，通過(guò)與理論預(yù)測(cè)分析結(jié)果的對(duì)比，得出了諸多有意義的結(jié)論，指出在預(yù)測(cè)關(guān)于板上堆焊和對(duì)接焊時(shí)的縱向應(yīng)變時(shí)，一維程序有足夠的精度，并且在瞬時(shí)熱應(yīng)變的分析中，金相變化的影響是很大的。1960 年，美日學(xué)者在研究應(yīng)力交變引起的殘余應(yīng)力的變化對(duì)于疲勞的影響時(shí)，把殘余應(yīng)力變換成平均應(yīng)力來(lái)進(jìn)行研究，把其與各種作用應(yīng)力和平均應(yīng)力的狀態(tài)對(duì)應(yīng)起束得到了疲勞曲線圖。最值得提出的是 Trufyakov 對(duì)在不同應(yīng)力循環(huán)特征下焊接殘余應(yīng)力對(duì)接頭疲勞強(qiáng)度影響的研究。而熱處理在消除殘余應(yīng)力的同時(shí)又軟化了材質(zhì)，因而使得疲勞強(qiáng)度在熱處理后反而下降。這一試驗(yàn)比較好地說(shuō)明了殘余應(yīng)力和焊接熱循環(huán)所引起材質(zhì)變化對(duì)疲勞強(qiáng)度的影響。從這里也可以看出焊接殘余應(yīng)力對(duì)接頭疲勞強(qiáng)度的影響與疲勞載荷的應(yīng)力循環(huán)特性有關(guān)。即在循環(huán)特性值較低時(shí)，影響比較大 [17][18]。 研究的主要內(nèi)容 焊接溫度場(chǎng)焊接應(yīng)力和變形的演變過(guò)程因焊接過(guò)程的特點(diǎn)而變得更為復(fù)雜，并與焊接溫度場(chǎng)直接相關(guān)。焊接過(guò)程中一般無(wú)外力作用，殘余應(yīng)力主要由焊接過(guò)程中不均勻熱循環(huán)作用引起 [19]。所以焊接瞬態(tài)溫度場(chǎng)的計(jì)算是進(jìn)行焊接殘余應(yīng)力分析的前提，所以我們有必要對(duì)溫度場(chǎng)進(jìn)行說(shuō)明。焊接過(guò)程中局部施加的依從于時(shí)間的集中熱輸入，可使得焊接部位形成熔化區(qū)(熔焊) ，這正是引起殘余應(yīng)力和焊接變形的根源。本文對(duì)于溫度場(chǎng)的研究主要包括以下幾點(diǎn)：1：在焊接過(guò)程和焊后冷卻過(guò)程中，焊縫及兩側(cè)母材的傳熱情況以及其對(duì)應(yīng)力的影響情況；2：在焊接過(guò)程和焊后冷卻過(guò)程中，溫度在焊件上的分布情況；3：在焊接過(guò)程和焊后冷卻過(guò)程中，焊件上的節(jié)點(diǎn)溫度隨時(shí)間的變化情況； 焊接殘余應(yīng)力殘余應(yīng)力是材料及其制品在機(jī)加工或合金化過(guò)程中產(chǎn)生的平衡于材料或制品內(nèi)部的應(yīng)力。是指在沒(méi)有外部力作用時(shí)平衡與物體內(nèi)部的應(yīng)力金屬焊接過(guò)程是以各集中熱源對(duì)金屬局部加熱溶化的過(guò)程，焊接時(shí)，熱量以高度集中的瞬時(shí)熱輸入到焊縫的局部區(qū)域，而且熱源是移動(dòng)的。造成焊件瞬時(shí)溫度分布和熱膨脹的不均勻，這些不均勻就是產(chǎn)生殘余應(yīng)力和變形個(gè)根源。他的形成主要有三部分：1：焊接區(qū)金屬加熱到一定溫度后會(huì)產(chǎn)生塑性變形，在冷卻收縮過(guò)程中，受到近旁低溫區(qū)的約束產(chǎn)生的應(yīng)力；2：焊件結(jié)構(gòu)形狀的約束而形成的應(yīng)力；3：冷卻中局部組織相結(jié)構(gòu)發(fā)生轉(zhuǎn)變產(chǎn)生的應(yīng)力。本文對(duì)于焊接殘余應(yīng)力的研究主要包括以下幾點(diǎn)：1：在焊接過(guò)程和焊后冷卻過(guò)程中，焊縫及兩側(cè)母材的殘余應(yīng)力變化規(guī)律；2：冷卻后，殘余應(yīng)力在試件上的連續(xù)分布規(guī)律；3：材料的物理化學(xué)性能對(duì)焊接殘余應(yīng)力產(chǎn)生的影響。2模擬分析過(guò)程在過(guò)去的近幾十年，計(jì)算機(jī)對(duì)科學(xué)技術(shù)的深遠(yuǎn)影響是無(wú)庸置疑的，它大大的拓展了工程問(wèn)題的可解范圍，工程領(lǐng)域中大多數(shù)力學(xué)問(wèn)題和場(chǎng)問(wèn)題，如固體力學(xué)中的位移場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)問(wèn)題，熱傳導(dǎo)中的穩(wěn)態(tài)和瞬念溫度場(chǎng)分析，流體力學(xué)中的流場(chǎng)問(wèn)題，量子場(chǎng)理論，材料相轉(zhuǎn)化的起源，金屬裂紋的傳播問(wèn)題等，只有很少部分能夠用解析方法解決，往往是在給定邊界條件下求解常微分和偏微分方程的問(wèn)題，盡管有時(shí)可得到它們的基本方程和邊界條件，但有時(shí)因其邊界條件、結(jié)構(gòu)形體、外加荷載過(guò)于復(fù)雜，往往無(wú)法求得其精確的解析，處理此類復(fù)雜工程問(wèn)題的途徑一般是：引入簡(jiǎn)化假設(shè)和采用數(shù)值模擬方法，前者常因?yàn)榧僭O(shè)不合理導(dǎo)致結(jié)果出現(xiàn)較大的誤差而不可信，故隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和現(xiàn)代數(shù)學(xué)以及力學(xué)理論的成熟與完善，利用計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬技術(shù)柬獲取滿足工程精度的數(shù)值近似是目前工程仿真領(lǐng)域的一大突破。隨著現(xiàn)代科技的高速發(fā)展，焊接模擬技術(shù)的地位變得越來(lái)越重要，它不僅能夠有效地提高產(chǎn)品的經(jīng)濟(jì)效益，還可以節(jié)省大量的時(shí)間。有限元法則是焊接模擬技術(shù)中適應(yīng)電子計(jì)算機(jī)而發(fā)展起來(lái)的一種有效方法，它已經(jīng)成功地解決了工程領(lǐng)域中的許多問(wèn)題，廣泛地用于研究焊接熱傳導(dǎo)、焊接熱彈塑性應(yīng)力和變形分析、焊接結(jié)構(gòu)的斷裂力學(xué)的分析等。目前，國(guó)際上大型的有限元分析軟件有很多。其中以ANSYS為代表的工程數(shù)值模擬軟件，不斷吸取計(jì)算方法和計(jì)算機(jī)技術(shù)的最新發(fā)展，將有限元分析、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)和優(yōu)化技術(shù)相結(jié)合已成為解決現(xiàn)代工程學(xué)問(wèn)題必不可少的有力工具 [20]。ANSYS軟件是一個(gè)大型、通用的有限元軟件，其強(qiáng)大的熱、結(jié)構(gòu)耦合及瞬態(tài)、非線性分析能力使其在焊接模擬技術(shù)中具有廣闊的前景，焊接溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)的模擬就是運(yùn)用其熱、結(jié)構(gòu)及二者的藕合分析功能進(jìn)行計(jì)算 [21]。 雖然焊接溫度場(chǎng)與應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)是雙向耦合的，由于應(yīng)變場(chǎng)對(duì)溫度場(chǎng)的影響非常小，加上計(jì)算條件的限制，所以本文只考慮溫度場(chǎng)對(duì)應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)這一單向耦合。在模擬計(jì)算時(shí)，采用ANSYS軟件的熱結(jié)構(gòu)耦合功能，利用溫度場(chǎng)與應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)直接耦合進(jìn)行焊接應(yīng)力和變形的計(jì)算。本課題是規(guī)格為 1000mmｘ280mmｘ20mm 的兩塊 Q235 鋼板采用平板對(duì)接連接，填充金屬為鋼，不開(kāi)坡口，采用雙面焊接成型求在焊接后的焊接殘余應(yīng)力以及焊接過(guò)程中的溫度變化。假設(shè)沒(méi)有輻射和對(duì)流，結(jié)構(gòu)左邊固定約束，左右兩邊界均給定 20℃的溫度約束。分為兩級(jí)焊縫焊接，如圖 1 是焊縫的剖面示意圖，從左到右的材料一次是 Q235 鋼、鋼和 Q235 鋼，其中 Q235 鋼的初始溫度是環(huán)境溫度 20℃，焊縫填充金屬鋼的是 1500℃，我們做如下假設(shè)：材料為各向同性；忽略金屬的填充熔敷作用；在對(duì)接接頭的正反兩面同時(shí)開(kāi)始焊接；不考慮粘彈塑性和蠕變；忽略電弧對(duì)焊件的輻射；忽略熔池流體的流動(dòng)作用；材料為理想塑性材料。圖 焊縫模型圖 計(jì)算方法的確定在 ANSYS 軟件中，計(jì)算焊接溫度場(chǎng)，應(yīng)力場(chǎng)的方法分為直接法和間接法。直接法是使用具有溫度和位移自由度的耦合單元，同時(shí)分析得到熱分析和結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析的結(jié)果。間接法是首先進(jìn)行熱分析，然后將求得的節(jié)點(diǎn)溫度作為載荷施加在結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析中。由于單元開(kāi)發(fā)技術(shù)上的原因，直接法可供選用的單元較少，而且在分析過(guò)程中，需要同時(shí)進(jìn)行溫度場(chǎng)計(jì)算和應(yīng)力應(yīng)變計(jì)算，其解法的耦合單元包含所有必須的自由度，只需要通過(guò)一次求解就能得出耦合場(chǎng)分析結(jié)果 [22]。需要指出的是，溫度場(chǎng)計(jì)算是標(biāo)量計(jì)算，計(jì)算耗用的時(shí)間相對(duì)進(jìn)行矢量計(jì)算的應(yīng)力應(yīng)變過(guò)程要少的多。所以直接計(jì)算周長(zhǎng)較長(zhǎng)，不夠靈活。間接法可以先分析溫度場(chǎng)，溫度模擬準(zhǔn)確之后，保存溫度場(chǎng)結(jié)果，再分析應(yīng)力應(yīng)變，如果應(yīng)力應(yīng)變結(jié)果不理想，不必要再進(jìn)行溫度分析，而只需要修改力學(xué)性能和優(yōu)化載荷步，然后再進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變計(jì)算，這樣可以節(jié)省大量的時(shí)間，但需要經(jīng)過(guò)幾次求解才能得出最終耦合結(jié)果。在這里，雖然焊接溫度場(chǎng)與應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)是雙向耦合的，由于應(yīng)變場(chǎng)對(duì)溫度場(chǎng)的影響非常小，加上計(jì)算條件的限制，所以本文只考慮溫度場(chǎng)對(duì)應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)這一單向耦合。在模擬計(jì)算時(shí)，為簡(jiǎn)化求解過(guò)程，采用ANSYS 軟件的瞬態(tài)熱結(jié)構(gòu)耦合及死活單元功能，同時(shí)為了簡(jiǎn)化問(wèn)題，在分析過(guò)程中將忽略結(jié)構(gòu)分析的瞬態(tài)效應(yīng)，而只考慮熱分析的瞬態(tài)效應(yīng)在此基礎(chǔ)上進(jìn)行焊接過(guò)程仿真，計(jì)算焊接過(guò)程中的溫度分布和應(yīng)力分布以及冷卻后的焊縫殘余應(yīng)力。一般運(yùn)用 ANSYS 進(jìn)行計(jì)算的過(guò)程分為三步：前處理、加載計(jì)算、后處理。以下對(duì)焊接溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)的計(jì)算按這三步加以論述。本文所用同種接頭焊接殘余應(yīng)力分析程序是建立在一般二維熱彈塑性有限元程序基礎(chǔ)上。程序中考慮材料常數(shù)隨溫度發(fā)生變化，并直接輸入計(jì)算所需各種不同材料常數(shù)隨溫度變化的實(shí)驗(yàn)曲線，因而更符合實(shí)際情況金屬材料的熱物理性能(如比熱 C、密度 Q、導(dǎo)熱系數(shù) K 等)隨溫度變化而變化，焊接時(shí)局部加熱到很高溫度，其熱物理性質(zhì)隨溫度變化很大，如果不考慮材料的熱物性隨溫度變化，那么計(jì)算結(jié)果將與真實(shí)情況產(chǎn)生一定的偏差，所以必須在前處理中建立材料隨溫度變化的熱物理性參數(shù)庫(kù)。在焊接過(guò)程的數(shù)值模擬中，進(jìn)行溫度分析必須確定下列參數(shù)：導(dǎo)熱系數(shù)、密度、比熱容；應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)分析則必須確定彈性模量、熱膨脹系數(shù)、密度和屈服極限等參數(shù) [23]。材料攝氏溫度℃彈性模量 Pa屈服強(qiáng)度Pa切變模量Pa材料密度Kg/m3泊松比傳熱系數(shù)W/(m℃)線膨脹系數(shù)1/℃比熱容J/(kg℃)Q235鋼20500100015002022111117860 34 983 材料物理性能參數(shù)表從表中可以看出計(jì)算中所用材料的彈性模量、屈服強(qiáng)度、線膨脹系數(shù)和切變模量均隨溫度變化而變化。 簡(jiǎn)化二維對(duì)接接頭模型幾何模型的形狀不僅由焊件的形狀、尺寸大小決定，還取決于載荷施加的方式及熱源在焊件內(nèi)的傳導(dǎo)方式。在移動(dòng)熱源條件下，這里不考慮厚度方向溫度場(chǎng)分布時(shí)，將模型簡(jiǎn)化成二維平面模型。模型如圖所示。眾所周知，對(duì)于有限元分析來(lái)說(shuō)，網(wǎng)格劃分是其中最關(guān)鍵的一個(gè)步驟，網(wǎng)格劃分的好壞直接影響到解算的精度和速度，在這里，首先應(yīng)當(dāng)確定采用自由網(wǎng)格還是映射網(wǎng)格。顧名思義，自由網(wǎng)格對(duì)于形狀單元無(wú)限制，三排列不規(guī)則。映射網(wǎng)格對(duì)包含的單元形狀有限制，而且必須滿足特定的規(guī)則。映射面網(wǎng)格只包含四邊形或三角形單元，映射體網(wǎng)格只包含六面體單元。而且，映射網(wǎng)格具有規(guī)則形狀，明顯成排的單元。這對(duì)載荷的施加和收斂的控制是相當(dāng)有利的。鋼20500100015002022118030 502圖 分網(wǎng)格模型 加載計(jì)算焊接過(guò)程是一個(gè)加熱非常不均勻的過(guò)程，在焊縫處溫度剃度變化很大，劃分網(wǎng)格時(shí)一般不采取均勻的網(wǎng)格，而是在焊縫及其附近的部分用加密的網(wǎng)格，在遠(yuǎn)離焊縫的區(qū)域，溫度分布梯度變化相對(duì)較小，這時(shí)可以忽略細(xì)節(jié)，劃分均勻且相對(duì)稀疏的單元網(wǎng)格。總之，在保持精度的同時(shí)減