【正文】 39 ]中采用截面法對焊接單軸對稱工字形截面的殘余應(yīng)力分布進(jìn)行了測量，根據(jù)實(shí)測值，建立了接近試驗(yàn)情況的單軸對稱工字形截面殘余應(yīng)力分布模型 [11 ]。通過近年來三維焊接應(yīng)力變形數(shù)值模擬研究現(xiàn)狀，取得的進(jìn)展和現(xiàn)有關(guān)鍵問題的 分析可知，提高模擬計(jì)算的精度和效率是今后焊機(jī)模擬的關(guān)鍵問題 [40]： (1)采用合適的熱源模型和動態(tài)可逆自適應(yīng)網(wǎng)格生成技術(shù)可以減少網(wǎng)格和結(jié)點(diǎn)數(shù)目，在保證計(jì)算精度的同時(shí)，可大大提高運(yùn)算效率 ,但其技術(shù)細(xì)節(jié)及準(zhǔn)確性等迄今尚無報(bào)道； (2)通過適當(dāng)調(diào)整材料高溫性能參數(shù)有利于有限元解的收斂性，提高計(jì)算效率 。 第二章 焊接過程有限元分析理論 焊接過程有限元分析特點(diǎn) 采用時(shí)間和空間有限元法，相同程度構(gòu)件細(xì)節(jié)采用彈性構(gòu)件分析，探討焊接過程中，焊料和焊件之間的熱 力關(guān)系、焊接殘余應(yīng)力應(yīng)變，以下為焊接過程中應(yīng)用有限元分析的特點(diǎn) : (1)建立三維數(shù)值模擬模型，至少焊縫和焊縫附件是如此，用來考慮表面和內(nèi)部由于冷卻產(chǎn)生的不用影響； (2)溫度場模擬是典型的瞬態(tài)非線性，材料的熱物理屬性與溫度有關(guān)， 產(chǎn)生的溫度梯度與時(shí)間和位置相關(guān)，但又是極不相同； (3)局部熱產(chǎn)生的歷史和力學(xué)的應(yīng)力應(yīng)變歷史將決定局部焊接過程中材料的瞬態(tài)行為； (4)焊接過程中材料將發(fā)生熔敷以及凝固，將改變材料的顯微組織而且在焊后將會改變構(gòu)件的連接； (5)連續(xù)介質(zhì)的概念將受到懷疑，因?yàn)榭赡茉谂R界點(diǎn)發(fā)生缺陷和裂紋； 即使是現(xiàn)在，也無法很好的解決收斂和誤差估計(jì)困難的難題。本文僅研究了單向耦合問題。是指在空間域里面，先 假設(shè)一個(gè)內(nèi)部溫度成線性分布的單元，在根據(jù)變 分的公式來導(dǎo)出單元節(jié)點(diǎn)的溫度常系數(shù)的一階微分方程組；在時(shí)間域里面，在根據(jù)有限差分法把其轉(zhuǎn)化成單元節(jié)點(diǎn)溫度的線性遞推公式方程組，在將各個(gè)單元矩陣相互疊加，這樣就得到了所有單元的節(jié)點(diǎn)溫度的線性方程組，之后就可以把非線性問題轉(zhuǎn)化為線性問題求解，有限非線性問題很難轉(zhuǎn)化為線性問題，可采用加權(quán)殘數(shù)法，即構(gòu)件插值函數(shù) [13,49,50]。 不同的差分格式的取得，可以改變式 (218)中的 ? 的數(shù)值： 0?? 向前差分格式 21?? GrankNicolson 格式 32?? 伽遼金格式 1?? 向后差分格式 要消除可能發(fā)生的高階單 元非正常的震動或者嚴(yán)重的非線性可以采用向后差分的格式，擁有無條件下的穩(wěn)定性能；同樣具有有無條件下穩(wěn)定性能的還有，計(jì)算時(shí)間取得比較小，計(jì)算精度較高，不易出現(xiàn)衰減振蕩現(xiàn)象的 GrankNicolson 格式；還有一個(gè)常用的差分格式為伽遼金格式，其介于上面兩種方法之間 [13,50]。 它從能量的角度分析出金屬塑性變形的準(zhǔn)則條件，即變形能條件，使用于有明顯臨界點(diǎn)的結(jié)構(gòu)。 屈服面是材料中以塑性功的大小為基礎(chǔ)在尺寸上擴(kuò)張的為等向強(qiáng)化模型。 0f 與塑性應(yīng)變和溫度有關(guān)的屈服應(yīng)力函數(shù)。 ANS YS 作為新穎的有限元分析軟件在熱分析問題方面具有強(qiáng)大的動能，而且截面友好，易于掌握?？梢灾苯又付ㄆ鋽?shù)值，也可以利用數(shù)據(jù)表進(jìn)行輸入。不特別指出的時(shí)候， ANSYS將根據(jù)已經(jīng)定義物理參數(shù)自動的計(jì)算熱焓的數(shù)值。 ANSYS 提供了兩種分析耦合場的方法：直接耦合與間接耦合、 (1)直接耦合 直接耦合的耦合單元應(yīng)該具有和溫度場和應(yīng)力場對應(yīng)的所用自由度，應(yīng)用耦合單元只要通過一次計(jì)算 就可得到所要的溫度場和應(yīng)力場的分析結(jié)果。網(wǎng)格劃分的越密，計(jì)算精度越高，計(jì)算時(shí)間越長，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)熱源會使溫度場的溫度分布出現(xiàn)局部的溫度帝都過大，所以我們主要選用面和體熱源的形式。 確定數(shù)值模擬中的熱源模型，即確定合理的焊接熱流分布函數(shù)，使模擬的溫度場符合實(shí)際焊接的情況；熱源模型的建立準(zhǔn)則是熔池邊界準(zhǔn)則，即與實(shí)際焊接相比輸入形同熱量情況下，如果使用所選熱源模型所模擬得到的熔池區(qū)域邊界與實(shí)際焊縫融合線相符，那么就認(rèn)為此熱源模型是合理的 [52 ]；對于現(xiàn)有熱源模型的選擇使用及發(fā)展均以此為準(zhǔn)則作為出發(fā)點(diǎn)，同時(shí)這一準(zhǔn)則也為判斷所選模型是否合理提供了依據(jù)；事實(shí)上，我們總是依據(jù)不同焊縫的熱源特點(diǎn)和表現(xiàn)出的不同形貌特征來選擇熱源模型，以使得模擬得到的熔池邊界區(qū)域與實(shí)際焊縫熔合線相符，這樣得到的焊接溫度場數(shù)值模擬的結(jié)果是能夠滿足焊接力學(xué)分析的要求的。網(wǎng)格的劃分具有規(guī)則形狀，且對載荷的施加和收斂性的控制具有明顯優(yōu)勢的即映射劃分，因此，實(shí)際 應(yīng)用中一般優(yōu)先選擇映射網(wǎng)格劃分，當(dāng)不能應(yīng)用映射劃分的時(shí)候我們在考慮自由劃分。ANSYS 不僅能解決純粹的熱分析問題，還能解決與熱相關(guān)的其他諸多問題，如熱力分析、熱 電分析、熱 磁分析等。 相變潛熱存在于焊接過程中，對于焊接溫度場來說考慮相變潛熱的影響是十分重要的，在 ANSYS 中通常會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時(shí)間的積分即得出熱焓： ?? dTtCH )(? () 式中， T絕對溫度值 ； 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)的耦合場問題： ? 電力機(jī)械 ? 焦耳加熱 ? 感應(yīng)加熱 ? 感應(yīng)激勵 ? 射頻加熱 ? 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 CONTA17 CONTA17 CONTA173 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)力模擬過程分析 ANSYS 軟件及 APDL 語言簡介 在實(shí)際生產(chǎn)過程當(dāng)中，常常會遇到多 種多樣的熱量傳遞問題：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。 T 為焊接過程中的溫度。 這個(gè)法則因其在幾何上的解釋，即塑性應(yīng)變增量向量的方向與屈服面的法向一致，又被稱為法向流動法則。 焊接過程在熱彈塑性分析的基礎(chǔ)上，做如下假設(shè) : (1)應(yīng)用米塞斯 （ Von Mises） 屈服準(zhǔn)則作為材料的屈服準(zhǔn)則； (2)塑性流動準(zhǔn)則和強(qiáng)化準(zhǔn)則為塑性區(qū)內(nèi)行為準(zhǔn)則； (3)溫度應(yīng)變與彈塑性應(yīng)變緊密相連； (4)應(yīng)力應(yīng) 變及其與溫度有關(guān)的熱物理力學(xué)性能，發(fā)生線性變化在微小的時(shí)間增量內(nèi)。 由泰勒級數(shù)展開展開式可得： ? ?? ? ? ?? ? ? ?? ? ? ?21 tTTT ttttt ????? ???? ??? () ? ?? ? ? ?? ? ? ?? ? ? ?2tTTtTt ttttt ??????? ???? ?? () 以上的兩個(gè)式子代入 （ 28） ，把 ??Q 作同樣的展開，便可以得到 ? ?tt ?? 時(shí)刻由 ???T 表示而定的 ??? ?tt ??T 矩陣方程： ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ? ? ? ? ?? ? tttttt TKCtTKCt ???? ???? ????????? ?????????? ?? ???? 1111 () 在上面的式子中，上標(biāo) ? 是 ? ??C ,? ??K 矩陣依據(jù) ? ?tt ??? 時(shí)刻產(chǎn)生的溫度 ??? ?ttT ?? 計(jì)算得出的，計(jì)算后，非線性微分方程組就被轉(zhuǎn)化成非線性的代數(shù)方程組。 非線性瞬態(tài)溫度場傳熱分析 瞬態(tài)溫度場的溫度函數(shù)不單單包含空間域函數(shù)，還有時(shí)間域函數(shù)，這是瞬態(tài)溫度場和穩(wěn)態(tài)溫度場的主要差別。圖 也可以簡化為 ，強(qiáng)烈影響用實(shí)箭頭表示，較弱影響用虛線箭頭表示。 課題研究技術(shù)路線 本課題是單軸對稱焊接工字梁殘余應(yīng)力數(shù)值模擬，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： 首先收集資料進(jìn)行理論分析，結(jié)合已有實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛯?gòu)件作初步設(shè)計(jì)，勾勒出具體的模型， 應(yīng)用 Ansys 中的熱分析和靜力分析 ,對所建模型進(jìn)行三維有限元模擬，求出模型焊接殘余應(yīng)力的分布與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相比較，驗(yàn)證分析的正確性。在大多數(shù)情況下，焊接應(yīng)力變形是三維問題，特別是現(xiàn)代焊接結(jié)構(gòu)越來越大型復(fù)雜化，而且還存在許多不確定因素 ,雖然有些可以簡化為二維問題分析 [4 445 ]，但是在實(shí)際工程中真正可以簡化的例子并不多，因此三維焊接應(yīng)力變形模擬是必然趨勢。 20xx年，北京大學(xué)的楊娜，龍麗華等人以有限元分析軟件 ANSYS為工作平臺 ,基于非線性板殼有限元理論 ,采用殼單元對輕型門式剛架中 H型鋼楔形薄壁梁進(jìn)行考慮雙重非線性的全過程分析 ,分析了殘余應(yīng)力，對變截面和等截面 H型鋼梁的相關(guān)屈曲性能的影響 ,殘余應(yīng)力的存在與否對構(gòu)件相關(guān)屈曲性能影響很大 ,因此 ,在 H型鋼楔形梁的相關(guān)屈曲分析中必須考慮縱向殘余應(yīng)力的影響，殘余應(yīng)力峰值越大 ,構(gòu)件延性越好 ,但是同時(shí)極限承載力越低 [3 6,37 ]。科技的發(fā)展總是由簡單到復(fù)雜，二維焊接應(yīng)力應(yīng)變的完善，使得三維分析初見端倪， Chidiac(加拿大 )首次在厚板的應(yīng)力應(yīng)變中建立了三維的有限元的溫度場分析模型，考慮了焊接過程中，由 于高溫熔化，而導(dǎo)致的材料本身顯微晶體組織的變化和生長。 國內(nèi)外的焊接殘余應(yīng)力研究的現(xiàn)狀 起始于 20 世紀(jì) 30 年代的一些簡單的試驗(yàn)的測量和數(shù)據(jù)的整理，開始了人們對焊接應(yīng)力應(yīng)變進(jìn)行分析和研究，然后 50～ 60 年代通過研究人員理論經(jīng)驗(yàn)和數(shù)據(jù)的不斷積累逐漸的形成了一些在理論方面的權(quán)威理論作品例如梅蘭和帕爾庫斯的《由于定常溫度場而產(chǎn)生的熱應(yīng)力》 [22 23]和帕爾庫斯單獨(dú)寫的《非 定常熱應(yīng)力》[24]，全面的總結(jié)當(dāng)時(shí)人們在焊接應(yīng)力應(yīng)變方面取得的一些進(jìn)展。羅森賽爾在熱源方面的突破，其通過熱分析中的以有的理論熱傳導(dǎo)的方程，研究了在固體中動態(tài)熱源的傳導(dǎo)問題；而正式在焊接過程理論方面進(jìn)行一系列的研究的是 Rykalin 院士 (蘇聯(lián) )，他的理論分析把熱源具體的劃分為了，點(diǎn)熱源、線熱 源和面熱源，這三種熱源的表現(xiàn)形式，現(xiàn)在仍在使用，但是在分析過程中其沒有研究材料的高溫物理性能變化和對方程的解答產(chǎn)生影響的構(gòu)件在大小方面等因素，焊接過程中的關(guān)鍵問題就是在于，其焊接鋼材的材料屬性是隨著溫度的變化而變化的，并且不是呈現(xiàn)線性變化趨勢，整個(gè)過程都是呈現(xiàn)為非線性的變化，之間鋼材會發(fā)生各種復(fù)雜的變化，單純的應(yīng)用固定溫度下的材料的屬性，是無法很好的模擬真?zhèn)€焊接的過程，得到和現(xiàn)實(shí)相符合的結(jié)果，而焊接過程的在焊縫區(qū)域的非線性變化是研究焊接問題的重點(diǎn)，該理論在實(shí)用方面還存在一定的缺陷 [1214]。要分析焊接殘余應(yīng)力對單軸對稱焊接工字梁整體穩(wěn)定的影響，就先要得到其殘余應(yīng)力分布， 許多國家用各種方法對構(gòu)件中的殘余應(yīng)力 進(jìn)行了測量 ,并通過統(tǒng)計(jì)分析 ,給出了普通工字型鋼、焊接雙軸對稱工字形鋼、軋制 H型鋼等截面的殘余應(yīng)力分布圖 ， 但是 ,能查閱到的有關(guān)單軸對稱焊接工字形截面殘余應(yīng)力分布的文獻(xiàn)較少 ，因此，準(zhǔn)確全面的了解單軸對稱焊 接工字梁殘余應(yīng)力的分布對其整體穩(wěn)定設(shè)計(jì)具有重要意義 [8 ]。保證焊件加工精度最徹底的辦法是先消除焊接殘余應(yīng)力，然后再進(jìn)行機(jī)械加工，有時(shí)也可以在機(jī)械加工 工藝上做些調(diào)整來達(dá)到這個(gè)目的。當(dāng)桿件的長細(xì)比較大 (150)，它的臨界應(yīng)力本來就比較低時(shí)，或者當(dāng)殘余應(yīng)力的數(shù)值較低時(shí)，外載應(yīng)力與殘余應(yīng)力之和在失穩(wěn)前仍 未達(dá)到屈服強(qiáng)度，則殘余應(yīng)力對穩(wěn)定性不會產(chǎn)生影響。特別是采用大量火焰校正后的焊接梁， 在加載后可能產(chǎn)生較大的變形，而卸載后回彈量不足，應(yīng)予重視。如果構(gòu)件中存在著殘余應(yīng)力，則它將始終作用于應(yīng)力循環(huán)中，使整個(gè)應(yīng)力循環(huán)的應(yīng)力值偏移一個(gè)值，這種偏移只改變其平均值，不改變其幅值。只要材料有足夠的塑性變形能力且能在承載后充分地表現(xiàn)出來，殘余應(yīng)力的存在就不影響構(gòu)件的承載能力，即對構(gòu)件的靜載強(qiáng)度沒有影響。焊接熱源的種類、熱源能量密度的分布、熱源的移動速度、被焊接件的形狀與厚度都直接影響著熱源引起的溫度場分布，因而也改變著焊接殘余應(yīng)力的分布規(guī)律。 焊接應(yīng)力的產(chǎn)生和發(fā)展是一個(gè)隨加熱與冷卻而變化的材料熱彈塑性，應(yīng)力應(yīng)變動態(tài)過程。殘余應(yīng)力的峰值甚至可能達(dá)到或超過材料的屈服極限 ,當(dāng)這些焊接構(gòu)件投入使用時(shí) ,它們所受載荷引起的工作應(yīng)力與其內(nèi)部的焊接殘余應(yīng)力相疊加 ,將導(dǎo)致焊接構(gòu)件產(chǎn)生二次變形和 焊接殘余應(yīng)力的重新分布 ,是的其在鋼材的保證穩(wěn)定性能的尺寸和它的剛度方面的能力下降了 [5 ]。通過對單軸對稱焊接工字梁殘余應(yīng)力的模擬計(jì)算，為以后焊接結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供重要依據(jù)。我國現(xiàn)行鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范 (GB5001720xx )中只提出了雙軸對稱焊接工字梁的整體穩(wěn)定系數(shù)，其他截面只能借用，合適與否，需要進(jìn)一步的證明。 web thickness while maintaining the same circumstances, to change the he