【正文】 ight 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。 應(yīng)用現(xiàn)代有限元技術(shù)，建立三維模型，對焊件進(jìn)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(shí)用價(jià)值， ANSYS 是以有限元分析為基礎(chǔ)的大型通用 CAE 軟件 ,其強(qiáng)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(shí)現(xiàn)過程 ,利用該程序?qū)?shí)驗(yàn)焊接試板的殘余應(yīng)力進(jìn)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(biāo)邁進(jìn) [6]。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。但實(shí)際上，為了節(jié)省運(yùn)算時(shí)間，從經(jīng)濟(jì)的角度考慮也需作相應(yīng)的簡化。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(diǎn)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(jìn)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。因此，如應(yīng)力集中處存在著拉伸殘余應(yīng)力，疲勞強(qiáng)度就降低。壓應(yīng)力的疊加使壓應(yīng)力區(qū)先達(dá)到屈服強(qiáng)度。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(yán)重影響結(jié)構(gòu)和焊接接頭的疲勞強(qiáng)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。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。要計(jì)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]。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]。 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]。 ，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。同濟(jì)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(yàn)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(jìn)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)。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(jì)算技術(shù)可提高焊接數(shù)值模擬的計(jì)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。另一個(gè)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)。此 外，本文還考慮了相變潛熱對溫度場的影響。 (1)空間域的離散 M 個(gè)擁有 en 個(gè)節(jié)點(diǎn)的單元把空間域 3RV? 離散， V 里包含 N 個(gè)節(jié)點(diǎn)。 焊接殘余應(yīng)力的分析理論 熱彈塑性分析的特點(diǎn)和假定 熱彈塑性問題屬于熱力學(xué)問題，其力學(xué)平衡方程中自由能密度不僅與應(yīng)變有關(guān)，而且 也有溫度有關(guān)的項(xiàng)。但對于是否達(dá)到屈服點(diǎn)并不明顯的復(fù)雜的應(yīng)力狀態(tài)，屈服準(zhǔn)則就是一個(gè)可以與簡單拉伸屈服應(yīng)力相比較的標(biāo)量，從此來確定結(jié)構(gòu)是否產(chǎn)生塑性應(yīng)變。依據(jù)米塞斯（ Von Mises） 屈服準(zhǔn)則，所有方向上屈服面均勻擴(kuò)張。 依據(jù)塑性流動法則，塑性應(yīng)變的增量 ? ?pd? 可表示為： ? ? ????????? ??? fd p () ? 的正負(fù)用來判斷塑性區(qū)的卸載，當(dāng) 0?? 為卸載過程。用戶可以隨心所欲地選擇圖形用戶界面方式或者命令流的方式進(jìn)行計(jì)算。 理想熱接觸允許另個(gè)出界面上具有完全不同的網(wǎng)格。 焊接過程中 ,焊接構(gòu)件與周圍環(huán)境之間存在熱量交換。這種方法實(shí)際上是通過計(jì)算包含所有必須項(xiàng)的單元矩陣或單元載荷向量來實(shí)現(xiàn)的。在數(shù)值模擬中，常常把影響較大的部分細(xì)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。對焊接過程進(jìn)行正確的溫度場數(shù)值模擬是成功進(jìn)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(zhǔn)確的可靠保障。 表 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 Link32 Link1 Plane35 Plane2 Sure151 Sure153 Shell57 Shell63 Mass71 Mass21 Solid5 S0lid45 Solid70 Solid45 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。 單元類型的選擇 單元的選擇要與所分析問題的類型及其采用的 ANSYS 分析方法相融合。焊接模擬屬于典型的非線性瞬態(tài)分析，許多材料的熱屬性還不齊全尤其是在高溫度有的還屬于空白，其次在熔化、半熔化狀態(tài)下 ,材料的屬性參數(shù)非常低，致使有限 元?jiǎng)偠染仃嚨钠娈愋栽黾?，解的收斂性和穩(wěn)定性變差 ,計(jì)算時(shí)間相應(yīng)增加 ,有時(shí)會出現(xiàn)“鎖死”現(xiàn)象；計(jì)算結(jié)果表明，對于未知溫度下的材料屬性可以用插值法和外推法獲得，而在熔點(diǎn)附近溫度區(qū)域的材料的屈服極限適當(dāng)?shù)奶岣?，即對材料的屬性進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，可以再不影響計(jì)算精度的條件下，可以加快計(jì)算的收斂 [5 1]。 (1)在對流傳熱方面引入了表面效應(yīng)單元 SURF 15 SURF 152， 此舉使得轉(zhuǎn)動機(jī)械的表面膜系數(shù)建模功能大為增大。 本章小結(jié) 本章主要對焊接有限元方法進(jìn)行了簡單的介紹，對焊接模型進(jìn)行了簡化，描述了熱傳導(dǎo)方程的建立和邊界條件。 圖 等向強(qiáng)化屈服面變化圖 圖 隨動強(qiáng)化屈服面變化圖 and other to enhand yield surface kinematic hardening yield surface change map change map 熱彈塑性有限元分析理論 (1)焊接應(yīng)力和應(yīng)變的關(guān)系 彈性或塑性狀態(tài)下的焊接應(yīng)力和應(yīng)變關(guān)系 : ? ? ? ?? ? ? ?dTCdDd ?? ?? () 式中： ??D 彈性彈塑性矩陣； ??C 與溫度有關(guān)的向量 在彈性區(qū) : ? ? ? ?eDD? () ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ??????? ????? ?? TDDCC eee () σ1 σ1 σ2 σ2 后繼屈服面 初始屈服面 初始屈服面 后繼屈服面 上式子中： ? 為隨溫度變化的線膨脹系數(shù) 。塑性應(yīng)變增量與應(yīng)力狀態(tài)流動準(zhǔn)則如下： ? ? ? ????? ???pd () 式中， ? — 數(shù)量因子； ??????— 數(shù)量函數(shù) ? 對向量 ??? 的偏導(dǎo)數(shù)； ??pd? — 塑性應(yīng)變增量。由此可知僅取溫度場對應(yīng)力場的單向耦合對焊接熱彈塑性來說是適合的。 時(shí)間 t? 步長內(nèi)，差分格式建立對 ? ?tt ?? 時(shí)間點(diǎn)，加權(quán)系數(shù) ? ? ?10 ??? 。 過程開始時(shí)整個(gè)區(qū)域已經(jīng)具有的已知溫度，即： 00 TTt ?? 或 ? ?zyxTt ,0 ??? () 式中， 0T — 表示均勻初始溫度的已知常數(shù)； ? ?zyx ,? — 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 ? ?zyxS nzTnyTnxTtzyxT ????????? ???, () 第二類邊界條件，已知邊界上熱流密度函數(shù)分布 ? ? zyxS nzTnyTnxTtzyxq ????????? ???, () 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 ? ? zyxs nzTnyTnxTTT ?????????? ???? ? () 式中： Sq — 單位面積上外熱源； ? — 表面熱交換系數(shù)； ?T — 周圍介質(zhì)溫度分布函數(shù)；xn , yn , zn — 各軸邊界外法線方向余弦。并在分析中突出了相變對焊接過程的影響，焊接溫度場應(yīng)力場及顯微組織之間的影響。 (2)通過變化參數(shù)對單軸對稱焊接工字梁進(jìn)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。 20 世紀(jì) 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 [424 3]。 20xx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(jìn)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 [3 5]。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(shí)行了計(jì)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]。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(shí)候就不能很好 的進(jìn)行模擬，蔡洪能等人提出了熱源模型雙橢球運(yùn)動電弧作用，應(yīng)用節(jié)點(diǎn)熱燴的判斷方法，進(jìn)行低碳鋼 (A3 鋼 )板試驗(yàn)中的焊接溫度場中的溫度分布進(jìn)行分析，最終和試驗(yàn)中的結(jié)果的數(shù)據(jù)符合 [1 6,18 ]。 國內(nèi)外同類課題研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 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而焊接殘余應(yīng)力是影響梁整體穩(wěn)定的重要因素，在梁整體穩(wěn)定設(shè)計(jì)中應(yīng)對不同截面形式下焊接殘余應(yīng)力對焊接結(jié)構(gòu)的影響加以考慮，以優(yōu)化梁的整體穩(wěn)定設(shè)計(jì)。即便切削是在夾具卡固下加工，加工過程雖不會表現(xiàn)出這種二次變形，但當(dāng)夾具一旦撤除，二次變形馬上就會出現(xiàn)，仍然影響加工精度。殘余應(yīng)力對受壓桿件穩(wěn)定的影響，在桿件長細(xì)比為 90 左右時(shí)最嚴(yán)重。在實(shí)際的生產(chǎn)中，各種焊縫和火焰校正都可能在相當(dāng)大的截面上產(chǎn)生較大的殘余應(yīng)力，雖然它們在構(gòu)件長度方向上的分布范圍較小，但它們對剛度的影響是不可忽視的。殘余應(yīng)力對于疲勞強(qiáng)度的影響是人們廣泛關(guān)心的問題。應(yīng)力未達(dá)到屈服強(qiáng)度的區(qū)域，則隨著外力的增加，應(yīng)力繼續(xù)增加，整個(gè) 截面上的應(yīng)力逐漸趨于均勻，直到構(gòu)件截面上全部應(yīng)力都達(dá)到屈服強(qiáng)度為止。焊接時(shí)的熱輸入是產(chǎn)生焊接應(yīng)力的決定性因素。 焊接殘余應(yīng)力產(chǎn)生的原因及影響因素 焊接殘余應(yīng)力產(chǎn)生的主要原因是由焊接過程中的不均勻加熱所引起的，焊應(yīng)力按照其發(fā)生的 來源分為三種情況：直接產(chǎn)生的殘余應(yīng)力，不均勻加熱和冷卻導(dǎo)致的，決定在于不均勻加熱和冷卻的溫度梯度，是焊接殘余用應(yīng)力產(chǎn)生的關(guān)鍵；間接產(chǎn)生的殘余應(yīng)力，焊接過程之前的加工狀況導(dǎo)致的，焊件若經(jīng)歷過軋剎或拉拔時(shí)，都會使之具有此類殘余應(yīng)力，這種殘余應(yīng)力在某種場合下會加到焊接殘余應(yīng)力上去，也往往會在焊后的變形中產(chǎn)生附加性影響，而且外界約束對于焊件產(chǎn)生的附加應(yīng)力也應(yīng)該歸于此類型應(yīng)力；組織變化產(chǎn)生的殘余應(yīng)力，相變導(dǎo)致比熱容變化產(chǎn)生組織變化導(dǎo)致的，盡管因材料中碳的含量不同而