【正文】 國內(nèi)外焊接熱分析研究現(xiàn)狀熱傳導(dǎo)問題的研究早在30年代就開始了，首先是D熱源的選取是焊接模擬過程中的關(guān)鍵的問題，在以往的二維問題中應(yīng)用高斯熱源就可以很好的模擬，但對于在三維條件下，高斯熱源有些時候就不能很好的進行模擬，蔡洪能等人提出了熱源模型雙橢球運動電弧作用，應(yīng)用節(jié)點熱燴的判斷方法，進行低碳鋼(A3鋼)板試驗中的焊接溫度場中的溫度分布進行分析，最終和試驗中的結(jié)果的數(shù)據(jù)符合[16,18]。Tnouce，考慮了一些對焊接過程產(chǎn)生影響的溫度因素和焊接溫度場、應(yīng)力場及其焊接過程出現(xiàn)的金屬相變潛熱耦合作用，并且構(gòu)件在上述考慮條件下的焊接過程熱的本構(gòu)方程，為以后在這方面的研究的各位研究人士提供了很好的可以參考的資料；焊接應(yīng)力應(yīng)變的分析由薄板向著厚板，單層焊接向著雙層焊接方向發(fā)展，Shim等人(美國)就在熱彈塑性平面應(yīng)變有限元理論下對多層焊接的厚板件實行了計算，并且比較了不同的焊縫形式(坡口)下的焊接殘余應(yīng)力，以此為依據(jù)，提取了關(guān)于厚板的焊接殘余應(yīng)力的分布的趨勢 [29]。2003年，陳麗敏和陳思作，根據(jù)熱彈塑性應(yīng)力理論、有限元理論,用大型有限元軟件ANSYS對焊接工字型截面梁進行殘余應(yīng)力分析，分析結(jié)果表明，焊接殘余壓應(yīng)力的分布與截面幾何參數(shù)有關(guān),為用有限元分析焊接工字型截面梁殘余應(yīng)力提供了一種方法[35]。20世紀70年代以來由于有限元技術(shù)的發(fā)展，數(shù)值模擬方法在焊接應(yīng)力變形中的研究和應(yīng)用日益廣泛，但基本上是針對二維問題[4243]。(2)通過變化參數(shù)對單軸對稱焊接工字梁進行數(shù)值分析，分析參數(shù)變化對焊后殘余應(yīng)力的分布規(guī)律的影響。強烈影響用實箭頭表示，較弱影響用虛線箭頭表示。 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。由泰勒級數(shù)展開展開式可得： () ()以上的兩個式子代入（28），把作同樣的展開，便可以得到時刻由表示而定的矩陣方程： ()在上面的式子中，上標是,矩陣依據(jù)時刻產(chǎn)生的溫度計算得出的，計算后，非線性微分方程組就被轉(zhuǎn)化成非線性的代數(shù)方程組。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）屈服準則作為材料的屈服準則；(2)塑性流動準則和強化準則為塑性區(qū)內(nèi)行為準則；(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間增量內(nèi)。這個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。 與塑性應(yīng)變和溫度有關(guān)的屈服應(yīng)力函數(shù)。ANSYS作為新穎的有限元分析軟件在熱分析問題方面具有強大的動能，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)表進行輸入。不特別指出的時候，ANSYS將根據(jù)已經(jīng)定義物理參數(shù)自動的計算熱焓的數(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算就可得到所要的溫度場和應(yīng)力場的分析結(jié)果。在數(shù)值模擬中，常常把影響較大的部分細化，影響較小的部分簡化。高斯分布熱源、半球狀熱源、橢球型熱源和雙橢球熱源模型做簡單介紹。雙橢球型熱源模型的提出克服了這個不足，這種模型將前半部被當做一個橢球的四分之一，剩下的部分被當做橢球的額外一個四分之一。因為在求解器中不能生成新的單元，要“出生”一個單元，先“殺死”它，然后在合適的載荷步中重新將它激活[56]。在空氣中焊接時，可以直接把所有節(jié)點初始溫度設(shè)置為室溫。(1)通用后處理POST1可以查看整個模型在某一載荷步或子步的計算值，還可以通過路徑輸出結(jié)果，即按某一規(guī)律變化定義一系列點，或者選中所要選取的點，那么沿所選路徑點的結(jié)果就會通過曲線或云圖顯示，對于任一條曲線上的計算結(jié)果非常方便，同時還可剖開物體查看物體內(nèi)部節(jié)點的計算結(jié)果。定義參考溫度，如焊接前沒有預(yù)熱，則為室溫，反之為預(yù)熱溫度。 后處理與溫度場中所述的后處理一樣，通過兩種后處理器來查看某一時間點焊件上個單元節(jié)點在這個時間點上的各種力學(xué)變化，也可以查看固定的一個節(jié)點單元在不同時間下的各種力學(xué)變化，還可以通過編寫命令程序直接的查看構(gòu)件的整個計算過程中的連續(xù)的動態(tài)過程。設(shè)置的參考溫度值應(yīng)與熱分析中設(shè)置的初始溫度值一樣。 焊接應(yīng)力場的模擬分析 前處理在確保焊接瞬態(tài)溫度場計算準確的前提下，就可以開始焊接應(yīng)力場的模擬計算。如果載荷在某個載荷步上是恒定的，需要設(shè)為階躍；如果載荷隨時間線性變化，則設(shè)定為漸變選型，可通過命令KBC實現(xiàn)。 溫度場的求解設(shè)置(1)定義分析類型及分析選項 焊接溫度場分析為典型的非線性瞬態(tài)分析，即ANTYPE, 4。在填角焊縫或坡口的焊縫中，隨著焊接過程的進行，焊縫的逐漸生成，焊接材料不斷填充到焊縫中，因此某些焊縫單元在焊接開始的時候尚不存在，而是隨著焊接材料的填充才不斷產(chǎn)生的，即假定熱量是均勻的在焊縫單元上施加，熱量被當做內(nèi)部熱源處理，焊料隨著焊接的進行逐步的填充到焊縫上去，還沒有被填充的單元被設(shè)定為“死單元”，直到填充焊縫轉(zhuǎn)化為“活”單元，要真實的實現(xiàn)這一過程就要用到ANSYS中的生死單元技術(shù)。熔池小沖擊和電弧挺度較小時應(yīng)用此模型得到的結(jié)果吻合良好。對焊接過程進行正確的溫度場數(shù)值模擬是成功進行焊接應(yīng)力場模擬的重要前提，而建立合理的熱源模型是數(shù)值模擬結(jié)果準確的可靠保障。 熱單元與結(jié)構(gòu)單元的轉(zhuǎn)換表Table Thermal units and structural units of the conversion table熱單元結(jié)構(gòu)單元Link32Link1Plane35Plane2Sure151Sure153Shell57Shell63Mass71Mass21Solid5S0lid45Solid70Solid45 模型網(wǎng)格的劃分單元的形狀沒有限制，生成不規(guī)則單元的方式即自由劃分。在焊接過程有限元計算中,一般采用等效表面放熱系數(shù)HF,用一個參數(shù)同時考慮輻射與對流的散熱。 焊接溫度場的模擬分析 材料屬性的確定進行焊接模擬時需要定義隨溫度變化的材料屬性，其中包括：導(dǎo)熱系數(shù)kxx、對流系數(shù)，比熱容c，密度dens，線膨脹系數(shù)aplx及焊件的初始溫度。運用ANSYS軟件可進行熱傳導(dǎo)、熱對流、熱輻射、相變、熱應(yīng)力及接觸熱阻等問題的分析求解。依據(jù)塑性區(qū)或彈性在單元中的不同，應(yīng)用、替代上式子中的、形成得出等效節(jié)點載荷和單元剛度矩陣，在匯集成總的總載荷向量和剛度矩陣，整個構(gòu)件平衡方程組 ()式中： () ()焊接過程通常都是在無外力作用下進行，而且各個單元上每個節(jié)點的力是自相平衡的，即可以另，因而。假定屈服面大小保持不變僅僅在屈服方向上移動為隨動強化模型，一個方向的屈服應(yīng)力提高的同時其反方向屈服應(yīng)力應(yīng)下降。在三維主應(yīng)力空間，米塞斯（Von Mises）屈服準則表示為 ()式中，—正交的三個方向的主應(yīng)力；—單向拉伸下屈服極限； —等效應(yīng)力。焊接熱源輸入的熱能焊料升溫消耗一些，結(jié)構(gòu)膨脹做功消耗一些，這樣就要增加一些與應(yīng)力有關(guān)系的項來平衡熱傳導(dǎo)的方程。單元節(jié)點溫度，為形函數(shù)，單元各節(jié)點溫度； ()確定個節(jié)點溫度的矩陣方程，應(yīng)用用伽遼金的加權(quán)殘數(shù)法： ()式中各項的含義考慮系統(tǒng)內(nèi)能的增加和減少的比熱矩陣；包含熱導(dǎo)系數(shù)，熱對流系數(shù)及輻射率和形狀系數(shù)的傳導(dǎo)矩陣；溫度對時間的微分；節(jié)點溫度的列向量；包含熱生成的節(jié)點熱流率，中具有，這些隨著溫度變化而變化的熱物理參數(shù)，所以具有熱分析的非線性。熱源模型，熔池模型，熱力學(xué)性能化學(xué)成分，焊接參數(shù)，晶粒尺寸瞬態(tài)溫度場相變行為力學(xué)特性應(yīng)力與變形顯微組織的形成和發(fā)展熱 應(yīng) 力變 形 熱相變潛熱相變相變應(yīng)力動力學(xué)相變 顯微組織變化、溫度場、應(yīng)力場互相影響 Changes in microstructure、the temperature field、stress field interaction金屬學(xué)顯微組織狀態(tài)場由熱應(yīng)力引起的相變力 學(xué)應(yīng) 力 和 變 形熱 力 學(xué)溫 度 場相變潛熱顯微組織轉(zhuǎn)變熱應(yīng)力 焊接熱應(yīng)力、相變潛熱和溫度的相互耦合關(guān)系 Welding heat stress、latent heat and temperature relationship of mutual coupling 焊接溫度場分析理論 焊接過程傳熱的基本形式和方程焊接構(gòu)件的局部受熱，造成焊接中產(chǎn)生，根據(jù)研究結(jié)果顯示，焊接熱傳導(dǎo)主要研究的問題是隨時間變化的溫度分布，加以考慮對流和輻射對焊接過程的影響，隨著焊接過程的局部快速的加熱和冷卻，焊接構(gòu)件的溫度和隨溫度變化的材料屬性在空間和時間上都發(fā)生著強烈的改變，相變潛熱金屬熔敷等現(xiàn)象都伴隨著發(fā)生，所以說焊接過程是典型的瞬態(tài)非線性傳導(dǎo)熱分析[8,48]。另一個工業(yè)和加工過程中存在的問題是，在分析前需要確定的很多材料隨溫度變化的性能參數(shù)，現(xiàn)在高溫下的性能參數(shù)數(shù)據(jù)非常少，基本屬于空白狀態(tài)。利用單元“死活”技術(shù)描述多層焊及焊縫金屬的熔敷；(3)利用并行計算技術(shù)可提高焊接數(shù)值模擬的計算效率,開發(fā)高性能的并行程序和分布處理系統(tǒng)，是今后發(fā)展的趨勢。同濟大學(xué)的吳蕓和張其林焊接鋁合金構(gòu)件殘余應(yīng)力試驗研究,通過對測試數(shù)據(jù)的分析整理,得出縱向焊接工字型截面構(gòu)件殘余應(yīng)力的分布情況,為進一步總結(jié)焊接鋁合金構(gòu)件殘余應(yīng)力的分布規(guī)律及研究殘余應(yīng)力對構(gòu)件承載力的影響提供了基礎(chǔ)。得到焊接速度對焊接殘余應(yīng)力的影響最大，提高焊接的速度有助于降低焊接殘余應(yīng)力[32]，此外，激光能量大小對焊接殘余應(yīng)力有巨大的影響。隨著一維焊接應(yīng)力應(yīng)變的發(fā)展和完善，人們把分析逐步的向二維領(lǐng)域發(fā)展，70年代初，對接焊和平板堆焊的二維應(yīng)力應(yīng)變分析程序就由Iwkai和Muraki編制完善，二維分析成為了可能[13]。Tnouce，考慮了一些對焊接過程產(chǎn)生影響的溫度因素和焊接溫度場、應(yīng)力場及其焊接過程出現(xiàn)的金屬相變潛熱耦合作用，并且構(gòu)件在上述考慮條件下的焊接過程熱的本構(gòu)方程，為以后在這方面的研究的各位研究人士提供了很好的可以參考的資料 [15～17]。要計算焊接構(gòu)件的承載能力的影響必須以求得焊接殘余應(yīng)力為基礎(chǔ)，必須對殘余應(yīng)力有全面深入的了解[8]。由于拉應(yīng)力的作用對金屬表面腐蝕鈍化膜不斷破壞，從而加速腐蝕破壞過程。局部失穩(wěn)可在焊件服役過程中，焊接結(jié)構(gòu)的殘余應(yīng)力和其所受載荷引起的工作應(yīng)力相互疊加，使其產(chǎn)生二次變形和殘余應(yīng)力的重新分布，這不但會降低焊接結(jié)構(gòu)的剛性和尺寸穩(wěn)定性，而且在溫度和介質(zhì)的共同作用下，還會嚴重影響結(jié)構(gòu)和焊接接頭的疲勞強度、抗脆斷能力、抵抗應(yīng)力腐蝕開裂和高溫蠕變開裂的能力。壓應(yīng)力的疊加使壓應(yīng)力區(qū)先達到屈服強度。因此，如應(yīng)力集中處存在著拉伸殘余應(yīng)力，疲勞強度就降低。如果材料是脆性材料或因結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)或結(jié)構(gòu)自身特點使得其內(nèi)在的塑性變形能力不能在承載后充分地表現(xiàn)出來，由于材料不能進行塑性變形，那么，隨著外力的增加，構(gòu)件中不可能應(yīng)力均勻化。但實際上，為了節(jié)省運算時間，從經(jīng)濟的角度考慮也需作相應(yīng)的簡化。線膨脹系數(shù)隨溫度的變化則是決定焊接熱應(yīng)力應(yīng)變的重要物理特性。應(yīng)用現(xiàn)代有限元技術(shù)，建立三維模型，對焊件進行仿真模擬，掌握其產(chǎn)生和存在的規(guī)律性,并采取相應(yīng)的技術(shù)措施改善其分布特性,對于提高焊接結(jié)構(gòu)或接頭的承載能力,延長使用壽命具有重要的工程實用價值，ANSYS是以有限元分析為基礎(chǔ)的大型通用CAE軟件,其強大的熱、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,已有研究人員基于ANSYS軟件，編制了焊接殘余應(yīng)力數(shù)值模擬的程序,并給出了具體實現(xiàn)過程,利用該程序?qū)嶒灪附釉嚢宓臍堄鄳?yīng)力進行了數(shù)值模擬,模擬結(jié)果與測量結(jié)果吻合較好，對于焊接殘余應(yīng)力的研究正在向著定量化、精確化的目標邁進[6]。 web thickness while maintaining the same circumstances, to change the height of the web, with the abdominal plate thickness ratio increases, the upper and lower flange of the residual stress gradually decreases gradually increasing tension zone, the web up and down the residual tensile stress decreases, but with the gradual increase in the area of ??web, web up and down the residual stress gradually increased, there is increasing trend of pression zone。我國現(xiàn)行鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范(GB500172003 )中只提出了雙軸對稱焊接工字梁的整體穩(wěn)定系數(shù)，