【正文】 ..................................................................... 37 焊縫方向上一系列點(diǎn)的縱向殘余應(yīng)力分布規(guī)律 ................................................. 38 垂直焊縫方向橫截面上的點(diǎn)的縱向殘余應(yīng)力 .................................................... 39 小結(jié) .......................................................................................................................... 40 第 5 章 高速列車鋁合金側(cè)墻數(shù)值模擬和分析 ......................................................................... 41 高速列車鋁合金側(cè)墻局部建模和網(wǎng)格劃分 .................................................................. 41 不同焊接時(shí)間下的溫度場(chǎng)分析 ................................................................................... 42 不同焊接時(shí)間下的應(yīng)力場(chǎng)分析 ................................................................................... 45 結(jié) 論 ..................................................................................................................................... 48 致 謝 ..................................................................................................................................... 49 參考文獻(xiàn) ................................................................................................................................ 50 西南交通大學(xué)本科 畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 第 1 頁(yè) 第 1 章 緒論 本論文研究的意義 隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，人們生活節(jié)奏加快，對(duì)出行使用的 交通工具要求也越來(lái)越高。所以，對(duì)鋁合金車體焊接過(guò)程中溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)數(shù)值進(jìn)行測(cè)量，分析，預(yù)測(cè)和模擬具有很重要的意義。 SYSWELD 作為一個(gè)大型有限元數(shù)值模擬商業(yè)軟件，在焊接過(guò)程中，相比于 ANSYS等有限元分析軟件，可以得到更好的模擬數(shù)據(jù)和準(zhǔn)確的模擬結(jié)果 ，目前正處于推廣階段 。 本文就基于 SYSWELD 軟件平臺(tái)，采用雙橢球熱源分布模式（焊接鋁合金的 MIG焊的通用熱源模型），利用和平板對(duì)接接頭的溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比，驗(yàn)證SYSWELD 模擬數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性， 模擬不同長(zhǎng)度下焊件的溫度場(chǎng)和應(yīng)力 場(chǎng)，分析變化規(guī)律， 然后建立 不同焊接 順序 下鋁合金高速列車側(cè)墻的溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)的有限元數(shù)值 模擬，分析溫度場(chǎng) 和線能量 對(duì)應(yīng)力的 影響 ，為以后鋁合金管高速列車的生產(chǎn)和研制提供新的方法，減少研發(fā)經(jīng)費(fèi)和研發(fā)周期?？上攵?，如果能夠很好地實(shí)現(xiàn)焊接數(shù)值模擬，對(duì)研究焊接工藝和參數(shù)有很大的意義，世界各國(guó)的科學(xué)家也很早就開(kāi)始了這方面的理論研究和模擬運(yùn)算。 20 世紀(jì) 60 年代后 ，隨著電子 計(jì)算機(jī)應(yīng)用 技術(shù)不 斷 發(fā)展 ，也給 焊接熱過(guò)程的數(shù)值分析提供了 很好的條件 。 之后世界各地的科學(xué)家又基于有限元分析 理論，結(jié)合實(shí)際焊接方法建立了各自的溫度場(chǎng)分析模型。 隨著計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展，基于以上很多科學(xué)家提供的有限元理論，很多軟件公司開(kāi)發(fā)了很多基于有限元數(shù)值模擬的商業(yè)軟件，例如常用的 ANSYS， MARC,ADINA等，為焊接過(guò)程的有限元數(shù)值模擬分析提供了很好的分析工具。 合肥工業(yè)學(xué)院材料學(xué)院華鵬等人基于 SYSWELD 建立模型，采用雙橢球熱源模型對(duì)平板鋼堆焊的溫度場(chǎng)進(jìn)行了模擬計(jì)算，并用實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn) 證 [9]。 焊接應(yīng)力場(chǎng)數(shù)值模擬國(guó)內(nèi)外歷史及發(fā)展現(xiàn)狀 焊件經(jīng)過(guò)焊接之后得到的殘余應(yīng)力會(huì) 嚴(yán)重影響制造過(guò)程和焊件的使用性能， 具體會(huì)對(duì)以下幾個(gè)方面有影響： 1. 對(duì)構(gòu)件剛度的影響 : 殘余 應(yīng)力對(duì)結(jié)構(gòu)剛度的影響程度取決于在受載的界面上受到殘余拉應(yīng)力區(qū)域的面積大小，這部分的面積越大，對(duì)結(jié)構(gòu)剛度的影響就越大。 5. 對(duì)構(gòu)件應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂的影響 ：相同材料和工作環(huán)境下，應(yīng)力越大越容易發(fā)生應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂。 自 20 世紀(jì) 70 年代 以來(lái)， 科學(xué)家 提出了考慮材料 熱物性參數(shù)和力學(xué)性能參數(shù)的焊接熱彈塑性理論，加上 計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展 和 有限元模擬軟件的 廣泛應(yīng)用，從而使復(fù)雜 的 焊接應(yīng)力應(yīng)變過(guò)程的數(shù)值模擬成為可能。焊接過(guò)程中 材料發(fā)生相變是必須考慮的一個(gè)因素。 近些年 來(lái)，上海交通大學(xué)聯(lián)合日本大阪大學(xué)對(duì)焊件的三維應(yīng)力狀態(tài)和變形問(wèn)題進(jìn)行了分析 ，提出 了 若干 改善計(jì)算精度和收斂性的 方法 ，發(fā)展了三維焊接分析程序 [20][21]。 大連理工大學(xué)華一品基于 SYSWELD 平臺(tái)考慮了邊界條件和材料熱彈塑性能，分析了殘余應(yīng)力對(duì)焊接構(gòu)件承載能力的影響 [24]。 3） 在其他參數(shù)和工藝不變的情況下，分別對(duì) 100mm， 200mm， 400mm， 800mm 對(duì)接焊件的溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行模擬，觀察溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng) 達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)的臨界條件 ，研究溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)的變化規(guī)律，為簡(jiǎn)化高速列車鋁合金的數(shù)值模擬提供理論依據(jù)。 在物體的離散化過(guò)程中，有以下幾點(diǎn)是需要注意的 a) 單元類型：根據(jù)實(shí)際物理問(wèn)題選擇合理單元類型，對(duì)不同的物體結(jié)構(gòu)以及分析的類型，采用不同單元。 d) 結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化：利用結(jié)構(gòu)和載荷的對(duì)稱性， 對(duì)焊件的幾何模型 進(jìn)行合理的簡(jiǎn)化，減少部分難控制的因素， 減少計(jì)算規(guī)模 。 3) 假定不考慮相變和結(jié)晶潛熱，因?yàn)橄嘧兒徒Y(jié)晶潛熱的對(duì)殘余應(yīng)力的影響相對(duì)較小。與熱導(dǎo)率和比熱容 c 一樣， a 在很多程度上取決于溫度值。 3. 初始條件 Sysweld 中要模擬溫度場(chǎng)的變化，必須給定其初始條件，溫度的初始條件是焊接過(guò)程開(kāi)始之前整個(gè)物體的溫度場(chǎng)情況，這里我們假設(shè)焊接開(kāi)始時(shí)外 界溫度和焊件溫度都是室溫，即： 一般我們?cè)O(shè)置室溫 20℃。U 為電弧 電壓 。 西南交通大學(xué)本科 畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 第 10 頁(yè) 焊接過(guò)程應(yīng)力場(chǎng)有限元分析理論 由于高密度的瞬態(tài)熱輸入，導(dǎo)致焊件溫度不均勻，在焊接過(guò)程中和焊接之后將得到較大的應(yīng)力和變形， SYSWELD 中焊接應(yīng)力和變形的計(jì)算都是以溫度場(chǎng)作為基礎(chǔ)?；谶@一特點(diǎn)，焊接殘余應(yīng)力分析時(shí)期塑性理論應(yīng)為增量理論，增量理論以應(yīng)力和應(yīng)變?cè)隽繛榛A(chǔ)，建立他們之間的本構(gòu)關(guān)系，并通過(guò)累積求得總的應(yīng)變和總的 應(yīng)力 [28]。 SYSWELD 擁有強(qiáng)大的焊前設(shè)置模塊，建立好模型并劃分網(wǎng)格 ，校核好熱源模型，通過(guò) Welding Advisor 設(shè)置相關(guān)參數(shù)，生成焊前 處理文件 .prj，再用 SYSWELD 計(jì)算得到焊接溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)的結(jié)果，利用 Postprocessing 的 Display 模塊得到點(diǎn)的溫度 值和應(yīng)力值。 Visualmesh 的菜單命令中的 Curve， Surface， Volume， Node 是用來(lái)創(chuàng)建幾何體的命令，接下來(lái)的 1D， 2D， 3D 是用來(lái)創(chuàng)建 1 維， 2 維， 3 維網(wǎng)格的命令 。 （ 2） 模型的單元大小 模型的單元大小和網(wǎng)格數(shù)量有一定關(guān)系，同樣尺寸的模型，如果網(wǎng)格數(shù)量越大，單元就越小 ，如果網(wǎng)格數(shù)量越小，單元就越大。 西南交通大學(xué)本科 畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 第 13 頁(yè) 熱源調(diào)節(jié) 在實(shí)際的焊接過(guò)程中，焊接熱源不僅提供熔化金屬的熱 量，而且電弧還對(duì)熔池部分具有沖擊攪拌等作用，從而促進(jìn)熔池金屬成分均勻化。 熱源模型的建立在 SYSWELD里面使用熱源校核工具界面，界面打開(kāi)方法如 圖 23所示。 西南交通大學(xué)本科 畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 第 15 頁(yè) 圖 26 二維模型參數(shù)界面 圖 27 三維模型參數(shù)界面 圖 28 生成三維網(wǎng)格模型 2. 加載焊件材料 加載焊件材料之前，需要加載材料數(shù)據(jù)庫(kù)，如圖 29 所示，點(diǎn)擊焊件專用的材料數(shù)據(jù)庫(kù) ,成功加載之后再按照?qǐng)D 210 所示操作，分別給 C1_3D,C2_3D 和BEAD 加載材料，本例中我們?yōu)槿齻€(gè)部分都加載 SYSWELD 中自帶的 AlMgSi 材料，因?yàn)槭钦{(diào)節(jié)熱源參數(shù)， 焊接過(guò) 程只模擬加熱過(guò)程和熱量傳輸過(guò)程， 所以 只涉及到材料的熱物性參數(shù)，和他的機(jī)械性能參數(shù)無(wú)關(guān)，所以選擇 thermometal_cp 即可。在軟件中，熱源函數(shù)給出了三種模型， 2 維高斯 (2D Gaussian)，雙橢球 (Double ellipsoid)， 3 維高斯圓錐 (3D conical gassian)，另外大家還可以使用 custom 自定義熱源模型。 0 h) Power(Total Efficiency)輸入的有效功率，單位是瓦特。 如圖 214 所示 Plot子菜單里面，選擇 Macrography(在計(jì)算完畢后自動(dòng)顯示截面溫度云圖 )， 因?yàn)槭卿X合金的熱源調(diào)節(jié)，所以 Molten temperature(熔點(diǎn) ) 取值 稍高于鋁合金熔點(diǎn) 為 650℃； HAZ temperature(熱影響溫度 )取值為 550℃ ； Solve 子菜單里面，選擇 solve； Curvilinear velocity（熱源移動(dòng)速度）取值為 11mm/s； Intial temperature（焊接起始溫度）取值為 20mm/s； Phase proportions(初始相 )設(shè)置為 默認(rèn) ， 其余選項(xiàng)默認(rèn) 。 得到合適熱源參數(shù)， 保存到函數(shù) 數(shù)據(jù) 庫(kù)中，用于后面求解時(shí)使用。 5. 設(shè)置焊接工藝參數(shù)，需要定義焊接線（ WL），參考線（ RL）。其 操作界面如圖 216 所示。 圖 214 Plot 和 Slove 界面 （ 6） 檢查結(jié)果 并保存熱源 計(jì)算完畢后，屏幕上會(huì)自動(dòng)顯示截面的溫度場(chǎng)結(jié)果， 焊縫成形如果如圖 215 所示，最高溫度控制在 700℃ ~800℃，則熱源模型較理想，可以保存。初始值設(shè)置完成。本例采用雙橢球熱源模型，調(diào)節(jié)界面如下圖 212 所示 西南交通大學(xué)本科 畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 第 17 頁(yè) 圖 212 Process 界面 圖 213 雙橢球熱源模型 首先輸入熱源函數(shù)名 (本例中名字 SOURC_TTS) 模型參數(shù) 參照雙橢球熱源模型的形狀如圖 213，設(shè)置如下： a) Qf 與 Qr (表示單位體積上的輸入能量，單位是 watt/mm^3,初始輸入的是比例關(guān)系 ) 建議 12:10 b) af 雙橢球前半軸長(zhǎng)度 6 c) ar 雙橢球后半軸長(zhǎng)度 8 西南交通大學(xué)本科 畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 第 18 頁(yè) d) b 橫向長(zhǎng)度 （融寬一半） 5 e) c 縱向半徑 (熔深深度 ) f) x0， y0， z0 表示熱源中心在由焊接線和參考線確定的局部坐標(biāo)系 (以焊接線開(kāi)始點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，焊接線指向參考線方向?yàn)?x0，沿著焊接線方向?yàn)?y0，右手定則確定 z0 軸 )中的坐標(biāo)。 操作如圖 211 所示。本次以 對(duì)接 焊縫為例， 操作方法如 圖24 所示，第六步直接選擇 ,點(diǎn)擊 OK，生成如圖 25 所示 界面 。 焊接模擬分析結(jié)果是否能準(zhǔn)確反映實(shí)際焊接情況很大一部分取決于在進(jìn)行焊接模擬過(guò)程中的熱源模型的選擇是否合適。如圖22 所示，一個(gè)平板對(duì)接