【正文】 指出的是，溫度場計(jì)算是標(biāo)量計(jì)算，計(jì)算耗用的時(shí)間相對進(jìn)行矢量計(jì)算的應(yīng)力應(yīng) 變過程要少的多。在模擬計(jì)算時(shí)，采用 ANSYS軟件的熱 結(jié)構(gòu)耦合功能，利用溫度場與應(yīng)力應(yīng)變場直接耦合進(jìn)行焊接應(yīng)力和變形的計(jì)算。 本文對于焊接殘余應(yīng)力的研究主要包括以下幾點(diǎn)： 1：在焊接過程和 焊后冷卻過程中，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)性能對焊接殘余應(yīng)力產(chǎn)生的影響 。 研究的主要內(nèi)容 焊接溫度場 焊接應(yīng)力和變形的演變過程因焊接過程的特點(diǎn)而變得更為復(fù)雜，并與焊接溫度場直接相關(guān)。同時(shí) ， 在此期間 ， 人們關(guān)于焊接熱應(yīng)力和舍屬運(yùn)動的實(shí)驗(yàn)研究一直沒有間斷過。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)力是入們幾十年來對于鋼結(jié)構(gòu)脆性斷裂事故原因所形成的規(guī)律性認(rèn)識，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 ,都比過去大大降低了鋼結(jié)構(gòu)體系的安全儲備，從而增加了斷裂事故發(fā)生的幾率 [12][13][14]。 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 我國在殘余應(yīng)力領(lǐng)域的研究起步較晚，上世紀(jì)八十年代的殘余應(yīng)力早期研究學(xué)者張錠全作了殘余應(yīng)力、表面強(qiáng)化和金屬疲勞方面的研究，其研究課題 “ 缺口殘余應(yīng)力集中及其對疲勞性能的影響 ” 表明疲勞性能不僅與殘余應(yīng)力的分布和大小、材料的彈性性能、外來作用應(yīng)力的狀態(tài)有關(guān)，還與殘余應(yīng)力的發(fā)生過程有關(guān)，而在研究這些影響的過程中給予定量的估計(jì)其影響是及其困難的。近年來對于鋼結(jié)構(gòu)脆性斷裂的事故分析表明，焊接區(qū)的鋼材，尤其是處于三向受拉狀態(tài)的焊接熱影響區(qū)得鋼材，韌性大幅降低。 本文通過用有限元方法模擬研究平板對接焊接焊縫溫度場分布、殘余應(yīng)力分布、溫度場與殘余應(yīng)力的關(guān)系，不僅可以從中得到焊接殘余應(yīng)力的影響因素，了解焊接殘余應(yīng)力在連續(xù)分布規(guī)律，全面掌握結(jié)構(gòu)的特性，而且可以通過優(yōu)化焊接方法、順序和工藝，控制（減?。┖附討?yīng)力和變形，另外還可以節(jié)約大量的實(shí)驗(yàn)費(fèi)用，有效地縮短研制和開發(fā)周期，因此是一種高效低成本的優(yōu)化工藝的方法和預(yù)測與控制技術(shù)。 Numerical Simulation。本人完全意識到本聲明的法律后果由本人承擔(dān)。 本學(xué)位論文屬于 保密 □，在 _________年解密后適用本授權(quán)書。由焊接產(chǎn)生的動態(tài)應(yīng)力應(yīng)變過程及其隨后形成的殘余應(yīng)力，是導(dǎo)致焊接裂紋和接頭強(qiáng)度與 性能下降的重要因素。鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與施工技術(shù)也得到了飛速的發(fā)展并取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益，近年來我國在沿海深厚軟土地區(qū)和 8 度地震區(qū)及以上高烈度區(qū)采 用高層鋼結(jié)構(gòu)形式獲得了可觀的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。 焊接殘余應(yīng)力是影響焊接結(jié)構(gòu)后焊接部件的脆性斷裂強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度、壓曲穩(wěn)定性、振動 特性和耐腐蝕性能的重要因素；同時(shí)，殘余應(yīng)力的存在，還嚴(yán)重的影響了結(jié)構(gòu)的機(jī)加工精度和尺寸穩(wěn)定性。天津大學(xué)做了提高焊接接頭疲勞性能的技術(shù)研究，提出焊接結(jié)構(gòu)的疲勞問題以及研究的意義，進(jìn)行了系統(tǒng)的疲勞失效原因分析，論述了應(yīng)力集中及殘余應(yīng)力對疲勞強(qiáng)度的影響。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)力簡單程序用于分析焊接時(shí)的熱應(yīng)力，即后來所說的一維分析。最值得提出的是 Trufyakov 對在不同應(yīng)力循環(huán)特征下焊接殘余應(yīng)力對接頭疲勞強(qiáng)度影響的研究。焊接過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。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。分為兩級焊縫焊接，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 ； 在對接接頭的正反兩面同時(shí)開始焊接 ； 不考慮粘彈塑性和蠕變 ； 忽略電弧對焊件的輻射 ； 忽略熔池流體的流動作用 ； 材料為理想塑性材料。在這里，雖然焊接溫度場與應(yīng)力應(yīng)變場是雙 向耦合的，由于應(yīng)變場對溫度場的影響非常小，加上計(jì)算條件的限制，所以本文只考慮溫度場對應(yīng)力應(yīng)變場這一單向耦合。 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 20 500 1000 1500 2020 7860 34 983 鋼 20 500 1000 1500 2020 8030 502 圖 簡化二維對接接頭模型 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。這對載荷的施加和收斂的控制是相當(dāng)有利的。 載荷的施加 對于焊接熱源載荷，在 ANSYS 中可以熱流密度或生熱率兩種形式施加。 在本課題，受到硬件條件的限制，簡化將焊接過程設(shè)置為 7 個(gè)載荷步。為此，需作如下設(shè)置 :采用 Full Newton Raphson(牛頓 拉普森 )方法，每進(jìn)行一次平衡迭代，就修正一次剛度矩陣，同時(shí)激活自適應(yīng)下降功能 ； 打開自動時(shí)間步長；打開時(shí)間步長預(yù)測 ； 時(shí)間步長的設(shè)置通常對計(jì)算精度產(chǎn)生很大的影響，步長越小，計(jì)算越精確，但過小的時(shí)間步長需要很大的計(jì)算機(jī)容量和很長的計(jì)算時(shí)間。 ANSYS 軟件的后處理包括通用后處理 POSTI 和時(shí)間歷程后處理 POST26 兩大模塊。 圖 ()圖（ ） 是各個(gè)溫度的瞬態(tài)變化圖，依次描繪了各個(gè)關(guān)鍵時(shí)刻的溫度場，能夠反映在焊接過程中焊縫的融合區(qū)的金屬通過加熱，然后熔化和 隨后冷卻凝固的全部的過程。還可以看見焊件受溫差作用而引起的熱應(yīng)力，這種瞬時(shí)熱應(yīng)力隨時(shí)間急劇變化，當(dāng)溫度梯度較大、隨時(shí)間的變化率較大時(shí)，這種瞬態(tài)內(nèi)應(yīng)力作用在焊件的內(nèi)部。 4 全文總結(jié)與展望 全文總結(jié) 本文對 Q235 鋼 對接 接頭焊接過程產(chǎn)生的溫度場、應(yīng)力場及焊后的殘余應(yīng)力進(jìn)行了模擬研究，提出了基于 ANSYS 軟件的焊接溫度場 和 應(yīng)力的模擬分析方法，通過本文研究，可以得出以下結(jié)論。如極厚板焊接殘余應(yīng)力分析以及為降低和調(diào)整管道結(jié)構(gòu)焊后內(nèi)表面殘余拉應(yīng)力所提出的許多焊接工藝與方法已經(jīng)得到了應(yīng)用。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 [31]。導(dǎo)師的親切關(guān)懷和熱忱指導(dǎo)，作者將銘刻在心。AREA39。AREA39。 事實(shí)上，已有的數(shù)值模擬研究成果已經(jīng)使我們對復(fù)雜的焊接過程有了深入的了解，為解決異種接頭焊接殘余應(yīng)力帶來了新思路和新方法。因此， 建立相應(yīng)的材料特性數(shù)據(jù)庫，也會促進(jìn)焊接殘余應(yīng)力數(shù)值模擬技術(shù)的發(fā)展。 本文的工作還存在以下幾點(diǎn)不足，有待于今后進(jìn)一步改進(jìn) ： （ 1）受到硬件條件的限制，本文采用的是二維模擬，不能夠完全真實(shí)的反映各個(gè)方向的溫度分布和應(yīng)力分布 ； （ 2）由于材料物理性能數(shù)據(jù)的缺乏，本文認(rèn)為兩種材料的線膨脹系數(shù)、熱導(dǎo)率和比熱容是定值，這給最后分析結(jié)果帶來一定的誤差 ； （ 3）沒有考慮熱源問題，在某一層施焊時(shí)，即認(rèn)為給該層施加溫度約束，而不是以熱流 密度加載熱量，這也會給結(jié)果帶來一定誤差 ； （ 4）本文的方法還沒有很好的解決計(jì)算時(shí)間、存儲空間與計(jì)算精度的矛盾； （ 5）本文的方法沒有考慮高溫蠕變和輻射； （ 6）本文的方法沒有考慮熔池的流動對焊接溫度場和應(yīng)力的影響； （ 7）本文沒有考慮對接接頭的焊接順序，認(rèn)為是在正反兩面同時(shí)施焊 ； （ 8）本文的實(shí)例計(jì)算結(jié)果沒有進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。 理論上在焊接過程中，焊接區(qū)以遠(yuǎn)高于周圍區(qū)域的速度被急劇加熱并局部熔化。即當(dāng)焊接熱源接近焊件上某一點(diǎn)的時(shí)候，熱源的熱量將使該點(diǎn)迅速加熱升溫，隨著熱源的離去，熱量將導(dǎo)出而使其溫度降低。在后處理中可通 過列表和繪圖的形式顯示查詢結(jié)果。 ANSYS 中提供了 5 種求解器，選用哪種求解器可依據(jù)求解的自由度數(shù)量、所花費(fèi)的時(shí)間和要求的內(nèi)存而定。這又涉及到單元的 “ 殺死 ” 或 “ 出生 ” 的指定準(zhǔn)則問題及相關(guān)問題。載荷步是為了表達(dá)隨時(shí)間變化的載荷，也就是說把載荷 —時(shí)間曲線分成載荷步，分析時(shí)對于每一個(gè)載荷步都要定義載荷值和對應(yīng)的時(shí)間值，每計(jì)算一個(gè)載荷步時(shí)，都要?jiǎng)h掉上一個(gè)載荷步的溫度，每個(gè)載荷步需要多個(gè)載荷子步。 網(wǎng)格劃分需要如下步驟 ： 1 設(shè)置單元尺寸； 2 激活焊縫材料的屬性； 3 設(shè)定網(wǎng)格劃分方式； 4 儲數(shù)據(jù)庫； 5 生成網(wǎng)格 。顧名思義，自由網(wǎng)格對于形狀單元無限制，三排列不規(guī)則。 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。由于單元開發(fā)技術(shù)上的原因，直接法可供選用的單元較少，而且在分析過程中，需要同時(shí)進(jìn)行溫度場計(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，只需要通過一次求解就能得出耦合場分析結(jié)果 [22]。 雖然焊接溫度場與應(yīng)力應(yīng)變場是雙向耦合的，由于應(yīng)變場對溫度場的影響非常小，加上計(jì)算條件的限制，所以本文只考慮溫度場對應(yīng)力應(yīng)變場這一單向耦合。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產(chǎn)生塑性變形，在冷卻收縮過程中，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。即在循環(huán)特性值較低時(shí)，影響比較大 [17][18]。時(shí)至今日 ， 鑒于開發(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。文獻(xiàn) [11]對鋼結(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)致開裂的誘因。我校游敏教授通過多年的研究分析，認(rèn)為除了母材中的塑性壓縮變形引起焊接殘余應(yīng)力之外，焊縫金屬冷卻時(shí)的收縮受到制約也是導(dǎo)致焊接殘余應(yīng)力產(chǎn)生的重要原因，并據(jù)此原理開發(fā)了調(diào)控焊接接頭橫向殘余應(yīng)力的新技術(shù) [7]。 在鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的連接加工過程中，焊接是一種易產(chǎn)生殘余應(yīng)力的加工工藝，其表現(xiàn)最為明顯，一般在焊接后的冷卻過程中就伴隨著明顯的收縮變形和殘余應(yīng)力，其產(chǎn)生情況會因焊接件的形狀、尺寸和所選用的焊接方法等的不同而異。鋼結(jié)構(gòu)體系具有自重輕、抗震性能優(yōu)、施工周期短、安裝速度快、投資回報(bào)快、綠色無污染等優(yōu)點(diǎn)，從一定程度上反映了國家的綜合經(jīng)濟(jì)實(shí)力和建筑技術(shù)的發(fā)展水平，得到了世界各國的廣泛的應(yīng)用和大力推廣，鋼結(jié)構(gòu)體系的應(yīng)用在歐美已經(jīng)有幾十年的發(fā)展歷史，其施工快、回 收利用便利等諸多優(yōu)點(diǎn)是其他結(jié)構(gòu)形成所無可比擬的，并逐漸成為順應(yīng)時(shí)代發(fā)展趨勢的高效結(jié)構(gòu)體系。 關(guān)鍵詞： 有限元 數(shù)值模擬 殘余應(yīng)力 溫度場 Abstract:In this article, the development and present research situation of the welding residual stress have been critically overviewed ,base on this ,we bring up the purpose and sense of this on the hotstructure coupling analysis using the ANSYS APDL language simulation welding transient state process procedure,which to simulate analysis on the temperature and stress field of the lap joints of Q235 steel, steel between the two materials. then get the distribution of the temperature field and residual stress: There is a tension stress near