【正文】 ):742. [31] 汪建華 , 魏良武 . 焊接變形和殘余應(yīng)力預(yù)測(cè)理論的發(fā)展及應(yīng)用前景 . 焊 接學(xué)報(bào) , 2020(10):46. [32] wang Jianhua FEM model of buckling distortion during welding ofthin P Shanghai Jiaotong University[M], 1999, 4(2):6972. [33] Wang in numerical accuracy and stability of 3D FEM analysis in Journal, 1996,75(4):129134. 附錄： ET,1,PLANE13 KEYOPT,1,1,4 KEYOPT,1,2,0 KEYOPT,1,3,0 KEYOPT,1,4,0 KEYOPT,1,5,0 !* MPTEMP, MPTEMP,1,20 ,500,1000,1500,2020 MPDATA,EX,1,+011 , +011 ,+011 ,+011 ,+010 MPDATA,PRXY,1, MPDATA,ALPX,1, ,5 MPDATA,DENS,1,7860 TB,BKIN,1,5,2,1 TBTEMP,20 TBDATA,+008,+010, TBTEMP,500 TBDATA,+008,+010, TBTEMP,1000 TBDATA,+008,+010, TBTEMP,1500 TBDATA,+007,+010, TBTEMP,2020 TBDATA,+007,+009, MPDATA,KXX,1,34 MPDATA,C,1,983 MPDATA,MURX,1,1 MPTEMP, MPTEMP,1,20 MPTEMP,2,500 MPTEMP,3,1000 MPTEMP,4,1500 MPTEMP,5,2020 MPDATA,EX,2,+011 ,1.5E+011 , 7E+010 ,1E+010 ,1E+009 MPDATA,PRXY,2, UIMP,2,REFT, MPDATA,ALPX,2, ,5 MPDATA,DENS,2,8030 MPDE,EX,2 MPDE,PRXY,2 MPDATA,EX,2,+011 ,1.5E+011 , 7E+010 ,1E+010 ,1E+009 MPDATA,PRXY,2, MPDE,DENS,2 MPDATA,DENS,2,8030 UIMP,2,REFT,20 MPDE,ALPX,2 MPDATA,ALPX,2, TB,BKIN,2,5,2,1 TBTEMP,20 TBDATA,+009,+010, TBTEMP,500 TBDATA,+008,+010, TBTEMP,1000 TBDATA,+008,7E+009, TBTEMP,1500 TBDATA,7E+007,1E+009, TBTEMP,2020 TBDATA,7E+006,1E+008, MPTEMP, MPTEMP,1,0 MPDE,KXX,2 MPDATA,KXX,2, MPDATA,C,2,502 MPDATA,MURX,2,1 K,1,0,0,0, K,2,0,0, K,3,1,0,0, K,4,0,0, K,5,0, K,6,0, K,7,1,0, K,8,0, LARC, 5, 6, 8 FLST,2,4,3 FITEM,2,1 FITEM,2,2 FITEM,2,5 FITEM,2,4 A,P51X FLST,2,4,3 FITEM,2,2 FITEM,2,3 FITEM,2,7 FITEM,2,6 A,P51X FLST,2,3,4 FITEM,2,3 FITEM,2,9 FITEM,2,1 AL,P51X ESIZE,0, TYPE, 1 MAT, 2 REAL, ESYS, 0 SECNUM, TSHAP,LINE !* CM,_Y,AREA ASEL, , , , 3 CM,_Y1,AREA CHKMSH,39。導(dǎo)師嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度、一絲不茍的工作作風(fēng)、謙和的待人方式以及自由的學(xué)術(shù)氛圍，無不給作者以深刻的印象，必將對(duì)作者以后的發(fā)展產(chǎn)生重要的影響。此外，隨著各項(xiàng)技術(shù)的深入研究和發(fā)展，本文提出的模擬方法可利用有限元軟件的參數(shù)化語言編寫程序，將各種焊接形式的模擬計(jì)算程序進(jìn)行封裝，建立一套焊接溫度場、應(yīng) 力和變形的數(shù)值模擬系統(tǒng)，通過計(jì)算機(jī)系統(tǒng)指導(dǎo)實(shí)際工作和生產(chǎn)，促進(jìn)焊接過程模擬技術(shù)在工程中的應(yīng)用。由于焊接應(yīng)力場計(jì)算是屬于包括相變、塑性、非線性等多方面因素影響的熱 —彈塑性問題，尤其是焊后冷卻過程中發(fā)生的相變體積膨脹，嚴(yán)重影響殘余應(yīng)力的分布。例如，要用數(shù)值分析的方法控制實(shí)際復(fù) 雜焊接結(jié)構(gòu)的殘余應(yīng)力尚存在很多問題 ， 目前一個(gè)比較重要的問題是材料性能，特別是高溫時(shí)材料性能數(shù)據(jù)還很缺乏，給焊接殘余應(yīng)力數(shù)值分析帶來了許多困難。在計(jì)算機(jī)日益發(fā)展的今天，采用數(shù)值模擬方法預(yù)測(cè)焊接殘余應(yīng)力已經(jīng)取得了豐碩的成果。并提出了一些預(yù)防和減小殘余應(yīng)力的措施。由圖 ()至圖 ()， 可看出應(yīng)力變化規(guī)律和理論上基本上是一致的。 圖 焊件銅上層表面的等效應(yīng)力分布 圖 焊件中間層的橫向應(yīng)力和等效應(yīng)力分布圖 圖 焊縫鋼下層表面的等效應(yīng)力分布圖 從圖（ ）可以看出在曲線橫坐標(biāo) X=（ ）這個(gè)區(qū)間為焊縫所在位置，其應(yīng)力也最大，通過這個(gè)區(qū)間的應(yīng)力峰值比較及圖 ()與圖（ ）兩表面層應(yīng)力分布可 以發(fā)現(xiàn)焊縫鋼的上下層得殘余應(yīng)力是一樣的，通過橫向應(yīng)力分布圖（ ）還可以看出在焊縫區(qū)其應(yīng)力值為正，表現(xiàn)為拉應(yīng)力，在其他區(qū)域正為負(fù)，表現(xiàn)為壓應(yīng)力。 應(yīng)力場的模擬 圖 t= 時(shí)的應(yīng)力場 圖 t= 時(shí)的應(yīng)力場 圖 t= 時(shí)的應(yīng)力場 圖 t=10s 時(shí)的應(yīng)力場 圖 冷卻 5000 秒后的應(yīng)力場 圖 沿 X軸橫向應(yīng)力分布情況 圖 沿厚度方向應(yīng)力分布情況 應(yīng)力場顯示如上圖（ ）至圖（ ）：從圖中可以看到各個(gè)點(diǎn)的某一時(shí)刻的瞬態(tài)內(nèi)應(yīng)力圖，還可以看到一些應(yīng)力集中的點(diǎn)（如圖片中紅色的位置），因?yàn)檫@些地方的內(nèi)應(yīng)力比較大，而且比較集中。（ 2）加熱時(shí)間短，溫度分布不穩(wěn)定；對(duì)于焊件的某一點(diǎn)而言，受到的加熱作用時(shí)間極短，可視為一個(gè)瞬間 [28]。 圖 t= 時(shí)的溫度場 圖 t= s 時(shí)的溫度場 圖 t= 時(shí)的溫度場 圖 t=10s 時(shí)的溫度場 圖 冷卻 5000 秒后的的溫度場 溫度場的數(shù)值模擬是應(yīng)力應(yīng)變數(shù)值模擬的基礎(chǔ)，同時(shí)溫度場的分布對(duì)應(yīng)力應(yīng)變的分布有著極大的影響。若要查看整個(gè)焊件在整個(gè)焊接過程中溫度和應(yīng)力的動(dòng)態(tài)變化，可用 ANSYS中的動(dòng)畫顯示技術(shù)。 3 模擬結(jié)果及 分析 ANSYS 后處理就是查詢計(jì)算結(jié)果并對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行處理，用以判斷網(wǎng)格是否精確、分析結(jié)果是否正確。每次計(jì)算將前一次的時(shí)間步長逐步減小的方法進(jìn)行，當(dāng)相鄰兩次計(jì)算結(jié)果的溫度場相籌不大時(shí)可以認(rèn)為時(shí)間步長足夠小 [26]。本課題將第二層焊縫殺死后的效果如下圖所示： 圖 一級(jí)焊縫效果圖 分析選項(xiàng)的確定 焊接溫度場的分析是典型的非線性瞬態(tài)熱傳導(dǎo)問題，如果分析選項(xiàng)設(shè)置不當(dāng)，通常會(huì)導(dǎo)致計(jì)算難收斂。同樣，單元的 “ 出生 ” 也不是將其加入到模型中，而是先生成再全部殺死，然后在合適的載荷步中重新激活它。根據(jù)線性傳導(dǎo)熱傳遞，可以按如下公式估計(jì)初始時(shí)間步長： ITS ?? ?2 4 其中 ? 為沿?zé)崃鞣较驘崽荻茸畲筇幍膯卧拈L度， ? 為導(dǎo)溫系數(shù)，它等于導(dǎo)熱系數(shù)除以密度與比熱的乘積（ ? ??k c )。 載荷 步的確定 在進(jìn)行非線性的瞬態(tài)分析過程中，我們要設(shè)置載荷步。 圖 施加約束后的模型 其具體步驟是： （ 1）設(shè)定分析類型，選擇瞬態(tài)分析； （ 2）選擇左邊節(jié)點(diǎn)； （ 3）施加約束； （ 4）選擇左右兩邊的節(jié)點(diǎn)； （ 5）施加溫度約束； （ 6）選擇所有實(shí)體。要獲得一個(gè)良好的瞬態(tài)焊接溫度場，焊縫處的單元網(wǎng)格最好為 [24]，遠(yuǎn)離焊縫區(qū)域的單元網(wǎng)格為 5mm。而且，映射網(wǎng)格具有規(guī)則形狀，明顯成排的單元。 眾所周知，對(duì)于有限元分析來說，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。 表 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。以下對(duì)焊接溫度場和應(yīng)力場的計(jì)算按這三步加以論述。間接法可以先分析溫度場，溫度模擬準(zhǔn)確之后，保存溫度場結(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)過幾次求解才能得出最終耦合結(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。假設(shè)沒有輻射和對(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。 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、應(yīng)力場的模擬就是運(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]。 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。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。所以焊接瞬態(tài)溫度場的計(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)溫度場進(jìn)行說明。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)。 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。 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)接焊和板上堆焊過程中的熱應(yīng)力。最早起源于學(xué)者對(duì)于焊 接過程中瞬時(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，無法表示實(shí)際的焊縫情況。湖北工學(xué)院和鐵道部大橋局橋科院通過疲勞實(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) [8][9][10]對(duì)鋼結(jié)構(gòu)焊件中殘余應(yīng)力的分布形成、分布等進(jìn)行了探討和研究，得到了焊件表面和中部不同的殘力分布和擬合曲線，并分析了不同分布形式對(duì)構(gòu)件承載力的影響。傳統(tǒng)的觀點(diǎn)認(rèn)為，焊接加熱過程中焊縫和近縫區(qū)內(nèi)因其膨脹受制而產(chǎn)生的塑性壓縮應(yīng)變是導(dǎo)致焊接殘余應(yīng)力產(chǎn)生的主要原因。構(gòu)件中的殘余應(yīng)力大多數(shù)表現(xiàn)出很大的危險(xiǎn)作用，如使構(gòu)件的強(qiáng) 度降低、降低構(gòu)件疲勞極限、造成應(yīng)力腐蝕和脆性斷裂，由于殘余應(yīng)力的松弛，使構(gòu)件產(chǎn)生變形，影響構(gòu)件的尺寸精度，以往的研究表明影響鋼結(jié)構(gòu)脆性斷裂的因素是多方面的，與焊縫自身的缺陷、焊縫周圍熱影響區(qū)得分布對(duì)鋼材材質(zhì)的脆性影響以及應(yīng)力集中和殘余應(yīng)力的分布及大小有密切的關(guān)系，而根據(jù)線彈性斷裂力學(xué)理論，殘余應(yīng)力對(duì)于裂紋的擴(kuò)展有著重要的影響，因此正確的評(píng)估和降低焊接所造成的構(gòu)件殘余應(yīng)力對(duì)鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件及體系工作性能的影響，就顯得十分必要 [16]。而構(gòu)件中的縱向殘余應(yīng)力和作為彈塑性材料的鋼材本身的性能是分析鋼結(jié)構(gòu)彈塑性問題的兩個(gè)重要的考慮因素 。 1緒論 課題來源和意義 近年來，隨著我國鋼產(chǎn)量的逐漸攀升，為適應(yīng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要，國家對(duì)于鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用也從限制使用改為鼓勵(lì)采用，為鋼結(jié)構(gòu)的廣泛應(yīng)用與推廣營造了良好的氛