【正文】 ? ???? ? () 式中： Sq — 單位面積上外熱源； ? — 表面熱交換系數(shù)； ?T — 周圍介質溫度分布函數(shù)；xn , yn , zn — 各軸邊界外法線方向余弦。由此可知僅取溫度場對應力場的單向耦合對焊接熱彈塑性來說是適合的。 圖 等向強化屈服面變化圖 圖 隨動強化屈服面變化圖 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)焊接應力和應變的關系 彈性或塑性狀態(tài)下的焊接應力和應變關系 : ? ? ? ?? ? ? ?dTCdDd ?? ?? () 式中： ??D 彈性彈塑性矩陣； ??C 與溫度有關的向量 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) 。 (1)在對流傳熱方面引入了表面效應單元 SURF 15 SURF 152， 此舉使得轉動機械的表面膜系數(shù)建模功能大為增大。 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。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)值模擬結果準確的可靠保障。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。 焊接過程中 ,焊接構件與周圍環(huán)境之間存在熱量交換。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行計算。依據(jù)米塞斯（ Von Mises） 屈服準則，所有方向上屈服面均勻擴張。 焊接殘余應力的分析理論 熱彈塑性分析的特點和假定 熱彈塑性問題屬于熱力學問題，其力學平衡方程中自由能密度不僅與應變有關，而且 也有溫度有關的項。此 外，本文還考慮了相變潛熱對溫度場的影響。利用單元“死活”技術描述多層焊及焊縫金屬的熔敷； (3)利用并行計算技術可提高焊接數(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。 ，得到焊接速度對焊接殘余應力的影響最大，提高焊接的速度有助于降低焊接殘余應力 [32]，此外，激光能量大小對焊接殘余應力有巨大的影響。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，并且構件在上述考慮條件下的焊接過程熱的本構方程，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]。由于拉應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。壓應力的疊加使壓應力區(qū)先達到屈服強度。如果材料是脆性材料或因結構受力狀態(tài)或結構自身特點使得其內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，構件中不可能應力均勻化。線膨脹系數(shù)隨溫度的變化則是決定焊接熱應力應變的重要物理特性。 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。通過對單軸對稱焊接工字梁殘余應力的模擬計算，為以后焊接結構的優(yōu)化設計提供重要依據(jù)。 焊接應力的產(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，應力應變動態(tài)過程。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，殘余應力的存在就不影響構件的承載能力，即對構件的靜載強度沒有影響。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，應予重視。保證焊件加工精度最徹底的辦法是先消除焊接殘余應力，然后再進行機械加工，有時也可以在機械加工 工藝上做些調整來達到這個目的。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的方程，研究了在固體中動態(tài)熱源的傳導問題；而正式在焊接過程理論方面進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)生影響的構件在大小方面等因素，焊接過程中的關鍵問題就是在于，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)生各種復雜的變化，單純的應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)實相符合的結果，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，該理論在實用方面還存在一定的缺陷 [1214]?？萍嫉陌l(fā)展總是由簡單到復雜，二維焊接應力應變的完善，使得三維分析初見端倪， Chidiac(加拿大 )首次在厚板的應力應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，而導致的材料本身顯微晶體組織的變化和生長。在大多數(shù)情況下，焊接應力變形是三維問題，特別是現(xiàn)代焊接結構越來越大型復雜化，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 ]，但是在實際工程中真正可以簡化的例子并不多，因此三維焊接應力變形模擬是必然趨勢。圖 也可以簡化為 ，強烈影響用實箭頭表示，較弱影響用虛線箭頭表示。 由泰勒級數(shù)展開展開式可得： ? ?? ? ? ?? ? ? ?? ? ? ?21 tTTT ttttt ????? ???? ??? () ? ?? ? ? ?? ? ? ?? ? ? ?2tTTtTt ttttt ??????? ???? ?? () 以上的兩個式子代入 （ 28） ，把 ??Q 作同樣的展開，便可以得到 ? ?tt ?? 時刻由 ???T 表示而定的 ??? ?tt ??T 矩陣方程： ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ? ? ? ? ?? ? tttttt TKCtTKCt ???? ???? ????????? ?????????? ?? ???? 1111 () 在上面的式子中，上標 ? 是 ? ??C ,? ??K 矩陣依據(jù) ? ?tt ??? 時刻產(chǎn)生的溫度 ??? ?ttT ?? 計算得出的，計算后，非線性微分方程組就被轉化成非線性的代數(shù)方程組。 這個法則因其在幾何上的解釋，即塑性應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。 第三章 基于 ANSYS 的焊接殘余應力模擬過程分析 ANSYS 軟件及 APDL 語言簡介 在實際生產(chǎn)過程當中，常常會遇到多 種多樣的熱量傳遞問題：如計算某個系統(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、農業(yè)、制冷及船舶等。 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候定義出材料的熱焓值，比熱容和密度乘積對時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)。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，實際 應用中一般優(yōu)先選擇映射網(wǎng)格劃分，當不能應用映射劃分的時候我們在考慮自由劃分。熱流率主要應用點熱源，應用于線單元中，熱流流入節(jié)點為熱源輸入（正），但是點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。 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該具有和溫度場和應力場對應的所用自由度，應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力場的分析結果。可以直接指定其數(shù)值，也可以利用數(shù)據(jù)表進行輸入。 0f 與塑性應變和溫度有關的屈服應力函數(shù)。 它從能量的角度分析出金屬塑性變形的準則條件，即變形能條件，使用于有明顯臨界點的結構。是指在空間域里面，先 假設一個內部溫度成線性分布的單元，在根據(jù)變 分的公式來導出單元節(jié)點的溫度常系數(shù)的一階微分方程組；在時間域里面，在根據(jù)有限差分法把其轉化成單元節(jié)點溫度的線性遞推公式方程組，在將各個單元矩陣相互疊加，這樣就得到了所有單元的節(jié)點溫度的線性方程組，之后就可以把非線性問題轉化為線性問題求解，有限非線性問題很難轉化為線性問題，可采用加權殘數(shù)法，即構件插值函數(shù) [13,49,50]。 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 采用時間和空間有限元法，相同程度構件細節(jié)采用彈性構件分析，探討焊接過程中，焊料和焊件之間的熱 力關系、焊接殘余應力應變，以下為焊接過程中應用有限元分析的特點 : (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， 產(chǎn)生的溫度梯度與時間和位置相關，但又是極不相同； (3)局部熱產(chǎn)生的歷史和力學的應力應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件的連接； (5)連續(xù)介質的概念將受到懷疑，因為可能在臨界點發(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困難的難題。同年哈爾濱工業(yè)大學的張壯南等人 通過比較試驗和有限元分析 ,研究了焊接殘余應力對單軸對稱工字形懸伸梁和連續(xù)梁的整體穩(wěn)定承載力影響，并在其博士論文 [39 ]中采用截面法對焊接單軸對稱工字形截面的殘余應力分布進行了測量，根據(jù)實測值，建立了接近試驗情況的單軸對稱工字形截面殘余應力分布模型 [11 ]。對于尺寸稍大的構件，僅僅的解析方法無法滿足分析的需求，人們開始向計算機程序編寫的方面推進，首次應用編寫的程序模擬一維板中堆焊由 Tall 等人完成 [14]。 現(xiàn)行鋼結構設計規(guī)范 (GB5001720xx)[7]中，包含了焊接構件的變形和殘余應力影響條件下的軸心受力焊接構件的整體穩(wěn)定的系數(shù)，規(guī)范中鋼結構劃分為了 8種不同的類型，是根據(jù)焊接結構所選用 的焊接時候的焊縫的形式的不同。對翼緣的寬度與厚度的比值 (B/t)較大的 H 形截面，壓縮殘余應力將降低翼緣的局部穩(wěn)定性。當應力循環(huán)的平均值增加時，其極限幅 值就降低，反之則提高。而用有限元方法數(shù)值求解時，原則上允許考慮任何復雜的情況 。綜合上面的各種原因，對其的研究以逐步的成為結構領域的重點課題 [3]。單軸對稱焊接工字梁殘余應力研究 摘要： 焊接殘余應力是影響梁整體穩(wěn)定的重要因素，在梁整體穩(wěn)定設計中應該考慮殘余應力對梁的影響。焊接構件的焊接接頭的疲勞強度的問題和鋼材的剛性的問題的影響因素在于，焊接時候的溫度、焊接時候所處的環(huán)境及在焊接過程中產(chǎn)生的應力問題，在這三方面問題的共同作用下產(chǎn)生的，還會對結構的抵抗脆斷的性能、腐蝕開裂的性能及其在高溫下的蠕變開裂的性能產(chǎn)生降低的效果。在函數(shù)解析求解焊接溫度場時，這種分類可使最終的計算公式簡化。結構的疲勞強度與應力循環(huán)的特征有關。此外，當桿件的長細比較小 (30)，相對偏心又不大 (()時，其臨界應力主要決定于桿件的全面屈服，殘余應力也不致產(chǎn)生大的影響。 近年來，焊接殘余應力對結構承載能力的影響引起人們越來越多的關注。 起初對焊接應力應變的分析從一維的問題開始，應用圖解法分析焊接過程，其中奧凱爾布洛母等人 (前蘇聯(lián)學者 )在分析中加進