【正文】 要很好的模擬這一個(gè)過(guò)程，我們就要應(yīng)用到ANSYS中提供的單元生死的技術(shù)，即在把溫度場(chǎng)計(jì)算的溫度載荷轉(zhuǎn)化為結(jié)構(gòu)載荷施加在結(jié)構(gòu)上時(shí)，要對(duì)施加的溫度載荷進(jìn)行判斷和分析，把超過(guò)鋼材規(guī)定的熔點(diǎn)的溫度載荷去掉，只是施加低于鋼材熔點(diǎn)的溫度載荷，在本次載荷施加結(jié)束后在把之前超過(guò)鋼材熔點(diǎn)去掉的單元在重新的加入到模型中，在一次的計(jì)算時(shí)候，ANSYS在重新的選擇一遍，進(jìn)行計(jì)算，這樣就可以達(dá)到模擬金屬熔敷的過(guò)程。 定義邊界條件求解計(jì)算(1)定義邊界條件邊界條件的定義主要是約束焊焊件的自由度，要根據(jù)具體情況而定。 后處理后處理模塊可將計(jì)算結(jié)果以彩色等值線顯示、梯度顯示、矢量顯示、粒子流跡顯示、立體切片顯示、透明及半透明顯示（可看到結(jié)構(gòu)內(nèi)部）等圖形方式顯示出來(lái)，也可將計(jì)算結(jié)果以圖表、曲線形式顯示或輸出。(2)初始條件建立 設(shè)置參考溫度TREF，一般為室內(nèi)溫度，參考溫度用于熱應(yīng)變的參考溫度，默認(rèn)值為0。單元的生或死是指如果在模型中加入或刪除材料,模型中相應(yīng)的單元就“出生”或“死亡”。橢球型熱源分布函數(shù)可表示為： ()式中：a、b、c為半軸長(zhǎng)。點(diǎn)、面和體熱源，是熱源施加的三種形式。網(wǎng)格的劃分合適與否直接影響了計(jì)算結(jié)果的精度和計(jì)算效率。ANSYS不僅能解決純粹的熱分析問(wèn)題，還能解決與熱相關(guān)的其他諸多問(wèn)題，如熱力分析、熱電分析、熱磁分析等。相變潛熱存在于焊接過(guò)程中，對(duì)于焊接溫度場(chǎng)來(lái)說(shuō)考慮相變潛熱的影響是十分重要的，在ANSYS中通常會(huì)采用在定義焊接材料的熱物理性能的時(shí)候定義出材料的熱焓值，比熱容和密度乘積對(duì)時(shí)間的積分即得出熱焓： ()式中，T絕對(duì)溫度值；ρ材料密度值；H熱焓值；C(t)材料的比熱容，隨著溫度變化的函數(shù)。(2)在與熱分析相關(guān)的耦合場(chǎng)計(jì)算方面，引入了一種新型多功能求解器，運(yùn)用該求解器可以進(jìn)行解決以下與熱分析有關(guān)的耦合場(chǎng)問(wèn)題：l 電力機(jī)械l 焦耳加熱l 感應(yīng)加熱l 感應(yīng)激勵(lì)l 射頻加熱l 熱應(yīng)力分析(3)在使用快速瞬態(tài)熱分析求解選項(xiàng)時(shí)可以采用面面熱接觸分析，使用的單元包括CONTA17CONTA17CONTA173和CONTA174，支持下面兩種情況：接觸熱傳導(dǎo)。第三章 基于ANSYS的焊接殘余應(yīng)力模擬過(guò)程分析 ANSYS軟件及APDL語(yǔ)言簡(jiǎn)介在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程當(dāng)中，常常會(huì)遇到多種多樣的熱量傳遞問(wèn)題：如計(jì)算某個(gè)系統(tǒng)或者部件的溫度分布、熱量的獲取或者損失、熱梯度、航天航空、農(nóng)業(yè)、制冷及船舶等。 為焊接過(guò)程中的溫度。等效應(yīng)變： ()式中，—三個(gè)正交方向的主應(yīng)變； —材料的泊松比；(2)流動(dòng)準(zhǔn)則 該準(zhǔn)則描述發(fā)生屈服時(shí)，塑性應(yīng)變的方向，即單個(gè)塑性應(yīng)變分量（，）隨著屈服是怎樣發(fā)展的。但是由于焊縫附近的變化劇烈的溫度梯度，焊接材料的各種隨溫度變化的熱物理參數(shù)也發(fā)生了劇烈的變化，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了焊接溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)的互相耦合作用。 (2)時(shí)間域的離散 離散的時(shí)間域，采用數(shù)值積分的來(lái)求解常系數(shù)微分方程的基本方法，在經(jīng)過(guò)了離散的空間域得到的一階微分方程是對(duì)時(shí)間而言，可以應(yīng)用簡(jiǎn)單的亮點(diǎn)循環(huán)公式來(lái)進(jìn)行離散時(shí)間域，對(duì)時(shí)間域的離散應(yīng)用加權(quán)差分的方法[13,50]。在給定初始條件的情況下可以對(duì)上述的泛定方程求得定解。，在焊接有限元分析中所要輸入和輸出的基本的參數(shù)。應(yīng)用有限元進(jìn)行三維模擬還存在著這樣或那樣的問(wèn)題,將三維焊接過(guò)程數(shù)值模擬技術(shù)廣泛運(yùn)用于工程實(shí)際，仍然需要進(jìn)一步提高計(jì)算效率和保證計(jì)算精度。2010年清華大學(xué)的班慧勇等在殘余應(yīng)力實(shí)驗(yàn)研究中提出了適用于Q420高強(qiáng)等邊角鋼的較為準(zhǔn)確和安全的殘余應(yīng)力分布模型和計(jì)算公式[40]。二十世紀(jì)九十年代，汪建華等人對(duì)焊接過(guò)程應(yīng)用三維數(shù)值模擬，認(rèn)為焊接溫度場(chǎng)均屬于典型的非線性瞬態(tài)熱傳導(dǎo)，探討了影響收斂進(jìn)度的因素算，并提出了若干解決計(jì)算精度的問(wèn)題。隨著焊接應(yīng)力應(yīng)變理論基礎(chǔ)的不斷的完善，80年代，人們開(kāi)始注重更深層次的研究，開(kāi)始研究更加準(zhǔn)確的焊接應(yīng)力應(yīng)變?cè)诜植忌系内厔?shì)，通過(guò)一些計(jì)算數(shù)據(jù)，如Josefson等人定位焊和薄壁管件等焊接應(yīng)力過(guò)程研究數(shù)據(jù)的分析，提出了一些精度更高的焊接應(yīng)力分布趨勢(shì)和一些消減焊接應(yīng)力應(yīng)變的方法和措施 [28]。上面提到的程序的編寫還是局限在線性計(jì)算，非線性的有限元分析由陳楚(上海交通)等人進(jìn)行研究，在焊接熱過(guò)程分析上有了一定的突破，他們考慮了各種在對(duì)焊接過(guò)程產(chǎn)生影響的重點(diǎn)問(wèn)題，并且編寫了相應(yīng)的可以應(yīng)用在靜態(tài)動(dòng)態(tài)熱源和薄厚板件分析當(dāng)中，雖然對(duì)焊接過(guò)程分析有向前推進(jìn)了一步，但分析還停留在二維階段，對(duì)大型和復(fù)雜的結(jié)構(gòu)模擬還是無(wú)法和實(shí)際結(jié)果相符合 [19]。焊接殘余應(yīng)力分布規(guī)律的研究仍是鋼結(jié)構(gòu)領(lǐng)域的熱點(diǎn)和難點(diǎn)[10]；隨著ANSYS等大型應(yīng)用軟件的開(kāi)發(fā)和利用,對(duì)于焊接殘余應(yīng)力的研究也進(jìn)入了仿真模擬的時(shí)代,它不僅可以減少實(shí)驗(yàn)的用時(shí)、減少花費(fèi),還能知道構(gòu)件上殘余應(yīng)力連續(xù)的分布的趨勢(shì),焊接工藝得到了優(yōu)化，但對(duì)于焊接殘余應(yīng)力的分析還有許多工作要做：首先，焊接殘余應(yīng)力數(shù)值模擬對(duì)計(jì)算機(jī)資源的耗費(fèi)很大，如何合理簡(jiǎn)化焊接殘余應(yīng)力數(shù)值模擬的力學(xué)模型是有待解決的重要課題之一；其次，焊接殘余應(yīng)力的數(shù)值研究在精確性和穩(wěn)定性方面還有一些問(wèn)題，目前焊接殘余應(yīng)力計(jì)算結(jié)果在很多時(shí)候偏大，也有極少數(shù)時(shí)候可能出現(xiàn)偏小的情況[1011]，因此建立一套完整的焊接殘余應(yīng)力的數(shù)值分析理論及數(shù)值模擬方法尤其重要。 課題研究的目的和意義在焊接梁中，由于焊接殘余應(yīng)力很大，從一開(kāi)始加載荷起，焊接梁實(shí)際上也就進(jìn)入彈塑性工作階段，我國(guó)現(xiàn)行的鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范(GB500172003 )[7]中，對(duì)于焊接梁的彈塑性整體穩(wěn)定系數(shù)是根據(jù)雙軸對(duì)稱焊接和軋制工字形截面簡(jiǎn)支梁在考慮等效殘余應(yīng)力情況下導(dǎo)出的，其它截面情況只能借用，是否合適，尚需進(jìn)一步具體分析。焊件若未經(jīng)消除應(yīng)力處理，內(nèi)部會(huì)存在自相平衡的殘余應(yīng)力。這樣就相當(dāng)于削弱了構(gòu)件的有效面積。(3)殘余應(yīng)力對(duì)結(jié)構(gòu)剛度的影響。脆性材料殘余應(yīng)力的存在，會(huì)使承載能力下降，導(dǎo)致斷裂。殘余應(yīng)力對(duì)結(jié)構(gòu)性能的影響主要有以下幾個(gè)方面: (1)殘余應(yīng)力對(duì)靜載強(qiáng)度的影響。這些變化也構(gòu)成了理論分析和數(shù)值計(jì)算(如有限元數(shù)值分析)時(shí)的復(fù)雜性和局限性，因此，在一般簡(jiǎn)化計(jì)算中，只用一定溫度范圍內(nèi)的這些參數(shù)的平均值來(lái)求解。焊接過(guò)程中，焊縫區(qū)被急速的加熱，并局部熔化，焊材受熱膨脹，焊接熱應(yīng)力的產(chǎn)生是由于周圍溫度較低區(qū)域的約束，隨著溫度的升高，受熱區(qū)域的屈服極限下降，有部分的焊接熱應(yīng)力的超出了常溫下的屈服強(qiáng)度，這樣，熱壓縮的焊縫區(qū)域形成，經(jīng)過(guò)冷卻降溫，和附件的區(qū)域相比，減小、縮短或者變窄，所以，此區(qū)域就以殘余拉應(yīng)力為主，附近區(qū)域就以殘余壓應(yīng)力為主，而降溫冷卻過(guò)程中由于纖維組織而產(chǎn)生的體積變化發(fā)生在溫度較低的區(qū)域，而且材料有較高的屈服極限，這樣該區(qū)域就會(huì)以殘余壓應(yīng)力為主，而且它的附近區(qū)域會(huì)議殘余拉應(yīng)力為主。 Numerical simulation；Monosymmetric Isection beams；Birthdeath element碩士研究生學(xué)位論文 第一章 緒論 5第一章 緒論 引言近年來(lái)，單軸對(duì)稱焊接工字梁在工程中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，與傳統(tǒng)的雙軸對(duì)稱焊接工字梁相比，其上下翼緣的強(qiáng)度都得到了充分的發(fā)揮，承載能力明顯提高，從而節(jié)省了用鋼量，在鋼材價(jià)格大幅上漲的今天更凸顯其應(yīng)用的價(jià)值[12]，鋼結(jié)構(gòu)的承載力一直是結(jié)構(gòu)領(lǐng)域關(guān)注的焦點(diǎn)，影響單軸對(duì)稱焊接工字梁承載力的因素很多，焊接殘余應(yīng)力是其中一個(gè)非常關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。本文以焊接過(guò)程的有限元理論為基礎(chǔ)，總結(jié)前人的經(jīng)驗(yàn)和成果，應(yīng)用大型通用軟件ANSYS對(duì)焊接過(guò)程進(jìn)行三維數(shù)值模擬，首先采用間接法，對(duì)現(xiàn)有單雙軸對(duì)稱截面焊接工字梁實(shí)驗(yàn)進(jìn)行模擬，以生熱率的形式施加熱源，同時(shí)通過(guò)“控制單元的生死”有效模擬了焊縫金屬的填充、熔化和凝固過(guò)程，有限元計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果比較吻合，證實(shí)了計(jì)算模型的有效性，為用有限元分析焊接工字形截面梁殘余應(yīng)力提供了一種方法，并對(duì)單雙軸對(duì)稱截面焊接工字梁殘余應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算對(duì)可知：?jiǎn)屋S對(duì)稱截面梁上下翼緣殘余應(yīng)力分布曲線與雙軸對(duì)稱截面上下翼緣殘余應(yīng)力分布區(qū)曲線類似，呈拋物線分布，但單軸對(duì)稱截面上下翼緣殘余應(yīng)力在數(shù)值上并不完全相同，殘余壓應(yīng)力在數(shù)值上有一定差別；單軸對(duì)稱截面梁腹板殘余應(yīng)力分布曲線與雙軸對(duì)稱截面腹板殘余應(yīng)力分布曲線不同，腹板兩端的殘余應(yīng)力并不成對(duì)稱分布，靠近下翼緣一側(cè)的殘余壓應(yīng)力要小于靠近上翼緣一側(cè)的殘余壓應(yīng)力，呈梯形分布。這是由于上下翼緣寬度不同造成溫度場(chǎng)分布不同，從而導(dǎo)致殘余應(yīng)力的不對(duì)稱分布。焊接的技術(shù)核心通常是構(gòu)件局部加熱熔化,隨后是連續(xù)的冷卻[3]。 產(chǎn)生焊接殘余應(yīng)力的情況可以應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)法則來(lái)判斷：熱應(yīng)力為最后冷卻的區(qū)域，焊接拉伸應(yīng)力為主，焊接壓應(yīng)力是在相變的應(yīng)力為主時(shí)。(2)不同類型焊接熱源的影響。如果材料具有足夠的塑性，且結(jié)構(gòu)的受力特征使得其在承載后能充分表現(xiàn)其塑性變形能力，則當(dāng)疊加后的應(yīng)力峰值達(dá)到后就不再增加，僅產(chǎn)生塑性變形。(2)殘余應(yīng)力對(duì)疲勞強(qiáng)度的影響。當(dāng)外載產(chǎn)生的應(yīng)力與結(jié)構(gòu)中某區(qū)域的殘余應(yīng)力疊加之和達(dá)到屈服點(diǎn)時(shí)，這一區(qū)域的材料就會(huì)產(chǎn)生局部塑性變形，喪失了進(jìn)一步承受外荷載的能力，造成結(jié)構(gòu)的有效截面積減小，結(jié)構(gòu)的剛度也隨之降低。應(yīng)該指出，殘余應(yīng)力的影響只在構(gòu)件的一定的長(zhǎng)細(xì)比范圍內(nèi)起作用。而機(jī)械切削加工把一部分材料從工件切去，如切削掉的是承受殘余應(yīng)力的部分金屬，破壞了原來(lái)工件中殘余應(yīng)力的平衡，焊件則產(chǎn)生變形(稱為二次變形)，從而使殘余應(yīng)力重新分布，以求得新的平衡。因此，分析焊接殘余應(yīng)力對(duì)單軸對(duì)稱焊接工字梁整體穩(wěn)定的影響，為其整體穩(wěn)定設(shè)計(jì)提供參考，成為本課題的目的。針對(duì)以上的情況，本文應(yīng)用Ansys對(duì)單軸對(duì)稱焊接工字梁進(jìn)行焊接殘余應(yīng)力三維數(shù)值模擬分析，從而彌補(bǔ)單軸對(duì)稱焊接工字梁在殘余應(yīng)力分析方面的不足，該研究成果無(wú)論是對(duì)承載力設(shè)計(jì)還是工藝設(shè)計(jì)都有一定的參考價(jià)值。二維分析的局限性，推動(dòng)了焊接熱分析向三維方面發(fā)展，但是，三維分析也面臨著各種難題，有待解決，這些難題都是基于焊接本身各種因素的非線性的特點(diǎn)產(chǎn)生的，而不管是幾維問(wèn)題都要急需攻克的一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)，就是收斂和精度效率問(wèn)題，由于大的非線性使得整個(gè)計(jì)算過(guò)程收斂十分困難，計(jì)算時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，王建華(上海交通)和日本大阪大學(xué)進(jìn)行了三維問(wèn)題的研究探討，就三維分析中的關(guān)鍵問(wèn)題，收斂和精度效率問(wèn)題加已分析，提出了一些解決的方法，而且對(duì)一些實(shí)例進(jìn)行了實(shí)際的模擬分析，對(duì)三維分析還有待進(jìn)一步的研究，以能在保證又快又準(zhǔn)確的條件下，更好的模擬復(fù)雜構(gòu)件 [2022]。焊接應(yīng)力應(yīng)變的研究與計(jì)算機(jī)的發(fā)展密切結(jié)合，向著更加精確和細(xì)致的方面拓寬，對(duì)影響焊接應(yīng)力應(yīng)變的因素考慮越來(lái)越多，90年代，焊接應(yīng)力應(yīng)變開(kāi)始考慮焊接過(guò)程當(dāng)中熱源的輻射問(wèn)題、焊接過(guò)程中金屬熔化產(chǎn)生的熔敷現(xiàn)象和焊接構(gòu)件和空氣之間的熱傳遞的問(wèn)題，Mahin等人在考慮了以上的因素的條件下，還考慮了溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)的耦合關(guān)系，選用實(shí)驗(yàn)的方法來(lái)矯正熱源的分布趨勢(shì)，計(jì)算出的焊接應(yīng)力和用衍射中子得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果很好的得到了吻合；接下來(lái)T1996年，顧強(qiáng)陳和紹蕃，應(yīng)用熱彈塑性應(yīng)力分析理論，有限元法計(jì)算了厚板焊接箱型截面的殘余應(yīng)力分布[34]。 焊接殘余應(yīng)力數(shù)值模擬的發(fā)展趨勢(shì)利用計(jì)算機(jī)研究焊接應(yīng)力和變形問(wèn)題始于20世紀(jì)60年代，主要研究一維焊接應(yīng)力的產(chǎn)生機(jī)制[41]。 課題的研究?jī)?nèi)容本課題是單軸對(duì)稱焊接工字梁殘余應(yīng)力數(shù)值模擬及整體穩(wěn)定性分析，采用理論和有限元分析相結(jié)合,循序漸進(jìn)的技術(shù)路線和步驟，主要研究?jī)?nèi)容如下：(1)建立可行的焊接工字形梁焊接處的三維溫度場(chǎng)及殘余應(yīng)力的動(dòng)態(tài)模擬分析方法。并在分析中突出了相變對(duì)焊接過(guò)程的影響，焊接溫度場(chǎng)應(yīng)力場(chǎng)及顯微組織之間的影響。過(guò)程開(kāi)始時(shí)整個(gè)區(qū)域已經(jīng)具有的已知溫度，即：或 ()式中，—表示均勻初始溫度的已知常數(shù)；—表示不均勻初始溫度的已知函數(shù)以下幾類為焊接溫度場(chǎng)中常用的邊界條件：第一類邊界條件，已知邊界上的分度分布 ()第二類邊界條件，已知邊界上熱流密度函數(shù)分布 ()第三類邊界條件，已知邊界上物體與周圍介質(zhì)熱交換函數(shù)分布 ()式中：—單位面積上外熱源；—表面熱交換系數(shù)；—周圍介質(zhì)溫度分布函數(shù)；,—各軸邊界外法線方向余弦。時(shí)間步長(zhǎng)內(nèi)，差分格式建立對(duì)時(shí)間點(diǎn)，加權(quán)系數(shù) 。由此可知僅取溫度場(chǎng)對(duì)應(yīng)力場(chǎng)的單向耦合對(duì)焊接熱彈塑性來(lái)說(shuō)是適合的。塑性應(yīng)變?cè)隽颗c應(yīng)力狀態(tài)流動(dòng)準(zhǔn)則如下： ()式中，—數(shù)量因子； —數(shù)量函數(shù)對(duì)向量的偏導(dǎo)數(shù)；—塑性應(yīng)變?cè)隽?。假設(shè)材料在塑性區(qū)域內(nèi)的屈服條件： ()上式子中：屈服函數(shù)。以機(jī)械加工為列，往往需要估算和控制工件溫度場(chǎng)；分析不同工作條件下，不同材料及幾何形狀對(duì)溫度場(chǎng)變化的影響；以及防止加工過(guò)程中缺陷的產(chǎn)生。使用實(shí)常數(shù)TCC，它可以是時(shí)間與溫度的函數(shù)。材料的熱焓ENTH可以通過(guò)在ANSYS中定義材料屬性的時(shí)候直接指定，也可不特別的指出。一般稱這種涉及兩個(gè)或多個(gè)物理場(chǎng)相互作用的問(wèn)題為耦合場(chǎng)分析。網(wǎng)格劃分的越密，計(jì)算精度越高，計(jì)算時(shí)間越長(zhǎng)，反之計(jì)算精度變低，計(jì)算時(shí)間越短。熱流率主要應(yīng)用點(diǎn)熱源，應(yīng)用于線單元中，熱流流入節(jié)點(diǎn)為熱源輸入（正），但是點(diǎn)熱源會(huì)使溫度場(chǎng)的溫度分布出現(xiàn)局部的溫度帝都過(guò)大，所以我們主要選用面和體熱源的形式。(3)雙橢球型熱源模型 用橢球型熱源分布函數(shù)計(jì)算時(shí)發(fā)現(xiàn)，橢球前半部分溫度梯度不像實(shí)際中那么陡變，而橢球的后半部分溫度梯度分布較緩慢。在ANSYS中，要達(dá)到單元“死”的效果，就是將單元的剛度矩陣乘以一個(gè)足夠小的因子[ESTIF]，“死單元”的單元載荷將為0，從而不對(duì)載荷向量