【正文】 利用本程序?qū)附铀俣?、有效熱功率和電弧加熱半徑等不同因素進(jìn)行模擬是可以對(duì)焊接工藝優(yōu)化設(shè)計(jì)，從而減少試驗(yàn)數(shù)量。 X軸向節(jié)點(diǎn)位移時(shí)間歷程圖 計(jì)算結(jié)果分析課題研究背景通過計(jì)算，程序得到的結(jié)果有Tendon Force和橫向收縮。由此推測(cè)焊接容易引起較大應(yīng)力的區(qū)域。 邊界條件焊接過程的邊界條件包括溫度場(chǎng)分析的邊界條件和應(yīng)力應(yīng)變分析的邊界條件。有效半徑取為7mm。在焊接過程的數(shù)值模擬研究中，人們提出了一系列的熱源計(jì)算模式。 固有應(yīng)變法的計(jì)算與應(yīng)用在ANSYS中，由于固有應(yīng)變不能直接作為荷載賦予焊縫及其附近的單元，但軟件提供的各向異性的熱膨脹系數(shù)功能使焊縫在縱向和橫向的不同收縮得以實(shí)現(xiàn)。固有應(yīng)變是產(chǎn)生殘余應(yīng)力和焊接裂紋的原因。為防止該現(xiàn)象，可考慮彈性模量隨溫度改變而導(dǎo)致的應(yīng)力變化小于熱膨脹引起的變化，即 （213）合理的計(jì)算步長(zhǎng)和網(wǎng)格劃分。每次溫度增量加上后，由式(27)可求得各節(jié)點(diǎn)的位移增量。 ANSYS軟件ANSYS軟件是美國(guó)ANSYS公司研制的大型通用有限元分析軟件。用戶所要做的是選擇多項(xiàng)式的階次，以使其在可以承受的計(jì)算時(shí)間內(nèi)達(dá)到足夠的精度。對(duì)每個(gè)單元，選取適當(dāng)?shù)牟逯岛瘮?shù)，使得該函數(shù)在子域內(nèi)部、自語分界面上以及子域與外界分界面上都滿足一定的條件，然后把所有單元的方程組合起來，就得到了整個(gè)結(jié)構(gòu)的方程。所做的具體工作有：查閱熱彈塑性有限元法及固有應(yīng)變法資料，學(xué)習(xí)熱力學(xué)知識(shí)。Painter等指出，通常使用數(shù)值模擬的目的是過程模擬和過程理解，然而這兩個(gè)不同的研究目標(biāo)也影響了整個(gè)的模擬的戰(zhàn)略典型過程，模擬趨向于迅速、交互和大約的方法，過程理解則要求復(fù)制整個(gè)過程的物理現(xiàn)象，后一過程的時(shí)間、成本和復(fù)雜程度多于前者。影響焊接變形的因素還包括焊接工藝、焊接方法和材料特性等。近年來上海交通大學(xué)的汪建華教授運(yùn)用該方法進(jìn)行了大量的研究工作，取得了豐碩的成果。以下是常用的幾種分析焊接變形的有限元理論： 熱彈塑性有限元理論這是應(yīng)用最為廣泛的焊接過程計(jì)算方法，涵蓋了焊接過程的各個(gè)方面。第1章 課題的研究歷史與現(xiàn)狀 課題研究背景20世紀(jì)40年代，前蘇聯(lián)的奧凱爾勃洛姆就對(duì)焊接變形與應(yīng)力的起因和分類進(jìn)行了研究，建立了確定焊接變形和應(yīng)力的理論方法。包括不同的焊接類型、焊接材料和接頭形式，既用于對(duì)焊接變形的分析，也用于分析殘余應(yīng)力、裂紋、疲勞和斷裂等。 利用相似理論運(yùn)用相似理論可以將模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬方法結(jié)合起來，按照相似關(guān)系對(duì)焊接構(gòu)件進(jìn)行一定轉(zhuǎn)換，減小復(fù)雜性后再進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。 課題當(dāng)前研究中存在的問題 焊接變形數(shù)值模擬目前在焊接變形數(shù)值模擬中還存在幾個(gè)主要的問題[4]：材料的熱物理性數(shù)據(jù)不足。在船舶制造、航空航天和車輛制造中存在大量結(jié)構(gòu)復(fù)雜和尺寸較大的焊接構(gòu)件，采用熱彈塑性法時(shí)為保證計(jì)算精度和迭代的收斂性，需要對(duì)網(wǎng)格的劃分和時(shí)間步長(zhǎng)的選取進(jìn)行最優(yōu)化設(shè)計(jì)，對(duì)于大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)，計(jì)算用時(shí)和數(shù)據(jù)處理量的大大增加對(duì)計(jì)算機(jī)的速度和容量也提出了更高的要求，往往超出了實(shí)際能夠承受的程度，因而在實(shí)際結(jié)構(gòu)分析中并不實(shí)用。學(xué)習(xí)矩陣位移法及有限元程序ANSYS。求解該方程，就可以得到結(jié)構(gòu)的近似解。此外，還需要選擇表示位移大小的參數(shù)，它們通常是節(jié)點(diǎn)的位移，但也可能包括節(jié)點(diǎn)位移的導(dǎo)數(shù)。能夠進(jìn)行包括結(jié)構(gòu)、熱、聲、流體、電磁場(chǎng)等科學(xué)的研究。每個(gè)單元內(nèi)的應(yīng)變?cè)隽亢蛦卧?jié)點(diǎn)位移增量的關(guān)系為： (211)再根據(jù)式(21)的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，可以求得各個(gè)單元的應(yīng)力增量。計(jì)算時(shí)的溫度步長(zhǎng)不能太長(zhǎng)，通常應(yīng)控制在10以下。若已知固有應(yīng)變, 也可通過熱彈塑性有限元彈性分析計(jì)算出殘余應(yīng)力和變形。因此可以利用軟件提供的各向異性的熱膨脹系數(shù)和單位溫度荷載來實(shí)現(xiàn)應(yīng)變的施加。以下簡(jiǎn)要加以介紹：在用有限元求解時(shí)，原則上允許考慮任何復(fù)雜的情況，但實(shí)際經(jīng)濟(jì)上的條件給予了限制。 選用高斯函數(shù)分布的熱源模型的意義采用有限元和有限差分法，應(yīng)用高斯分布的表面熱源分布函數(shù)計(jì)算，可以引入材料性能的非線性，可進(jìn)一步提高高溫區(qū)的準(zhǔn)確性，但仍未考慮電弧挺度對(duì)熔池的影響。本論文采用的邊界條件是在節(jié)點(diǎn)上施加約束，選取了兩個(gè)外側(cè)面，分別選取兩個(gè)面上所有節(jié)點(diǎn)施加向和向約束，再選取軸向上一點(diǎn)施加X向約束，使構(gòu)件無整體剛性位移即可。 190s時(shí)的等效應(yīng)力云圖，190s時(shí)的等效應(yīng)力場(chǎng)分布的區(qū)域較大，最大應(yīng)力達(dá)到了248MPa，紅色區(qū)域分布較少。由于采用的模型是對(duì)稱的，角變形為零。雖然文中的實(shí)例分析只是較小尺寸的模擬，但只要存儲(chǔ)空間和計(jì)算機(jī)內(nèi)存足夠，本文所提出的模擬分析方法可以推廣到各種尺寸規(guī)格、各種接頭形式的焊接過程的計(jì)算分析中去。并采用ANSYS的APDL語言編寫了一套模擬焊接過程中溫度、應(yīng)力和變形的三維動(dòng)態(tài)模擬程序，方便后面的固有應(yīng)變分析。從圖上可以看出，遠(yuǎn)離約束端的點(diǎn)位移大于接近約束點(diǎn)，D點(diǎn)因?yàn)楸患s束，位移為零，A點(diǎn)離約束最遠(yuǎn)，位移最大。在鋼結(jié)構(gòu)的學(xué)習(xí)中，知道了受力構(gòu)件由于幾何形狀、外形尺寸發(fā)生突變而引起局部范圍內(nèi)應(yīng)力集中。而對(duì)應(yīng)力場(chǎng)的分析必須還要定義的參數(shù)有泊松比、彈性模量、線膨脹系數(shù)和屈服強(qiáng)度。 (44)本論文為簡(jiǎn)便計(jì)算時(shí)電弧集中系數(shù)和有效半徑根據(jù)參考文獻(xiàn)[15]進(jìn)行選取的。因此，焊接熱源模型選取是否適當(dāng)，對(duì)焊接溫度場(chǎng)和應(yīng)力變形的模擬精度，特別是在靠近熱源的地方，會(huì)有很大的影響。將公式除以彈性模量E（取低碳鋼室溫值），同樣可以得到縱向固有應(yīng)變的總和與焊接線能量的關(guān)系： (314)同時(shí)由于實(shí)際生產(chǎn)中，焊接線能量都較大，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過所謂門檻值。此外可以認(rèn)為固有應(yīng)變僅存在于焊縫及其附近。然而，如果假設(shè)步匹配，可能產(chǎn)生卸載時(shí)應(yīng)力反而增大的不合理現(xiàn)象。 求解過程熱彈塑性應(yīng)力有限元分析的求解過程是：首先把構(gòu)件劃分為有限個(gè)單元，然后逐步加上溫度增量（焊接時(shí)的溫度場(chǎng)預(yù)先算出）。視具體情況可能還需要計(jì)算出其它一些導(dǎo)出量。實(shí)際中沒有一種多項(xiàng)式能夠與實(shí)際位移完全一致。離散后的單元與單元間只通過節(jié)點(diǎn)相聯(lián)系，所有力和位移都通過節(jié)點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算。以此來驗(yàn)證軟件和理論的有效性。Masubuch[4]指出，雖然有限元技術(shù)能夠模擬焊接工藝中的大部分過程，但是在研究實(shí)際結(jié)構(gòu)焊接殘余應(yīng)力和變形時(shí)仍然存在著許多缺點(diǎn)。焊接結(jié)構(gòu)的裝配順序。在殘余塑變法的基礎(chǔ)上發(fā)展的固有應(yīng)變法，其最大的優(yōu)點(diǎn)在于可以避開運(yùn)算量極大的熱彈塑性分析。在焊接領(lǐng)域中，有限元方法不僅可以用來預(yù)測(cè)焊接變形，還可以用于模擬焊接溫度場(chǎng)、焊接殘余應(yīng)力和影響區(qū)組織等的預(yù)測(cè)。但是焊接涉及的諸多現(xiàn)象和參數(shù)都是瞬時(shí)、不均勻分布和強(qiáng)烈非線性的，因而無法對(duì)焊接過程給出精確描述。分析中的熱源通常簡(jiǎn)化為點(diǎn)、線、面熱源。清華大學(xué)的蔡志鵬教授等研究了相似理論在焊接溫度場(chǎng)、應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)以及預(yù)測(cè)焊接變形等方面的應(yīng)用。許多材料的熱物理性質(zhì)數(shù)據(jù)在高溫特別是在接近熔化態(tài)時(shí)還是空白，某些材料僅有室溫?cái)?shù)據(jù)，這就給非線性計(jì)算帶來了困難。例如[8]：一個(gè)900mm長(zhǎng)的T型梁焊接結(jié)構(gòu)劃分為7000個(gè)單元時(shí)用ANSYS軟件進(jìn)行熱彈塑性分析，整個(gè)熱分析和結(jié)構(gòu)分析需要240小時(shí)的計(jì)算時(shí)間，而對(duì)于更大尺寸和采用更小單元的焊接結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析將需要更多的計(jì)算時(shí)間。通過有限元的方法對(duì)鋼結(jié)構(gòu)十字形節(jié)點(diǎn)的三維溫度場(chǎng)進(jìn)行模擬分析得到其溫度場(chǎng)分布。離散化是有限元方法的基礎(chǔ)。用變分原理推導(dǎo)單元?jiǎng)偠染仃?。在核工業(yè)、鐵道、石油化工、航空航天、機(jī)械制造、能源、汽車交通、國(guó)防軍工、電子、土木工程、造船、生物醫(yī)學(xué)、輕工、地礦、水利、日用家電等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用[3]。這樣就可以了解整個(gè)焊接過程中動(dòng)態(tài)應(yīng)力應(yīng)變的變化過程和最終的殘余應(yīng)力和變形的狀態(tài)。網(wǎng)格劃分應(yīng)考慮到焊接接頭處較細(xì)，焊縫遠(yuǎn)處較粗的原則，以適應(yīng)溫度和應(yīng)力的計(jì)算精度，同時(shí)兼顧到計(jì)算機(jī)的容量。 焊接固有應(yīng)變的確定 固有應(yīng)變的表達(dá)式在力學(xué)分析中，一般應(yīng)力應(yīng)變都有六個(gè)分量。根據(jù)給定單位溫度荷載，熱膨脹系數(shù)的數(shù)值即可求得應(yīng)變的數(shù)值： (315)以長(zhǎng)寬高分別為500mm、60mm和50mm，厚度為5mm的T型梁為例，施加兩道角焊縫，對(duì)于該模型用固有應(yīng)變法分析焊接變形。所有模型共同的一點(diǎn)是：焊接熔池中復(fù)雜的熱過程用導(dǎo)熱連