【文章內(nèi)容簡介】 接本身各種因素的非線性的特點(diǎn)產(chǎn)生的，而不管是幾維問題都要急需攻克的一個關(guān)鍵點(diǎn)，就是收斂和精度效率問題，由于大的非線性使得整個計(jì)算過程收斂十分困難，計(jì)算時(shí)間過長，王建華(上海交通)和日本大阪大學(xué)進(jìn)行了三維問題的研究探討，就三維分析中的關(guān)鍵問題，收斂和精度效率問題加已分析，提出了一些解決的方法，而且對一些實(shí)例進(jìn)行了實(shí)際的模擬分析，對三維分析還有待進(jìn)一步的研究，以能在保證又快又準(zhǔn)確的條件下，更好的模擬復(fù)雜構(gòu)件 [2022]。熱源的選取是焊接模擬過程中的關(guān)鍵的問題，在以往的二維問題中應(yīng)用高斯熱源就可以很好的模擬，但對于在三維條件下，高斯熱源有些時(shí)候就不能很好的進(jìn)行模擬，蔡洪能等人提出了熱源模型雙橢球運(yùn)動電弧作用，應(yīng)用節(jié)點(diǎn)熱燴的判斷方法，進(jìn)行低碳鋼(A3鋼)板試驗(yàn)中的焊接溫度場中的溫度分布進(jìn)行分析，最終和試驗(yàn)中的結(jié)果的數(shù)據(jù)符合[16,18]。 國內(nèi)外的焊接殘余應(yīng)力研究的現(xiàn)狀起始于20世紀(jì)30年代的一些簡單的試驗(yàn)的測量和數(shù)據(jù)的整理，開始了人們對焊接應(yīng)力應(yīng)變進(jìn)行分析和研究，然后50～60年代通過研究人員理論經(jīng)驗(yàn)和數(shù)據(jù)的不斷積累逐漸的形成了一些在理論方面的權(quán)威理論作品例如梅蘭和帕爾庫斯的《由于定常溫度場而產(chǎn)生的熱應(yīng)力》[2223]和帕爾庫斯單獨(dú)寫的《非定常熱應(yīng)力》[24]，全面的總結(jié)當(dāng)時(shí)人們在焊接應(yīng)力應(yīng)變方面取得的一些進(jìn)展。起初對焊接應(yīng)力應(yīng)變的分析從一維的問題開始，應(yīng)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(xué)者)在分析中加進(jìn)了溫度變化對于材料屬性的影響 [13]。對于尺寸稍大的構(gòu)件，僅僅的解析方法無法滿足分析的需求，人們開始向計(jì)算機(jī)程序編寫的方面推進(jìn)，首次應(yīng)用編寫的程序模擬一維板中堆焊由Tall等人完成 [14]。隨著一維焊接應(yīng)力應(yīng)變的發(fā)展和完善，人們把分析逐步的向二維領(lǐng)域發(fā)展，70年代初，對接焊和平板堆焊的二維應(yīng)力應(yīng)變分析程序就由Iwkai和Muraki編制完善，二維分析成為了可能[13]。這一年代的又一個突破就是對焊接過程的另一個關(guān)鍵因素的考慮，就是焊接過程中金屬的熔敷產(chǎn)生的相變組織變化 [27]。隨著焊接應(yīng)力應(yīng)變理論基礎(chǔ)的不斷的完善，80年代，人們開始注重更深層次的研究，開始研究更加準(zhǔn)確的焊接應(yīng)力應(yīng)變在分布上的趨勢，通過一些計(jì)算數(shù)據(jù)，如Josefson等人定位焊和薄壁管件等焊接應(yīng)力過程研究數(shù)據(jù)的分析，提出了一些精度更高的焊接應(yīng)力分布趨勢和一些消減焊接應(yīng)力應(yīng)變的方法和措施 [28]。焊接應(yīng)力應(yīng)變的研究與計(jì)算機(jī)的發(fā)展密切結(jié)合，向著更加精確和細(xì)致的方面拓寬，對影響焊接應(yīng)力應(yīng)變的因素考慮越來越多，90年代，焊接應(yīng)力應(yīng)變開始考慮焊接過程當(dāng)中熱源的輻射問題、焊接過程中金屬熔化產(chǎn)生的熔敷現(xiàn)象和焊接構(gòu)件和空氣之間的熱傳遞的問題，Mahin等人在考慮了以上的因素的條件下，還考慮了溫度場和應(yīng)力場的耦合關(guān)系，選用實(shí)驗(yàn)的方法來矯正熱源的分布趨勢，計(jì)算出的焊接應(yīng)力和用衍射中子得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果很好的得到了吻合；接下來TTnouce，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]。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。近年來，，得到隨著焊接時(shí)間加長，焊縫周圍的拉伸殘余應(yīng)力有減小的趨勢，而隨著焊接電壓的升高，拉伸殘余應(yīng)力有加強(qiáng)的趨勢[30]。Cleition Carvalho Silva,Jesualdo Pereira Farias 等人用手工電弧焊對小管進(jìn)行了對接焊，并用X射線測量儀器進(jìn)行測量，發(fā)現(xiàn)在相似的焊接參數(shù)條件下，殘余應(yīng)力得到兩種結(jié)果，即可能很大，也可能很小，但是他們還沒有確定到底是哪種參數(shù)的小改變導(dǎo)致焊接殘余應(yīng)力的不一致性[31]。，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。Dean Deng和Hidekazu Murakawa的結(jié)論是在薄板焊接過程中厚度方向幾乎不存在溫度梯度，利用大變形理論數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值比較吻合，而利用小變形理論數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相差較大[33]。二十世紀(jì)九十年代，汪建華等人對焊接過程應(yīng)用三維數(shù)值模擬，認(rèn)為焊接溫度場均屬于典型的非線性瞬態(tài)熱傳導(dǎo)，探討了影響收斂進(jìn)度的因素算，并提出了若干解決計(jì)算精度的問題。1996年，顧強(qiáng)陳和紹蕃，應(yīng)用熱彈塑性應(yīng)力分析理論，有限元法計(jì)算了厚板焊接箱型截面的殘余應(yīng)力分布[34]。2003年，陳麗敏和陳思作，根據(jù)熱彈塑性應(yīng)力理論、有限元理論,用大型有限元軟件ANSYS對焊接工字型截面梁進(jìn)行殘余應(yīng)力分析，分析結(jié)果表明，焊接殘余壓應(yīng)力的分布與截面幾何參數(shù)有關(guān),為用有限元分析焊接工字型截面梁殘余應(yīng)力提供了一種方法[35]。2006年，北京大學(xué)的楊娜，龍麗華等人以有限元分析軟件ANSYS為工作平臺,基于非線性板殼有限元理論,采用殼單元對輕型門式剛架中H型鋼楔形薄壁梁進(jìn)行考慮雙重非線性的全過程分析,分析了殘余應(yīng)力，對變截面和等截面H型鋼梁的相關(guān)屈曲性能的影響,殘余應(yīng)力的存在與否對構(gòu)件相關(guān)屈曲性能影響很大,因此,在H型鋼楔形梁的相關(guān)屈曲分析中必須考慮縱向殘余應(yīng)力的影響，殘余應(yīng)力峰值越大,構(gòu)件延性越好,但是同時(shí)極限承載力越低[36,37]。2007年清華大學(xué)的楊文等人針對鋼板對接焊縫及腹板與翼緣角焊縫連接的工字型截面梁，研究了焊接的溫度場，殘余應(yīng)力分布及殘余變形，并且通過有限元計(jì)算進(jìn)一步研究了由于焊接殘余應(yīng)力的存在，熱影響區(qū)內(nèi)鋼材受力性能的變化[38]。同年哈爾濱工業(yè)大學(xué)的張壯南等人通過比較試驗(yàn)和有限元分析,研究了焊接殘余應(yīng)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(yīng)力分布進(jìn)行了測量，根據(jù)實(shí)測值，建立了接近試驗(yàn)情況的單軸對稱工字形截面殘余應(yīng)力分布模型[11]。同濟(jì)大學(xué)的吳蕓和張其林焊接鋁合金構(gòu)件殘余應(yīng)力試驗(yàn)研究,通過對測試數(shù)據(jù)的分析整理,得出縱向焊接工字型截面構(gòu)件殘余應(yīng)力的分布情況,為進(jìn)一步總結(jié)焊接鋁合金構(gòu)件殘余應(yīng)力的分布規(guī)律及研究殘余應(yīng)力對構(gòu)件承載力的影響提供了基礎(chǔ)。2008年，西安建筑大學(xué)的馮艷輝在其碩士論文中分析了殘余應(yīng)力對焊接梁的影響[9]。2010年清華大學(xué)的班慧勇等在殘余應(yīng)力實(shí)驗(yàn)研究中提出了適用于Q420高強(qiáng)等邊角鋼的較為準(zhǔn)確和安全的殘余應(yīng)力分布模型和計(jì)算公式[40]。 焊接殘余應(yīng)力數(shù)值模擬的發(fā)展趨勢利用計(jì)算機(jī)研究焊接應(yīng)力和變形問題始于20世紀(jì)60年代，主要研究一維焊接應(yīng)力的產(chǎn)生機(jī)制[41]。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]。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。由于焊接過程的復(fù)雜性以及焊接結(jié)構(gòu)三維數(shù)值模擬中自由度大、計(jì)算效率低、計(jì)算精度難以保證等特征。通過近年來三維焊接應(yīng)力變形數(shù)值模擬研究現(xiàn)狀，取得的進(jìn)展和現(xiàn)有關(guān)鍵問題的分析可知，提高模擬計(jì)算的精度和效率是今后焊機(jī)模擬的關(guān)鍵問題[40]：(1)采用合適的熱源模型和動態(tài)可逆自適應(yīng)網(wǎng)格生成技術(shù)可以減少網(wǎng)格和結(jié)點(diǎn)數(shù)目，在保證計(jì)算精度的同時(shí)，可大大提高運(yùn)算效率,但其技術(shù)細(xì)節(jié)及準(zhǔn)確性等迄今尚無報(bào)道；(2)通過適當(dāng)調(diào)整材料高溫性能參數(shù)有利于有限元解的收斂性，提高計(jì)算效率。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。并行操作和高性能數(shù)據(jù)交換開關(guān)是分布式并行系統(tǒng)的開中重要的兩個方面；(4)在焊接物理模擬過程中采用相似理論可以有效減小模擬件的幾何尺寸，減少結(jié)構(gòu)的自由度和計(jì)算工作量，盡管結(jié)構(gòu)的尺寸被縮小，位移、溫度應(yīng)力的結(jié)果也很好吻合，節(jié)省計(jì)算時(shí)間的目的沒有達(dá)到，所以還需要進(jìn)一步的簡化模型。應(yīng)用有限元進(jìn)行三維模擬還存在著這樣或那樣的問題,將三維焊接過程數(shù)值模擬技術(shù)廣泛運(yùn)用于工程實(shí)際，仍然需要進(jìn)一步提高計(jì)算效率和保證計(jì)算精度。 課題的研究內(nèi)容本課題是單軸對稱焊接工字梁殘余應(yīng)力數(shù)值模擬及整體穩(wěn)定性分析，采用理論和有限元分析相結(jié)合,循序漸進(jìn)的技術(shù)路線和步驟，主要研究內(nèi)容如下：(1)建立可行的焊接工字形梁焊接處的三維溫度場及殘余應(yīng)力的動態(tài)模擬分析方法。(2)通過變化參數(shù)對單軸對稱焊接工字梁進(jìn)行數(shù)值分析，分析參數(shù)變化對焊后殘余應(yīng)力的分布規(guī)律的影響。 課題研究技術(shù)路線本課題是單軸對稱焊接工字梁殘余應(yīng)力數(shù)值模擬，采用理論和有限元分析相結(jié)合,循序漸進(jìn)的技術(shù)路線和步驟：首先收集資料進(jìn)行理論分析，結(jié)合已有實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛯?gòu)件作初步設(shè)計(jì)，勾勒出具體的模型，應(yīng)用Ansys中的熱分析和靜力分析,對所建模型進(jìn)行三維有限元模擬，求出模型焊接殘余應(yīng)力的分布與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相比較，驗(yàn)證分析的正確性。然后建立單軸對稱焊接工字梁模型，計(jì)算模型在不同參數(shù)下的焊接殘余應(yīng)力的分布規(guī)律。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(diǎn)采用時(shí)間和空間有限元法，相同程度構(gòu)件細(xì)節(jié)采用彈性構(gòu)件分析，探討焊接過程中，焊料和焊件之間的熱力關(guān)系、焊接殘余應(yīng)力應(yīng)變，以下為焊接過程中應(yīng)用有限元分析的特點(diǎn):(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(nèi)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(guān)，產(chǎn)生的溫度梯度與時(shí)間和位置相關(guān)，但又是極不相同； (3)局部熱產(chǎn)生的歷史和力學(xué)的應(yīng)力應(yīng)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(gòu)件的連接；(5)連續(xù)介質(zhì)的概念將受到懷疑，因?yàn)榭赡茉谂R界點(diǎn)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(jì)困難的難題。另一個工業(yè)和加工過程中存在的問題是，在分析前需要確定的很多材料隨溫度變化的性能參數(shù)，現(xiàn)在高溫下的性能參數(shù)數(shù)據(jù)非常少，基本屬于空白狀態(tài)。 焊接有限元模型的簡化焊接過程是一個涉及到多個學(xué)科共同作用和多個物理現(xiàn)象的復(fù)雜過程。，在焊接有限元分析中所要輸入和輸出的基本的參數(shù)。并在分析中突出了相變對焊接過程的影響，焊接溫度場應(yīng)力場及顯微組織之間的影響。，強(qiáng)烈影響用實(shí)箭頭表示，較弱影響用虛線箭頭表示。，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。本文僅研究了單向耦合問題。此外，本文還考慮了相變潛熱對溫度場的影響。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]。溫度場三維熱傳導(dǎo)控制方程如下： ()式中，—內(nèi)熱源；—材料比熱容；—溫度場溫度分布函數(shù)；—材料密度；—傳熱時(shí)間；—材料導(dǎo)熱系數(shù)。在給定初始條件的情況下可以對上述的泛定方程求得定解。過程開始時(shí)整個區(qū)域已經(jīng)具有的已知溫度，即：或 ()式中，—表示均勻初始溫度的已知常數(shù)；—表示不均勻初始溫度的已知函數(shù)以下幾類為焊接溫度場中常用的邊界條件：第一類邊界條件，已知邊界上的分度分布 ()第二類邊界條件，已知邊界上熱流密度函數(shù)分布 ()第三類邊界條件，已知邊界上物體與周圍介質(zhì)熱交換函數(shù)分布 ()式中：—單位面積上外熱源；—表面熱交換系數(shù)；—周圍介質(zhì)溫度分布函數(shù)；,—各軸邊界外法線方向余弦。 非線性瞬態(tài)