【正文】 AREA39。對(duì)導(dǎo)師半年來在學(xué)業(yè)、科研上的指導(dǎo)、關(guān)懷和幫助，作者表示衷心的感謝。因此，在關(guān)于焊接殘余應(yīng)力數(shù)值分析中應(yīng)該充分考慮到相變作用的影響。但是目前對(duì)焊接的殘余應(yīng)力的研究還不是很多，國內(nèi)外許多學(xué)者都越來越關(guān)注在焊接過程中所產(chǎn)生的殘余應(yīng)力的研究。冷卻后，焊接區(qū)比周圍區(qū)域相對(duì)縮短，變窄或減小，因此，這個(gè)區(qū)域就呈現(xiàn)拉伸殘余應(yīng)力，周圍區(qū)域承受壓縮殘余應(yīng)力。圖()和圖（）是進(jìn)行一級(jí)焊時(shí)候的溫度場，可以看見焊縫區(qū)及其附近已達(dá)到融化狀態(tài)；圖()二級(jí)焊時(shí)的瞬態(tài)溫度場，焊縫區(qū)的溫度都已達(dá)到1500℃，這是溫度梯度比較大，可以很明顯看出焊件正在加熱，因?yàn)殡x焊縫遠(yuǎn)的部位還處于室溫狀態(tài)；圖（）是焊件的冷卻過程中的溫度，可以看到焊縫區(qū)的溫度逐漸降低，非焊縫區(qū)的溫度逐漸上升，而且，隨離焊縫的距離增大而減少，()和圖（ ）可以發(fā)現(xiàn)，在焊縫兩側(cè)溫度分布是一樣的。一般計(jì)算結(jié)果中能量誤差值應(yīng)低于10%，否則需將網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)化 [27]。ANSYS 的方程求解器計(jì)算多個(gè)聯(lián)立線性方程來預(yù)測(cè)工程系統(tǒng)的響應(yīng)，然而非線性結(jié)構(gòu)的行為不能直接用多個(gè)線性方程表示，而需要多個(gè)帶校正的線性近似求解。焊接熱源隨著焊縫單元的“復(fù)活”逐漸加到焊縫單元上。步長越小，計(jì)算精度越高，同時(shí)計(jì)算的時(shí)間越長。施加約束后的模型如圖所示。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。在焊接過程的數(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]。所以直接計(jì)算周長較長，不夠靈活。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)力以及焊接過程中的溫度變化。2模擬分析過程在過去的近幾十年，計(jì)算機(jī)對(duì)科學(xué)技術(shù)的深遠(yuǎn)影響是無庸置疑的，它大大的拓展了工程問題的可解范圍，工程領(lǐng)域中大多數(shù)力學(xué)問題和場問題，如固體力學(xué)中的位移場、應(yīng)力場問題，熱傳導(dǎo)中的穩(wěn)態(tài)和瞬念溫度場分析，流體力學(xué)中的流場問題，量子場理論，材料相轉(zhuǎn)化的起源，金屬裂紋的傳播問題等，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、外加荷載過于復(fù)雜，往往無法求得其精確的解析，處理此類復(fù)雜工程問題的途徑一般是：引入簡化假設(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。焊接過程中一般無外力作用，殘余應(yīng)力主要由焊接過程中不均勻熱循環(huán)作用引起 [19]。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。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各個(gè)領(lǐng)域進(jìn)行了基礎(chǔ)性的廣泛研究。近年來國內(nèi)學(xué)者于各自不同的專業(yè)領(lǐng)域（包括建筑結(jié)構(gòu)、金屬制作加工等）對(duì)鋼構(gòu)件中的焊接殘余應(yīng)力的分卸特點(diǎn)、規(guī)律以及其對(duì)構(gòu)件屈曲、穩(wěn)定的影響和焊接接頭的疲勞性能等方面作了廣泛的研究。當(dāng)板件較厚時(shí)因坡口焊縫收縮受到很大約束而出現(xiàn)三軸殘余拉應(yīng)力引起的脆性斷裂，正是出于鋼構(gòu)件在焊接加工過程中，產(chǎn)生了接近屈服極限的殘余應(yīng)力。本文是本人的畢業(yè)設(shè)計(jì)論文，經(jīng)過作者閱讀了大量的文獻(xiàn)后獨(dú)立完成的，其中部分觀點(diǎn)是引用三峽大學(xué)游敏教授等人的，由于本人的水平實(shí)在有限，還存在許多不足之處，希望各位批評(píng)指正。 Residual stress。作者簽名 年 月 日學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書本學(xué)位論文作者完全了解學(xué)校有關(guān)保障、使用學(xué)位論文的規(guī)定，同意學(xué)校保留并向有關(guān)學(xué)位論文管理部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán)省級(jí)優(yōu)秀學(xué)士學(xué)位論文評(píng)選機(jī)構(gòu)將本學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文。 Temperature field.前言焊接是一個(gè)涉及傳熱學(xué)、電磁學(xué)、材料冶金學(xué)、固體和流體力學(xué)等多學(xué)科交叉的復(fù)雜過程。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圍，特別是今年來我國可持續(xù)發(fā)展觀的提出，鋼結(jié)構(gòu)體系在我國的建筑產(chǎn)業(yè)中呈現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。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]。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。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。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。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。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。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。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。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。而且，映射網(wǎng)格具有規(guī)則形狀，明顯成排的單元。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。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???24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（ )。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。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。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。 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。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。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。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。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。 CMSEL,S,_Y !* MSHKEY,1AMESH,_Y1 MSHKEY,0!* CMDELE,_Y CMDELE,_Y1 CMDELE,_Y2 !* CM,_Y,AREA ASEL, , , , 2 CM,_Y1,AREA CHKMSH,39。 CMSEL,S,_Y !* MSHKEY,1AMESH,_Y1 MSHKEY,0!* CMDELE,_Y CMDELE,_Y1 CMDELE,_Y2 !* ESIZE,0, TYPE, 1 MAT, 1REAL, ESYS, 0 SECNUM, TSHAP,LINE !* CM,_Y,AREA ASEL, , , , 1 CM,_Y1,AREA CHKMSH,39。因此，我們有理由相信，隨著人們對(duì)焊接殘余應(yīng)力認(rèn)識(shí)的深入和計(jì)算機(jī)技術(shù)的高度發(fā)展，焊接殘余應(yīng)力數(shù)值模擬技術(shù)具有廣闊的應(yīng)用前景，由異種接頭殘余應(yīng)力引起的接頭的失效問題也將得到很好的解致謝本文能夠順利完成，與導(dǎo)師余海洲的悉心指導(dǎo)和精心的培養(yǎng)分不開的。其次，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。 未來的展望如何調(diào)整和控制焊接殘余應(yīng)力一直是工程界廣泛關(guān)注的問題，這是因?yàn)樗鼈兊拇嬖谥苯雨P(guān)系到焊接結(jié)構(gòu)的安全可靠性 [29][30]。焊接區(qū)材料受熱膨脹，熱膨脹受到周圍較冷的區(qū)域的約束，并造成熱應(yīng)力，受熱區(qū)域溫度升高后屈服強(qiáng)度極限下降，熱應(yīng)力可部分超過該屈服極限，這樣焊接區(qū)形成了塑性的熱壓縮。可見，焊件上的傳熱過程是一個(gè)非穩(wěn)定狀態(tài)的傳熱過程。ANSYS中的誤差估計(jì)是基于能量分布的，它主要考慮了單元網(wǎng)格的尺寸精度。對(duì)于焊接一般采用程序自動(dòng)選擇求解器的方法可得到比較好的計(jì)算效果。為了模擬多層焊縫的焊接過程，本課題采用兩級(jí)焊縫，建模時(shí)已經(jīng)以圓弧形式將各級(jí)焊縫區(qū)分，當(dāng)?shù)谝粚雍缚p開始焊接時(shí)，該層單元處于“活”的狀態(tài)，其余焊縫則處于“死”的狀態(tài)，對(duì)溫度場和應(yīng)力場的計(jì)算不起作用，第 2 層焊縫開始焊接時(shí)，該層焊縫的單元“復(fù)活” 。時(shí)間步長的大小關(guān)系到計(jì)算的精度。 設(shè)置求解選項(xiàng)，并施加約束在求解處理器中定義分析類型為瞬態(tài)分析，求解方式為完全法，對(duì)焊件的底邊和側(cè)邊分別約束 Y 向與 X 向位移并施加初始溫度荷載。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。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