【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 分的網(wǎng)格要比較致密，控制焊縫單元網(wǎng)格的長(zhǎng)度，并劃分很多時(shí)間步減小步長(zhǎng)進(jìn)行計(jì)算，這會(huì)使計(jì)算時(shí)間大幅延長(zhǎng)[14]。為了解決這個(gè)問(wèn)題，王煜等在雙橢球熱源模型的基礎(chǔ)上提出了分段移動(dòng)雙橢球熱源模型，所示。與分段移動(dòng)高斯熱源模型類(lèi)似，在較高的焊接速度下，在焊縫上施加的移動(dòng)熱源可以近似看做為段狀熱源。將較長(zhǎng)的焊縫劃分成若干段，在每一段內(nèi)的節(jié)點(diǎn)上同時(shí)作用雙橢球形熱源。在垂直于焊接方向的截面上熱流密度為雙橢球形熱源分布函數(shù)，而沿焊接方向上的熱流密度則為均勻分布，所以焊接方向上可以用比較大的尺寸進(jìn)行網(wǎng)格劃分。每一段焊縫可以劃分為較少的時(shí)間步，每步采用較大的步長(zhǎng)進(jìn)行計(jì)算。按照焊接順序?qū)⒋说刃Ф螤顭嵩匆来问┘拥礁鞫紊?，模擬出焊接熱源的移動(dòng)。由于劃分的時(shí)間步較少，用較大的尺寸劃分網(wǎng)格，減少了計(jì)算量，縮短了計(jì)算時(shí)間[14,28,29]。雙橢球熱源模型考慮了熔滴過(guò)渡形成的內(nèi)熱源，模擬的熔池形狀與實(shí)際的焊縫熔合線在熔池內(nèi)部較為吻合，但是在熔池表面溫度較低。為了求得準(zhǔn)確的計(jì)算結(jié)果，可以采用組合熱源。組合熱源模型是將表面熱源與體熱源二者相結(jié)合，使模擬的熱源模型能夠兼顧能量在熔池表面和內(nèi)部的分布，更加接近焊接過(guò)程的實(shí)際情況[3033]。通常將焊件的熱輸入分為兩部分，一部分為電弧熱量，采用高斯型熱源分布函數(shù)作為表面熱源進(jìn)行模擬；另一部分為熔滴熱量，采用雙橢球型熱源分布函數(shù)作為內(nèi)熱源進(jìn)行模擬。一般選擇電弧熱量占總熱量的40%，熔滴熱量占總熱量的60%[4,3436]。焊接冷卻過(guò)程中相變潛熱的釋放，將對(duì)瞬態(tài)溫度分布產(chǎn)生影響，減小焊件的冷卻速度。因此，在分析焊接熱傳導(dǎo)問(wèn)題時(shí)應(yīng)考慮相變的影響。其中，液固相變起主要作用，而固態(tài)相變影響較小。對(duì)于結(jié)晶溫度范圍較寬的合金，目前多采用等價(jià)比熱容法處理液固相變潛熱。單位質(zhì)量金屬在相變溫度范圍內(nèi)變化單位溫度所引起的熱量變化可以理解成比熱容，實(shí)際上這個(gè)比熱容包括兩部分即材料的真正比熱容和潛熱引起的比熱容增加，稱(chēng)此比熱容為等價(jià)比熱容或有效比熱容(亦稱(chēng)當(dāng)量比熱容)[37]。關(guān)于相變與溫度場(chǎng)的耦合問(wèn)題，國(guó)外研究較多。2000年，Ronda等用統(tǒng)一的方法推導(dǎo)了相變規(guī)律和相變塑性，建立了相容的TMM模型(thermomechanometallurgicalmodel)，并形成了系統(tǒng)理論。這個(gè)模型研究了溫度變化以及應(yīng)力應(yīng)變變化對(duì)相變的影響。并用此模型分析了厚板對(duì)接3道焊和16道焊的溫度場(chǎng)、相變規(guī)律和殘余應(yīng)力[3844]。關(guān)于焊接熱傳導(dǎo)的數(shù)值分析，目前尚存在的一些主要問(wèn)題是[14,13,45]：(1) 計(jì)算中缺乏材料的高溫?zé)嵛锢硇阅軈?shù)。許多材料的高溫，尤其是接近熔點(diǎn)的熱物理性能沒(méi)有相應(yīng)數(shù)據(jù)，某些材料只有室溫狀態(tài)下的性能參數(shù)，這給非線性計(jì)算帶來(lái)困難，也造成了計(jì)算結(jié)果與實(shí)際條件的偏差。(2) 熱源分布參數(shù)的確定。電弧的有效加熱半徑及熱量分布形式與焊接方法和規(guī)范有關(guān)，還需要進(jìn)一步的研究。(3) 電弧有效利用系數(shù)的選取。必須根據(jù)實(shí)際焊接情況正確選取。(4) 焊接熔池的處理。基于固體熱傳導(dǎo)微分方程式，進(jìn)行焊接冶金分析以及焊接力學(xué)行為的分析，能夠保證足夠的精度，不需考慮焊接熔池內(nèi)部液態(tài)金屬的對(duì)流傳熱特點(diǎn)。但是，如果要進(jìn)行焊接熔池行為的動(dòng)態(tài)數(shù)值模擬時(shí)，就必須分析研究焊接熔池中的流體哈爾濱工程大學(xué)博士學(xué)位論文6動(dòng)力學(xué)狀態(tài)。與此同時(shí)，焊接有限元模擬的領(lǐng)域也已經(jīng)拓展到了熔池反應(yīng)、凝固、固態(tài)相變、焊接接頭的性能等各個(gè)方面[13]。 焊接殘余應(yīng)力場(chǎng)的數(shù)值模擬焊接應(yīng)力與應(yīng)變的數(shù)值分析研究包括：焊接動(dòng)態(tài)應(yīng)力應(yīng)變過(guò)程、相變應(yīng)力、焊接殘余應(yīng)力與殘余變形、消除應(yīng)力處理、焊接裂紋及其力學(xué)指標(biāo)、拘束度與拘束應(yīng)力、高精度焊接變形的預(yù)測(cè)等[14]。20世紀(jì)70年代，上田幸雄等在焊接熱彈塑性分析理論的基礎(chǔ)上進(jìn)行深入研究，創(chuàng)建了一門(mén)新的學(xué)科“焊接計(jì)算力學(xué)”。他們還發(fā)展了固有應(yīng)變理論，進(jìn)行焊接殘余應(yīng)力的預(yù)測(cè)[46]。Rybicki等分析了304不銹鋼管道對(duì)接接頭的殘余應(yīng)力分布，建立了軸對(duì)稱(chēng)的熱彈塑性有限元模型，并與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了比較。他們還分析了不銹鋼管道多層多道焊的殘余應(yīng)力產(chǎn)生機(jī)制，其計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好[46,47]。 管道環(huán)焊縫內(nèi)表面殘余應(yīng)力[46,47]Fig. Segmented moving double ellipsoid heatL. E. Lindgren等采用殼單元對(duì)平板對(duì)接焊縫和薄壁管道環(huán)焊縫的殘余應(yīng)力進(jìn)行了研究。計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合較好，說(shuō)明殼單元適用于分析薄壁結(jié)構(gòu)焊接殘余應(yīng)力。計(jì)算結(jié)果還表明，除起焊端外，殘余應(yīng)力基本上呈軸對(duì)稱(chēng)分布；切向殘余壓應(yīng)力區(qū)從焊縫中心沿著軸線逐漸減小，這是由相變引起的體積變化造成的[46,48]。環(huán)焊縫殘余應(yīng)力的影響進(jìn)行了研究，建立了管道對(duì)接接頭的三維有限元模型。結(jié)果表明，切向殘余應(yīng)力在內(nèi)外表面均為拉應(yīng)力；而軸向殘余應(yīng)力在近縫區(qū)內(nèi)表面為拉應(yīng)力，外表面為壓應(yīng)力；薄壁管道焊后產(chǎn)生較小的軸向殘余應(yīng)力和較大的切向殘余應(yīng)力[46,49]。第 1 章 緒論7T. Inoue等對(duì)于焊接過(guò)程中溫度變化引起的相變進(jìn)行了研究，分析了溫度、相變和熱應(yīng)力三者之間的耦合效應(yīng)。并提出了考慮耦合效應(yīng)的本構(gòu)方程一般形式。對(duì)于熱彈塑性問(wèn)題所涉及到材料物理性能x可以由公式（11）計(jì)算得出我國(guó)在20世紀(jì)80年代初開(kāi)始進(jìn)行焊接數(shù)值模擬的研究工作。1996年汪建華等采用三維熱彈塑性有限元法編制了三維瞬態(tài)焊接溫度場(chǎng)的有限元計(jì)算機(jī)程序，并對(duì)焊接過(guò)程中的動(dòng)態(tài)應(yīng)力應(yīng)變及焊后殘余應(yīng)力和變形進(jìn)行了數(shù)值模擬，探討了提高焊接過(guò)程三維熱彈塑性有限元分析精度和收斂性的途徑，包括焊接溫度場(chǎng)的準(zhǔn)確計(jì)算、熱源模型的選取、網(wǎng)格劃分和時(shí)間步長(zhǎng)的正確選取、從彈性階段過(guò)渡到塑性階段時(shí)引入加權(quán)系數(shù)、高溫時(shí)材料性能匹配等[14,5461]。2000年魏艷紅等對(duì)不銹鋼焊接凝固裂紋的驅(qū)動(dòng)力即熔池尾部應(yīng)變場(chǎng)進(jìn)行了模擬，得哈爾濱工程大學(xué)博士學(xué)位論文8出了各種條件下的焊接應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)。計(jì)算結(jié)果表明，建立凝固裂紋計(jì)算模型應(yīng)考慮熔池內(nèi)的變形、凝固收縮等因素對(duì)熔池尾部的應(yīng)力、應(yīng)變發(fā)展變化的影響。之后，他們研究了材料在凝固裂紋敏感溫度區(qū)間內(nèi)，焊縫金屬應(yīng)變場(chǎng)和位移場(chǎng)的動(dòng)態(tài)場(chǎng)演變過(guò)程，得到了10mm厚板的凝固裂紋驅(qū)動(dòng)力曲線，并與前人實(shí)驗(yàn)測(cè)量的凝固裂紋阻力曲線進(jìn)行了比較，初步預(yù)測(cè)了SUS310不銹鋼凝固裂紋敏感性。還研制了一個(gè)焊接凝固裂紋數(shù)值模擬軟件系統(tǒng)。該軟件系統(tǒng)可以模擬和預(yù)測(cè)二維焊接構(gòu)件是否產(chǎn)生焊接凝固裂紋。但是針對(duì)的是二維薄板的平面應(yīng)力狀態(tài)，還不能直接用于精確預(yù)測(cè)厚板或三維焊接構(gòu)件的凝固裂紋敏感性[14,6264]。2000年鹿安理等探討了提高焊接過(guò)程仿真的效率和精度的若干關(guān)鍵問(wèn)題，研究了網(wǎng)格自適應(yīng)技術(shù)，采用不同求解器對(duì)并行計(jì)算中并行加速比的影響，以及材料高溫性能對(duì)計(jì)算時(shí)間和計(jì)算精度的影響等。之后，他們利用網(wǎng)格自適應(yīng)技術(shù)，對(duì)厚板焊接過(guò)程溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，為大幅度縮短復(fù)雜結(jié)構(gòu)焊接過(guò)程數(shù)值模擬的時(shí)間創(chuàng)造了條件。在求解過(guò)程中．采用了弱耦合解法，在完成溫度場(chǎng)分析后,再根據(jù)溫度場(chǎng)的結(jié)果計(jì)算應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)[65,66]。蔡志鵬等利用因次分析法、方程分析法推導(dǎo)出了焊接條件下模擬件溫度場(chǎng)應(yīng)滿(mǎn)足的相似準(zhǔn)則，得到實(shí)物與模擬件間應(yīng)力和變形的相似關(guān)系。并利用平板表面堆焊三維有限元數(shù)值模擬進(jìn)行驗(yàn)證，得到了較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。采用相似理論可以有效地縮小模擬件的幾何尺寸，減少計(jì)算節(jié)點(diǎn)，節(jié)省計(jì)算時(shí)間。他們采用串熱源模型、多CPU并行計(jì)算、相似理論方法等對(duì)三峽工程用1200t大型橋式起重機(jī)主梁的焊接進(jìn)行了數(shù)值模擬，研究了在裝配、焊接過(guò)程中主梁撓度的變化及焊后殘余撓度值，得到了主梁焊接變形的變化規(guī)律及數(shù)值。結(jié)果表明，數(shù)值模擬結(jié)果和實(shí)測(cè)結(jié)果一致[6773]?；袅⑴d等對(duì)低碳鋼管道對(duì)接接頭進(jìn)行了三維有限元分析。通過(guò)單元生死技術(shù)，模擬了焊縫的填充和熱源的移動(dòng)過(guò)程，計(jì)算值與實(shí)測(cè)值基本一致。計(jì)算結(jié)果還表明，切向殘余應(yīng)力在焊接接頭的內(nèi)外表面均為拉應(yīng)力；而軸向殘余應(yīng)力在內(nèi)表面為拉應(yīng)力，在外表面則為壓應(yīng)力[53,74]。2002年薛忠明等認(rèn)為連續(xù)統(tǒng)力學(xué)、現(xiàn)代數(shù)值方法和計(jì)算機(jī)技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物——計(jì)算連續(xù)統(tǒng)力學(xué)，是解決焊接、鑄造等復(fù)雜熱加工工藝模擬的有力工具。從連續(xù)統(tǒng)力學(xué)的觀點(diǎn)來(lái)看，焊接過(guò)程屬于瞬時(shí)邊值問(wèn)題，其本構(gòu)方程考慮了熱傳輸物理、熱膨脹力學(xué)、材料微觀組織變化過(guò)程及相變。建立的焊縫金屬熔敷及隨溫度變化的熱彈塑性材料模第 1 章 緒論9型，邊界條件考慮了焊接熱輸入和表面熱損失。而在材料非線性和幾何非線性的情況下，進(jìn)行焊接過(guò)程的熱力模擬時(shí)，要進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化[14,75]。焊接熱彈塑性理論和方法為研究復(fù)雜的殘余應(yīng)力分布提供了有力的工具。隨著計(jì)算機(jī)和數(shù)值分析技術(shù)的飛速發(fā)展，在焊接殘余應(yīng)力和變形研究方面已取得了巨大進(jìn)展。目前已經(jīng)研究了各種接頭形式(如對(duì)接接頭、角接接頭、Slit接頭、大厚度深坡口的多道焊接頭等)以及各種復(fù)雜連接的焊接應(yīng)力分布形態(tài)(如管板連接、三維管接頭連接等)。這些研究對(duì)了解復(fù)雜結(jié)構(gòu)的焊接殘余應(yīng)力的分布特征以及控制措施提供了依據(jù)[76]。然而，由于焊接殘余應(yīng)力和變形的復(fù)雜性，至今仍有不少問(wèn)題需要進(jìn)一步的研究和解決。主要問(wèn)題有[76]：(1)由于焊接過(guò)程與焊接結(jié)構(gòu)的復(fù)雜多樣性，要建立一個(gè)符合實(shí)際情況的計(jì)算模型，包括焊接熱源、坡口形式、是否多道焊、焊接順序、結(jié)構(gòu)形狀尺寸等，必須抓住最主要的影響因素，而將一些影響比較小的因素進(jìn)行簡(jiǎn)化，這需要反復(fù)選擇并具備一定的經(jīng)驗(yàn)。(2)熱彈塑性分析需要考慮材料的熱物理性能、力學(xué)性能與溫度的關(guān)系。而材料在高溫，特別是接近熔點(diǎn)時(shí)的性能參數(shù)的缺乏，使得在計(jì)算時(shí)需要作出某些假定，這必然會(huì)影響最后的計(jì)算精度。另外不能忽略低合金高強(qiáng)鋼焊接時(shí)，焊縫和熱影響區(qū)冶金相變的引起的應(yīng)力與組織的影響。(3)針對(duì)大型結(jié)構(gòu)或非均質(zhì)材料的平行計(jì)算問(wèn)題。大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)應(yīng)力—變形求解方法仍然受到長(zhǎng)期關(guān)注。 核反應(yīng)堆中異種金屬管板焊接結(jié)構(gòu)的數(shù)值模擬 異種金屬焊接及其數(shù)值模擬能源工業(yè)中，在不同的服務(wù)條件下運(yùn)行的不同部件/系統(tǒng)要求使用合適的材料。在高溫運(yùn)行的部件需要使用不銹鋼，而在低溫運(yùn)行的部件則使用鐵素體鋼。因此，為了連接不同材料的部件/系統(tǒng)，不可避免的出現(xiàn)異種材料接頭，例如，用于蒸汽發(fā)生器的奧氏體不銹鋼與鐵素體鋼的異種材料管接頭。異種金屬接頭容易失效，其原因在于：（a）兩種鋼材的機(jī)械性能和熱膨脹系數(shù)不同（奧氏體不銹鋼與鐵素體鋼的熱膨脹系數(shù)分別為/K），以及在界面處出現(xiàn)的蠕變；（b）兩種不同金屬的合金化問(wèn)題，例如，脆性相的生成與稀釋?zhuān)唬╟）碳元素從鐵素體鋼向不銹鋼的擴(kuò)散，使得鐵素體鋼的熱影響區(qū)變?nèi)?；（d）界面處的擇優(yōu)氧化；（e）焊接接頭中的殘余應(yīng)力；（f）服務(wù)條哈爾濱工程大學(xué)博士學(xué)位論文10件及其他因素等。異種金屬焊接接頭的失效分析及相關(guān)文獻(xiàn)表明，大量的失效發(fā)生在鐵素體鋼一側(cè)的熱影響區(qū)。焊接接頭中的殘余應(yīng)力是引起失效的主要因素之一[77,78]。在壓水式反應(yīng)堆（PWRs, Pressurized Water Reactors）中，低合金鋼與不銹鋼因?yàn)槠鋬?yōu)良的機(jī)械性能而被廣泛應(yīng)用于主系統(tǒng)。如在韓國(guó)設(shè)計(jì)的OPR1000（Optimized PowerReactor 1000MWe）和APR1400（Advanced Power Reactor 1400MWe）發(fā)電廠中，主系統(tǒng)冷卻劑管路由覆蓋不銹鋼的低合金鋼制成。主要的支線由不銹鋼制成以提供合適的強(qiáng)度和抗腐蝕性。多數(shù)情況下，使用Inconel（鉻鎳鐵合金）焊絲進(jìn)行低合金鋼構(gòu)件與不銹鋼管的連接，形成異種金屬焊接接頭。Inconel焊絲可以減小兩種金屬在成分和熱膨脹系數(shù)上的差異。，可見(jiàn)，在主管道系統(tǒng)中很多位置都是異種金屬焊接接頭[79]。 在壓水式反應(yīng)堆中異種金屬焊接接頭的典型位置[79]Fig. Locations of dissimilar metal welds in typical PWRs2005年，–1Mo鐵素體鋼與AISI型316不銹鋼管接頭進(jìn)行試驗(yàn)，在鐵素體鋼一側(cè)堆焊了Inconel82的隔離層，填充金屬也是Inconel82，分析焊接接頭中殘余應(yīng)力的分布，并與沒(méi)有使用隔離層的焊接接頭進(jìn)行對(duì)比。研究表明，在焊接接頭中堆焊Inconel82隔離層能夠降低鐵素體鋼熱影響區(qū)中的殘余應(yīng)力，因而隔離層有益于避免或減小與殘余應(yīng)力有關(guān)的異種材料焊接接頭的失效[77]。為了對(duì)異種金屬焊接進(jìn)行設(shè)計(jì)和完整性評(píng)估，2008年Changheui Jang等分析了采用第 1 章 緒論1Inconel82/182焊縫和不銹鋼F316的焊接接頭的顯微組織，顯微硬度和拉伸強(qiáng)度。焊接前，在SA508一側(cè)用鎢極氣體保護(hù)焊堆焊2道Inconel82隔離層，厚5mm，然后在615℃進(jìn)行熱處理來(lái)釋放殘余應(yīng)力[79]。2009年，材料對(duì)接管接頭的熱機(jī)械行為和殘余應(yīng)力分布，填充金屬采用E38L。使用鉆孔法測(cè)量了焊接試樣表面的殘余應(yīng)力，將有限元分析結(jié)果與試驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)相對(duì)比，來(lái)評(píng)估有限元模型的準(zhǔn)確性，并利用此模型研究了V型坡口8mm厚異種金屬管接頭的切向和軸向殘余應(yīng)力。研究表明，焊接熱輸入對(duì)奧氏體鋼一側(cè)的焊接殘余應(yīng)力分布有很大影響[8089]。2010年，Dean Deng等利用熱彈塑性有限元分析方法研究了熔覆、堆焊和焊后熱處理對(duì)異種金屬管接頭殘余應(yīng)力的影響。，左側(cè)為SFVQ1A低合金鋼管，右側(cè)為SUSF316奧氏體不銹鋼管，焊縫金屬為鎳基合金Alloy82（36焊道）。在低合金鋼管內(nèi)表面有金屬熔覆層Y308，右端坡口表面堆焊隔離層鎳基合金Alloy82[90]。 異種金屬管接頭結(jié)構(gòu)[90]Fig. Dimension of dissimilar metal pipe in the s