【正文】 )強(qiáng)化準(zhǔn)則強(qiáng)化準(zhǔn)則描述了初始屈服準(zhǔn)則隨著塑性應(yīng)變的增加是怎樣發(fā)展的，有兩種計(jì)算模型組合，隨動強(qiáng)化準(zhǔn)則和等向強(qiáng)化準(zhǔn)則[13]?？梢园颜麄€時(shí)間域劃分成若干個時(shí)間的單元，逐個的推導(dǎo)出時(shí)間域各個瞬間時(shí)間段的溫度場函數(shù)值。，在做焊接過程有限元分析時(shí)，由于焊接溫度場和顯微組織變化對焊接應(yīng)力場的影響要大于后者對后者的影響，所有只需要考慮前者對后者的影響，就可以滿足要求即考慮單向耦合。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[4445]，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。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。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]。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)到這個目的。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。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。焊接應(yīng)力的產(chǎn)生和發(fā)展是一個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。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)。 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。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。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。壓應(yīng)力的疊加使壓應(yīng)力區(qū)先達(dá)到屈服強(qiáng)度。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。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]。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。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。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(shí)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(shí)間上都發(fā)生著強(qiáng)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]。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(xiàng)來平衡熱傳導(dǎo)的方程。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(qiáng)化模型，一個方向的屈服應(yīng)力提高的同時(shí)其反方向屈服應(yīng)力應(yīng)下降。運(yùn)用ANSYS軟件可進(jìn)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。在焊接過程有限元計(jì)算中,一般采用等效表面放熱系數(shù)HF,用一個參數(shù)同時(shí)考慮輻射與對流的散熱。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。在填角焊縫或坡口的焊縫中，隨著焊接過程的進(jìn)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(shí)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(dāng)做內(nèi)部熱源處理，焊料隨著焊接的進(jìn)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(shí)的實(shí)現(xiàn)這一過程就要用到ANSYS中的生死單元技術(shù)。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(shí)間線性變化，則設(shè)定為漸變選型，可通過命令KBC實(shí)現(xiàn)。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。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。在空氣中焊接時(shí)，可以直接把所有節(jié)點(diǎn)初始溫度設(shè)置為室溫。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(dāng)做一個橢球的四分之一，剩下的部分被當(dāng)做橢球的額外一個四分之一。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。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。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。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(shí)刻由表示而定的矩陣方程： ()在上面的式子中，上標(biāo)是,矩陣依據(jù)時(shí)刻產(chǎn)生的溫度計(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。強(qiáng)烈影響用實(shí)箭頭表示，較弱影響用虛線箭頭表示。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[4243]。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]。 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。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。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異，但一般情況下這種影響必須要加以考慮的是發(fā)生相變的溫度和平均冷卻速度[8]。通過研究梁翼緣寬厚比、腹板高厚比、上下翼緣寬度比等參數(shù)對單軸對稱截面殘余應(yīng)力影響可知：在保持上翼緣寬度不變的情況下，改變翼緣的厚度，隨著翼緣寬厚比逐漸減小，上下翼緣和腹板的殘余應(yīng)力逐漸減小，受拉區(qū)有增大趨勢；在保持腹板厚度不變的情況下，改變腹板的高度，隨著腹板高厚比逐漸增大，上下翼緣的殘余應(yīng)力逐漸減小，受拉區(qū)逐漸增大，腹板上下殘余拉應(yīng)力逐漸減小，但是隨著腹板面積的逐漸加大，腹板上下殘余壓應(yīng)力逐漸加大，受壓區(qū)有增大趨勢；在保持上翼緣寬度不變的情況下，改變下翼緣的寬度，隨著上下翼緣寬度比逐漸減小，上下翼緣和腹板殘余應(yīng)力有所增加，上下翼緣殘余應(yīng)力在分布趨勢和數(shù)值上趨于一致，腹板上下殘余壓應(yīng)力在數(shù)值上也趨于一致，梯度逐漸減小，單軸對稱截面殘余應(yīng)力在分布曲線上趨于雙軸對稱截面殘余應(yīng)力經(jīng)典分布。 on the flange width to maintain the same in the case, change the width of lower flange, with the upper and lower flange width ratio decreases, the upper and lower flange and web an increase in residual stress, residual stress in the upper and lower flange distribution line on the trends and values, the residual pressive stress in the upper and lower webs value is also consistent, gradient decreases, the residual stress in the uniaxial symmetry crosssection on the distribution curve residual stress tends to biaxial symmetry classic crosssection distribution. Uniaxial symmetry by beam welders residual stress simulation, optimization for the future design of welded structures provide an important basis.Keywords: Welding residual stress。這些變化在焊接過程中，每時(shí)每刻都影響焊接溫度場和焊接應(yīng)力的分布。應(yīng)力峰值將不斷增加，直至達(dá)到材料的屈服極限值，并發(fā)生局部破壞，最后導(dǎo)致整個構(gòu)件斷裂。該區(qū)應(yīng)力不再增加，從而使該區(qū)喪失進(jìn)一步承受外力的能力。拉應(yīng)力越大，發(fā)生應(yīng)力腐蝕斷裂越快，如有殘余拉應(yīng)力，則會和工作應(yīng)力疊加，加速應(yīng)力腐蝕開裂。國內(nèi)對于焊接熱的研究開始于唐慕堯(西安交通)等人，他們對薄板的焊接熱過程的溫度場的進(jìn)行了分析，得到了其的溫度隨著焊接過程的分布規(guī)律，此規(guī)律符合了，焊接過程中溫度的基本假設(shè)，即準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)分布，并和已有的試驗(yàn)的結(jié)果對比分析，證明了該方法的正確性，并以此編寫了焊接熱分析的程序 [18]。Dean Deng和Hidekazu Murakawa的結(jié)論是在薄板焊