【文章內(nèi)容簡介】 適合太陽能熱水器的特殊使用環(huán)境。銅管的連接方式主要分為機械連接和釬焊連接兩大類。機械連接又分卡套式、插接式和卡 壓式連接。不銹鋼管的連接方式多樣，常見的管件類型有卡套式、卡壓式、活接式、推進式、推螺紋式、承插焊接式、焊接式及焊接與傳統(tǒng)連接相結(jié)合的派生系列連接方式。這些連接方式，根據(jù)其原理不同，適用范圍也有所不同，但大多數(shù)均安裝方便、牢固可靠。 為了滿足不同的需求，節(jié)省銅材，太陽能熱水系統(tǒng)在制造中會用到鋼銅連接工藝，鋼銅連接一般使用焊接方法，本文研究的薄壁不銹鋼管和薄壁紫銅管的焊接就是其中的一種。不銹鋼及銅中含有元素 (Ni, Si, V)和雜質(zhì) (O, S, P)，在焊接過程中易產(chǎn)生各種低熔點共晶體和脆性化合物，這些化合 物易偏析于晶界，嚴重削弱了金屬在高溫時的晶間結(jié)合力。由于銅的導(dǎo)熱系數(shù)比不銹鋼大的多，需要采用大功率熱源，因此熱影響區(qū)較寬，使接頭承受較大應(yīng)力，焊縫易出現(xiàn)熱裂紋。同時，在固態(tài)下， Fe 和 Cu 幾乎不固溶，由于鋼的稀釋而使 Fe 侵入焊縫，偏析于晶界，與 Fe 同時溶入焊縫的 C 濃縮于 Fe 中，形成含碳較高的脆性化合物 Fe3C，這種鐵的析出相容易偏析，降低了焊縫的韌性及抗裂能力。對于銅與不銹鋼的焊接有很多方法，如釬焊、真空擴散焊、熔焊、氬弧焊及堆焊過渡層等方法。氬弧焊因其簡便的操作、良好的成形質(zhì)量、適度的經(jīng)濟性等原因而得到廣泛的應(yīng)用，本文中不銹鋼與紫銅焊接就采用了氬弧焊。對于薄壁不銹鋼管和紫銅管的焊接工藝研究，目前大部分是采用理論和實驗結(jié)合的方式根據(jù)焊后測量結(jié)果來選擇焊接工藝和操作方法。本課題使用目前較為流行的有限元模擬技術(shù)分析焊接過程中的 溫度場與應(yīng)力場變化規(guī)律，研究 薄壁不銹鋼管和薄壁紫銅管氬弧焊可能出現(xiàn)的問題和產(chǎn)生的缺陷 。 文獻綜述 焊接溫度場有限元分析的國內(nèi)外現(xiàn)狀 焊接溫度場的準確計算或測量，是焊接冶金分析和焊接應(yīng)力、應(yīng)變熱彈塑性動態(tài)分析的前提。關(guān)于焊接熱過程的分析，蘇聯(lián)科學(xué)院的 Kalni 院士對焊接過程傳熱問題進行了系統(tǒng)的研究，建立了焊接傳熱學(xué)的理論基礎(chǔ)。為了求熱傳導(dǎo)的微分方程的解，他把焊 接熱源簡化為點、線、面三種形式的理想熱源，且不考慮材料熱物理性質(zhì)隨溫度的變化以及有限尺寸對解的影響。實際上焊接過程中除了包含由于溫度變化和高溫引起的材料熱物理性能和變化而導(dǎo)致傳熱過程嚴重的非線性外，還涉及到金屬的熔化、凝固 以及液固相傳熱等復(fù)雜現(xiàn)象，因此是非常復(fù)雜的。由于這些假定不符合焊接的實際情況，因此所得到的解與實際測定有一定的偏差，尤其是在焊接熔池附近的區(qū)域，誤差很大，而這里又恰恰是研究者最為關(guān)心的部位。 Admaes、木原博和稻埂道夫等人根據(jù)熱傳導(dǎo)微分方程，以大量的實驗為基礎(chǔ)，積累了不同材料、不同厚度、不同焊接線能量以及不同預(yù)熱溫度等測量數(shù)據(jù)，然后從傳熱理論的有關(guān)規(guī)律出發(fā)，經(jīng)過整理、歸納和驗證，最后建立了不同情況下的焊接熱公式。這種方法比前者采用數(shù)學(xué)解析法要準確，但實驗的工作量很大，有確定的應(yīng)用條件和范圍，且可靠性取決于 測試手段的精度。 1966 年 Wliosn 和Nikcell 首次把有限元法用于固體熱傳導(dǎo)的分析計算中。 70 年代，有限元法才逐漸在焊接溫度場的分析計算中使用。 1975 年，加拿大的 Poley 和 Hbibert 在發(fā)表的文章中，介紹了利用有限元法研究焊接溫度場的工作，編制了可以分析非矩形截面以及常見的單層、雙層 U、 V 型坡口的焊接溫度場計算程序，證實了有限元法研究焊接溫度場的可行性。之后國內(nèi)外眾多學(xué)者進行了這方面的研究工作，如 Sonti 和 Amateau 提出鋁合金激光深熔池焊接二維溫度場有限元模型； 等通過焊接測溫設(shè)備得到了激光焊接的溫度場，同時通過數(shù)值模擬方法得到了模擬溫度場結(jié)果，然后比較焊接實驗數(shù)據(jù)和數(shù)值模擬溫度場的結(jié)果，得出了焊接溫度場模擬和實驗結(jié)果具有一致性。 國內(nèi)，焊接溫度場有限元分析是從 20 世紀 80 年代初期開始的。唐慕堯、陳楚和武傳松等對簡單焊接傳熱熱源模型進行了基礎(chǔ)性的研究和分析，為學(xué)者們以后的研究奠定了基礎(chǔ)。 1983 年，陳楚等對非線性熱傳導(dǎo)問題進行了有限元分析，建立了焊接溫度場的計算模型，進行固定熱源和移動熱源、薄板和厚板、準穩(wěn)態(tài)和非準穩(wěn)態(tài)二維溫度場的有限元分析。西安交通大學(xué)的段權(quán) 、張新國等人利用有限元方法對焊接接頭得非線性熱傳導(dǎo)問題進行研究，得出焊接熱循環(huán)曲線，非線性數(shù)值分析表明，在金屬相變溫度附近采用經(jīng)典線性方法其結(jié)果偏差較大，并指出在模擬焊接接頭溫度場分布時必須考慮材料熱傳導(dǎo)參數(shù)的非線性特征。 20 世紀 90 年代，焊接數(shù)值模擬開始向三維方向邁進。上海交通大學(xué)的汪建華等人進行了三維瞬態(tài)溫度場的有限元數(shù)值模擬研究工作，并且得到了與實際一致的結(jié)果。天津大學(xué)的李慧娟、程方杰等通過建立厚板多層焊的三維有限元數(shù)值分析模型，利用 ANSYS 軟件中的單元生死技術(shù)處理多層焊問題，使用 APDL 語言進行模 擬計算，得到了厚板多層焊的焊接溫度場，并利用紅外熱像儀實時測定了實際焊接過文獻翻譯 程的溫度場，二者的結(jié)果比較后得出數(shù)值模擬和試驗結(jié)果相吻合。西北工業(yè)大學(xué)的賈坤榮、劉軍等運用有限元軟件 ABAQUS 對 10mm 厚鋼板電子束焊接溫度場和應(yīng)力場的數(shù)值模擬計算，不僅充分考慮了材料物理性能隨溫度的變化和周邊對流、輻射散熱的影響，還考慮了相變的影響，這樣使模擬環(huán)境越來越接近實際的焊接過程。張亮峰利用 ANSYS有限元軟件對焊接傳熱過程進行了模擬，有效分析了焊件設(shè)計和焊接生產(chǎn)過程，以及焊接傳熱對焊件產(chǎn)品的影響，從而找到了解決問題的方法。中國船舶研究中心的孫文婷針對應(yīng)用有限元方法進行焊接殘余應(yīng)力數(shù)值預(yù)報時模擬三維過程普遍存在的復(fù)雜、計算時間冗長、計算費用較高的問題，通過引入焊接熱循環(huán)過程的加熱和冷卻時間比，提出了以線熱源代替點熱源的簡化數(shù)值預(yù)報方法，將三維問題簡化為二維問題進行數(shù)值模擬，大大節(jié)省了計算時間。陳玉喜針對鋁合金薄板對接焊，采用雙橢球熱源分布模型，基于 ANSYS 軟件平臺，建立了運動電弧作用下焊接過程的有限 元數(shù)值分析模型，在模擬的過程中，較好地模擬了焊接時焊接電弧移動加熱過程以及整個溫度場的瞬態(tài)變化，實現(xiàn)了參數(shù)化編程，并對模擬的動態(tài)過程進行分析，得到了焊件溫度場的分布規(guī)律，為以后焊接應(yīng)力應(yīng)變的準確分析奠定了基礎(chǔ)。 焊接應(yīng)力場有限元分析的國內(nèi)外現(xiàn)狀 焊接過程中應(yīng)力應(yīng)變的研究工作始于二十世紀三十年代，但是研究工作只能是定性的和實測性的。五十年代，前蘇聯(lián)學(xué)者奧凱爾布洛母等人在考慮材料機械性能與溫度之間的相互依賴關(guān)系的情況下，用圖解的形式分析了焊接過程的熱彈塑性性質(zhì)及其動態(tài)過程，并分析了一維條件下對焊接應(yīng) 力應(yīng)變的影響。六十年代，由于計算機的推廣應(yīng)用 ,對焊接應(yīng)力應(yīng)變的數(shù)值模擬才發(fā)展起來。 20 世紀 60 代， Tall、 Iwaki 先后利用計算機編制了一維和二維焊接應(yīng)力場模型，并得到了一定的結(jié)果。 20 世紀 70 年代初，日本大阪大學(xué)的上田幸雄教授等人首先以有限元法為基礎(chǔ)，提出了考慮材料力學(xué)性能與溫度有關(guān)的焊接熱彈塑性分析理論，導(dǎo)出了分析焊接應(yīng)力應(yīng)變過程的表達式。 1973 年，Vaidyanathan 利用板殼理論，在分析平板對接焊過程焊接應(yīng)力的基礎(chǔ)上，提出了薄壁管對接環(huán)焊縫殘余應(yīng)力的計算方法，并將計算結(jié)果與試驗結(jié)果進行比較，結(jié) 果表明：計算值與試驗值吻合較好。進入九十年代，隨著計算機性能的進一步提高，對焊接應(yīng)力應(yīng)變的研究更深入。 1991 年 Mhani 等人在研究中考慮了耦合的熱應(yīng)力問題，其中熱源分布采用實驗矯正的方法進行處理，同時考慮熔池對流、輻射及傳熱對溫度分布的影響，其殘余應(yīng)力的計算結(jié)果與采用中子衍射測得的結(jié)果吻合很好。加拿大的 等對從室 溫到熔點的焊接熱應(yīng)力進行了研究，提出了各溫度段的本構(gòu)方程。近來英國焊接研究所開發(fā)了一個 “ 結(jié)構(gòu)變形預(yù)測系統(tǒng) ” (SDPS)，可以用來預(yù)測復(fù)雜結(jié)構(gòu)的焊接變形。進入 21 世紀，做焊接數(shù)值模 擬應(yīng)力場的層出不窮。 Afzaal、 等人基于參數(shù)化的數(shù)值模擬利用 ANSYS 研究了不同焊接工藝對焊接殘余應(yīng)力的影響，建立了雙橢球熱源模型，分析了該模型對焊接溫度場及應(yīng)力場的影響。并且她們就薄壁圓筒環(huán)焊應(yīng)力場進行了有限元分析，由溫度場來計算出殘余應(yīng)力場，得到了圓筒軸向應(yīng)力和環(huán)向應(yīng)力的分布情況，使得有限元分析增加了新的內(nèi)容。也就是說，有限元模擬不僅可以模擬板的對接焊，對筒體的環(huán)焊也可以很好地模擬出來，并且做了相關(guān)的殘余應(yīng)力的測試實驗，將二者結(jié)果進行對比，結(jié)果基本吻合。而 Dean Deng 通過 ABAQUS 有限元建立了 “ 熱－冶金－結(jié)構(gòu) ” 3D 有限元模型，研究了低碳鋼和中碳鋼固態(tài)相變對焊接殘余應(yīng)力和變形的影響。 國內(nèi)在 20 世紀 80 年代開始了關(guān)于焊接熱彈塑性理論及在數(shù)值分析方面的研究工作。上海交通大學(xué)出版的《數(shù)值分析在焊接中的應(yīng)用》對當(dāng)時國內(nèi)外的研究成果作了介紹。接著西安交通大學(xué)的樓志文等人把數(shù)值分析應(yīng)用到焊接溫度場和熱彈塑性應(yīng)力場的分析中，編制了熱彈塑性有限元分析程序并對兩個較簡單的焊接問題進行了分析。 20世紀 90 年代，上海交通大學(xué)與日本大阪大學(xué)針對三維焊接應(yīng)力場和變形問題進行了研究和分析，提出了改善計算精度和收斂性的方法，編制了相關(guān)三維焊接計算程序。此外，國內(nèi)的汪建華等人對壓力容器的多層焊接問題進行了研究，計算得到了各層焊后的殘余應(yīng)力分布云圖。西安交通大學(xué)的張建勛采用熱 — 彈塑性有限元法，應(yīng)用有限元方程TEPFEM，分析計算了 Co 基合金靜葉片電子束焊接時的焊接工藝對焊接殘余應(yīng)力的影響。劉仁培等建立焊接凝固裂紋驅(qū)動力數(shù)值模擬模型，并采用單元生死的方法解決了熔池的變形問題，采用熱彈塑性理論處理了固相區(qū)域的應(yīng)力、應(yīng)變本構(gòu)關(guān) 系，從而建立了一種計算凝固裂紋驅(qū)動力的有效方法。 2021 年清華大學(xué)趙海燕、張建強等對多層焊及焊縫金屬熔敷進行了數(shù)值模擬。他們對多層焊焊接金屬的熔敷是通過單元生死技術(shù)來實現(xiàn)的，同時用分段移動熱源模型對焊接過程進行了數(shù)值分析，大大提高了計算效率。武漢理工大學(xué)的朱援祥、王勤等人基于 ANSYS 平臺給出了焊接殘余應(yīng)力數(shù)值模擬的計算流程，并利用 APDL 語言編程實現(xiàn)了該模擬焊接接頭殘余應(yīng)力的大小和分布情況，模擬結(jié)果與實測結(jié)果吻合較好，這對于優(yōu)化焊接工藝設(shè)計具有很好的指導(dǎo)作用。最近，西北工業(yè)大學(xué)的胡美娟，在高性能計算系統(tǒng) 環(huán)境下，基于 ANSYS 的虛擬試驗平臺，以 12mm厚鈦合金平板為研究對象，建立了真空電子束焊接的溫度場有限元數(shù)值計算模型，在溫度場分析的基礎(chǔ)上，基于熱彈塑性有限元理論建立了鈦合金應(yīng)力場有限元數(shù)值計算模文獻翻譯 型，計算獲得了鈦合金真空電子束焊接熱應(yīng)力的發(fā)展變化和殘余應(yīng)力的分布特征。 ANSYS 在焊接有限元分析中的應(yīng)用 目前在工程技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)常用的數(shù)值模擬方法有很多種，包括有限元法、邊界元法、離散單元法和有限差分法，但就其實用性和應(yīng)用的廣泛性而言，主要還是有限元法。有限元法是隨著計算機的發(fā)展而迅速發(fā)展起來的一 種現(xiàn)代計算方法。它是以計算機為手段，通過離散化將研究的對象變換成一個與原結(jié)構(gòu)近似的數(shù)學(xué)模型，再經(jīng)過一系列規(guī)范化的步驟以求解應(yīng)力、應(yīng)變、位移等參數(shù)的數(shù)值計算方法。而相對應(yīng)的典型的程序軟件之一是功能強大的 ANSYS 系統(tǒng)。它不斷吸取計算方法和計算機技術(shù)的最新進展，將有限元分析、計算機圖形學(xué)和優(yōu)化技術(shù)相結(jié)合，已成為現(xiàn)代工程學(xué)問題必不可少的有力工具。 該軟件是美國一家公司開發(fā)的，其功能比較強大，可以分析結(jié)構(gòu)類、流體學(xué)、電場學(xué)、磁場學(xué)、聲場學(xué)等，并且可以耦合其中的兩種或多種的分析軟件。該軟件已經(jīng)得到了全球 工業(yè)界的認可，使用者分布于世界各地。他具有強大而廣泛的分析功能、一體化的處理技術(shù)以及豐富的產(chǎn)品系列和完善的開放體系。 ANSYS 軟件自 20 世紀 70年代產(chǎn)生以來，不斷吸收新的計算方法和計算技術(shù)，它的發(fā)展一直處于前列，并且現(xiàn)在已發(fā)展到 ，應(yīng)用的領(lǐng)域是非常的廣泛，核工業(yè)的各種模擬計算可以實現(xiàn)、石油化工、鐵道類的有限元仿真可以實現(xiàn)；航空航天、能源如果都做實驗的話，那可需要耗費大量的人力物力和財力，而通過 ANSYS 可以進行模擬計算，又實用，成本又低，是各企業(yè)、科研單位等等優(yōu)先選的軟件。 ANSYS 功 能非常強大，主要有以下幾種，其它的不一一列出： （ 1）直接在 ANSYS 系統(tǒng)里建立模型進行計算，也可以連接 CAD 或者其它軟件繪制好模型也可導(dǎo)入到 ANSYS 里進行計算； （ 2）研究的問題主要是和物理、結(jié)構(gòu)相關(guān)，如：應(yīng)力和電磁； （ 3）不需要進行現(xiàn)場試驗，花費大量金錢，節(jié)約成本； （ 4）數(shù)值模擬計算本身也是一種試驗，也是進行科研的一個重要部分和內(nèi)容； （ 5） ANSYS 單元種類比較多，提供了大部分物理場量的分析功能，單元數(shù)到目前已達到 100 多個，應(yīng)用學(xué)科非常的廣泛，尤其在結(jié)構(gòu)力學(xué)上。 本課題主要研究的是利用 軟件進行瞬態(tài)熱分析，它可分為三個步驟： （ 1）在前處理器 PREP7 中建立有限元模型，有限元模型是真實系統(tǒng)理想化的數(shù)學(xué)抽象。本文包括了二維板單元模型、殼單元模型及三維實體模型。建模的最終目的就是 獲得正確的有限元網(wǎng)格模型，而正確的模型及網(wǎng)格劃分需要具有正確的形狀，單元大小密度分布合理，同時要適合于施加邊界條件和載荷，保證變形后仍然具有合理單元形狀，場量分布描述清晰。因此，好的模型是正確網(wǎng)格劃分的前提，同時也是計算成功的保證。建模過程及網(wǎng)格劃分是在 ANSYS 的前處理程序 (PREP7)中進行的。 （ 2）模型建好后退出 PREP7，進入 SOLU 中進行載荷加載和模型的求解。 （ 3）求解完成后可以進入后處理器