【文章內(nèi)容簡介】 少網(wǎng)格的數(shù)量。要獲得一個良好的瞬態(tài)焊接溫度場，焊縫處的單元網(wǎng)格最好為 [24]，遠離焊縫區(qū)域的單元網(wǎng)格為 5mm。網(wǎng)格劃分需要如下步驟：1 設(shè)置單元尺寸；2 激活焊縫材料的屬性；3 設(shè)定網(wǎng)格劃分方式；4 儲數(shù)據(jù)庫；5 生成網(wǎng)格。 設(shè)置求解選項，并施加約束在求解處理器中定義分析類型為瞬態(tài)分析，求解方式為完全法，對焊件的底邊和側(cè)邊分別約束 Y 向與 X 向位移并施加初始溫度荷載。施加約束后的模型如圖所示。圖 施加約束后的模型其具體步驟是：（1）設(shè)定分析類型，選擇瞬態(tài)分析；（2）選擇左邊節(jié)點；（3）施加約束；（4）選擇左右兩邊的節(jié)點；（5）施加溫度約束；（6）選擇所有實體。 載荷的施加對于焊接熱源載荷，在 ANSYS 中可以熱流密度或生熱率兩種形式施加。對于開坡口的對接焊縫或填角焊縫等，應(yīng)將熱源作為焊縫單元內(nèi)部生熱處理，以生熱率的形式施加載荷，同時考慮金屬的填充作用，運用生死單元的方法，逐步將填充焊縫轉(zhuǎn)化為生單元參與計算中。圖 施加約束后的第一級顯示圖圖 施加約束后的第二級焊縫顯示圖對本課題研究模型加載過程具體步驟是：（1）設(shè)置輸出選項；（2）對整體施加初始溫度值（20℃） ；（3）設(shè)置時間積分控制；（4）殺死焊縫上半部單元；（5）選擇焊縫處的激活的單元和節(jié)點；（6）對焊縫處施加溫度約束（1500℃） ；（7）設(shè)置時間步選項并按步驟寫入載荷，結(jié)構(gòu)如圖所示。 載荷步的確定在進行非線性的瞬態(tài)分析過程中，我們要設(shè)置載荷步。載荷步是為了表達隨時間變化的載荷，也就是說把載荷—時間曲線分成載荷步，分析時對于每一個載荷步都要定義載荷值和對應(yīng)的時間值，每計算一個載荷步時，都要刪掉上一個載荷步的溫度，每個載荷步需要多個載荷子步。時間步長的大小關(guān)系到計算的精度。步長越小，計算精度越高，同時計算的時間越長。根據(jù)線性傳導(dǎo)熱傳遞，可以按如下公式估計初始時間步長： ITS???24其中 為沿熱流方向熱梯度最大處的單元的長度， 為導(dǎo)溫系數(shù)，它等于導(dǎo)熱系?數(shù)除以密度與比熱的乘積（ )。??kc在本課題，受到硬件條件的限制，簡化將焊接過程設(shè)置為 7 個載荷步。 單元的生死大型構(gòu)件的焊接常用手工電弧，若焊接方法為多道焊，因為焊接過程中，焊縫金屬是隨層逐漸熔敷上去的，熔池區(qū)金屬處與融化狀態(tài)，既進入零力學(xué)性能狀態(tài)，其所有應(yīng)力應(yīng)變將消失，這時就需要采用生死單元技術(shù) [25]。在 ANSYS 軟件中，并不是將“釘死”的單元從模型中刪除而達到“單元死”的效果，而是將其剛度矩陣乘以一個很小的因子。同樣，單元的“出生”也不是將其加入到模型中，而是先生成再全部殺死，然后在合適的載荷步中重新激活它。這又涉及到單元的“殺死”或“出生”的指定準則問題及相關(guān)問題。為了模擬多層焊縫的焊接過程，本課題采用兩級焊縫，建模時已經(jīng)以圓弧形式將各級焊縫區(qū)分，當?shù)谝粚雍缚p開始焊接時，該層單元處于“活”的狀態(tài)，其余焊縫則處于“死”的狀態(tài)，對溫度場和應(yīng)力場的計算不起作用，第 2 層焊縫開始焊接時，該層焊縫的單元“復(fù)活” 。焊接熱源隨著焊縫單元的“復(fù)活”逐漸加到焊縫單元上。本課題將第二層焊縫殺死后的效果如下圖所示：圖 一級焊縫效果圖 分析選項的確定焊接溫度場的分析是典型的非線性瞬態(tài)熱傳導(dǎo)問題，如果分析選項設(shè)置不當，通常會導(dǎo)致計算難收斂。為此，需作如下設(shè)置:采用 Full Newton Raphson(牛頓拉普森)方法，每進行一次平衡迭代，就修正一次剛度矩陣，同時激活自適應(yīng)下降功能；打開自動時間步長；打開時間步長預(yù)測；時間步長的設(shè)置通常對計算精度產(chǎn)生很大的影響，步長越小，計算越精確，但過小的時間步長需要很大的計算機容量和很長的計算時間。在焊接過程中一般時間步長應(yīng)控制在 左右，在冷卻過程中，可逐步增大時間步長。本文在確保焊縫處單元網(wǎng)格足夠細小的情況下，試選幾個時間步長進行計算。每次計算將前一次的時間步長逐步減小的方法進行，當相鄰兩次計算結(jié)果的溫度場相籌不大時可以認為時間步長足夠小 [26]。ANSYS 中提供了 5 種求解器，選用哪種求解器可依據(jù)求解的自由度數(shù)量、所花費的時間和要求的內(nèi)存而定。對于焊接一般采用程序自動選擇求解器的方法可得到比較好的計算效果。ANSYS 的方程求解器計算多個聯(lián)立線性方程來預(yù)測工程系統(tǒng)的響應(yīng)，然而非線性結(jié)構(gòu)的行為不能直接用多個線性方程表示，而需要多個帶校正的線性近似求解。3 模擬結(jié)果及分析ANSYS 后處理就是查詢計算結(jié)果并對計算結(jié)果進行處理，用以判斷網(wǎng)格是否精確、分析結(jié)果是否正確。ANSYS 軟件的后處理包括通用后處理 POSTI 和時間歷程后處理 POST26 兩大模塊。在后處理中，可查看整個模型在某一載荷步或子步的計算值，如某一時間點焊件上各點的各種應(yīng)力、應(yīng)變值和溫度值。而時間歷程后處理則查看某點的值隨時間變化的狀況，如整個焊接過程中，某點的應(yīng)力、應(yīng)變值和溫度隨時間如何變化。若要查看整個焊件在整個焊接過程中溫度和應(yīng)力的動態(tài)變化，可用ANSYS中的動畫顯示技術(shù)。在后處理中可通過列表和繪圖的形式顯示查詢結(jié)果。ANSYS中的誤差估計是基于能量分布的，它主要考慮了單元網(wǎng)格的尺寸精度。一般計算結(jié)果中能量誤差值應(yīng)低于10%，否則需將網(wǎng)格進行細化 [27]。圖 t= 時的溫度場圖 t= s 時的溫度場圖 t= 時的溫度場圖 t=10s 時的溫度場圖 冷卻 5000 秒后的的溫度場溫度場的數(shù)值模擬是應(yīng)力應(yīng)變數(shù)值模擬的基礎(chǔ)，同時溫度場的分布對應(yīng)力應(yīng)變的分布有著極大的影響。圖()圖（）是各個溫度的瞬態(tài)變化圖，依次描繪了各個關(guān)鍵時刻的溫度場，能夠反映在焊接過程中焊縫的融合區(qū)的金屬通過加熱，然后熔化和隨后冷卻凝固的全部的過程?？梢哉f明焊接熱過程具有的基本特點（1）加熱區(qū)域小，加熱溫度高。它造成焊件上各個點間出現(xiàn)很大的溫度梯度，這可以從圖片中兩種的顏色的突變看出。 （2）加熱時間短，溫度分布不穩(wěn)定；對于焊件的某一點而言，受到的加熱作用時間極短，可視為一個瞬間 [28]。即當焊接熱源接近焊件上某一點的時候，熱源的熱量將使該點迅速加熱升溫，隨著熱源的離去，熱量將導(dǎo)出而使其溫度降低?？梢姡讣系膫鳠徇^程是一個非穩(wěn)定狀態(tài)的傳熱過程。圖()和圖（）是進行一級焊時候的溫度場，可以看見焊縫區(qū)及其附近已達到融化狀態(tài)；圖()二級焊時的瞬態(tài)溫度場，焊縫區(qū)的溫度都已達到1500℃，這是溫度梯度比較大，可以很明顯看出焊件正在加熱，因為離焊縫遠的部位還處于室溫狀態(tài)；圖（）是焊件的冷卻過程中的溫度，可以看到焊縫區(qū)的溫度逐漸降低，非焊縫區(qū)的溫度逐漸上升，而且，隨離焊縫的距離增大而減少，()和圖（ ）可以發(fā)現(xiàn)，在焊縫兩側(cè)溫度分布是一樣的。 應(yīng)力場的模擬圖 t= 時的應(yīng)力場圖 t= 時的應(yīng)力場圖 t= 時的應(yīng)力場圖 t=10s 時的應(yīng)力場圖 冷卻 5000 秒后的應(yīng)力場圖 沿 X軸橫向應(yīng)力分布情況圖 沿厚度方向應(yīng)力分布情況應(yīng)力場顯示如上圖（）至圖（）：從圖中可以看到各個點的某一時刻的瞬態(tài)內(nèi)應(yīng)力圖，還可以看到一些應(yīng)力集中的點（如圖片中紅色的位置） ，因為這些地方的內(nèi)應(yīng)力比較大，而且比較集中。還可以看見焊件受溫差作用而引起的熱應(yīng)力，這種瞬時熱應(yīng)力隨時間急劇變化，當溫度梯度較大、隨時間的變化率較大時，這種瞬態(tài)內(nèi)應(yīng)力作用在焊件的內(nèi)部。對比溫度場圖（） 、圖（）和應(yīng)力場圖（） 、圖（）可以看出，此時第一層焊縫中心部位溫度已 1200 度以上，其焊縫中心區(qū)金屬鋼受熱不均勻所引起的熱應(yīng)力在焊縫中心區(qū)達到或超過了鋼的屈服強度，則焊縫中心區(qū)域產(chǎn)生塑性變形，并且焊縫周圍鋼的受熱膨脹受到兩側(cè)母材的拘束，所以在焊縫周圍也產(chǎn)生熱應(yīng)力；隨著第二道焊的進行，由于對第一道焊加熱，使得第一道焊的殘余應(yīng)力基本上被消除；在焊縫冷卻過程中，由于焊縫的收縮，在接近焊縫的一個較窄的區(qū)域產(chǎn)生了拉伸應(yīng)力，如圖（）和（）所示；而通過圖（）則可以發(fā)現(xiàn)，焊接殘余應(yīng)力分布是不均勻的，并且殘余應(yīng)力只是存在焊縫和近焊縫區(qū)，則最大殘余應(yīng)力出現(xiàn)在熔化區(qū)附近，隨著離焊縫的距離增大，殘余應(yīng)力逐漸變?yōu)榱?。圖()和圖()分別表示沿 X 軸方向的橫向應(yīng)力分布情況和沿厚度方向的應(yīng)力分布情況，通過圖可以得出:焊接殘余應(yīng)力分布是不均勻的，焊后收縮趨勢愈大的區(qū)域應(yīng)力值愈大，既是在接近焊縫的一個很窄的區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生了拉應(yīng)力，其最大值可達到材料的屈服強度值；在其相鄰區(qū)域產(chǎn)生壓應(yīng)力。圖 焊件銅上層表面的等效應(yīng)力分布圖 焊件中間層的橫向應(yīng)力和等效應(yīng)力分布圖圖 焊縫鋼下層表面的等效應(yīng)力分布圖從圖（）可以看出在曲線橫坐標 X=（ ）這個區(qū)間為焊縫所在位置，其應(yīng)力也最大，通過這個區(qū)間的應(yīng)力峰值比較及圖()與圖（）兩表面層應(yīng)力分布可以發(fā)現(xiàn)焊縫鋼的上下層得殘余應(yīng)力是一樣的，通過橫向應(yīng)力分布圖（）還可以看出在焊縫區(qū)其應(yīng)力值為正，表現(xiàn)為拉應(yīng)力，在其他區(qū)域正為負，表現(xiàn)為壓應(yīng)力。理論上在焊接過程中，焊接區(qū)以遠高于周圍區(qū)域的速度被急劇加熱并局部熔化。焊接區(qū)材料受熱膨脹，熱膨脹受到周圍較冷的區(qū)域的約束，并造成熱應(yīng)力，受熱區(qū)域溫度升高后屈服強度極限下降，熱應(yīng)力可部分超過該屈服極限，這樣焊接區(qū)形成了塑性的熱壓縮。冷卻后，焊接區(qū)比周圍區(qū)域相對縮短，變窄或減小，因此，這個區(qū)域就呈現(xiàn)拉伸殘余應(yīng)力，周圍區(qū)域承受壓縮殘余應(yīng)力。由圖()至圖()，可看出應(yīng)力變化規(guī)律和理論上基本上是一致的。4 全文總結(jié)與展望 全文總結(jié)本文對 Q235 鋼對接接頭焊接過程產(chǎn)生的溫度場、應(yīng)力場及焊后的殘余應(yīng)力進行了模擬研究，提出了基于 ANSYS 軟件的焊接溫度場和應(yīng)力的模擬分析方法，通過本文研究，可以得出以下結(jié)論。（1）通過本文的實例的數(shù)值模擬，得出該種接頭的溫度場和焊縫應(yīng)力的分布情況，得到殘余應(yīng)力在試件上的連續(xù)分布規(guī)律：在接近焊縫一個較窄的區(qū)域產(chǎn)生了拉應(yīng)力，在其相鄰區(qū)域產(chǎn)生壓應(yīng)力。（2）本文應(yīng)用彈塑性熱應(yīng)力理論，并且考慮材料熱物理性能及力學(xué)性能隨溫度變化，用 ANSYS 軟件分析 Q235 鋼、鋼的對接焊縫的殘余應(yīng)力，掌握影響接頭殘余應(yīng)力的主要因素。并提出了一些預(yù)防和減小殘余應(yīng)力的措施。本文的工作還存在以下幾點不足，有待于今后進一步改進：（1）受到硬件條件的限制，本文采用的是二維模擬，不能夠完全真實的反映各個方向的溫度分布和應(yīng)力分布；（2）由于材料物理性能數(shù)據(jù)的缺乏，本文認為兩種材料的線膨脹系數(shù)、熱導(dǎo)率和比熱容是定值，這給最后分析結(jié)果帶來一定的誤差；（3）沒有考慮熱源問題，在某一層施焊時，即認為給該層施加溫度約束，而不是以熱流密度加載熱量，這也會給結(jié)果帶來一定誤差；（4）本文的方法還沒有很好的解決計算時間、存儲空間與計算精度的矛盾；（5）本文的方法沒有考慮高溫蠕變和輻射；（6）本文的方法沒有考慮熔池的流動對焊接溫度場和應(yīng)力的影響；（7）本文沒有考慮對接接頭的焊接順序，認為是在正反兩面同時施焊；（8）本文的實例計算結(jié)果沒有進行實驗驗證。 未來的展望如何調(diào)整和控制焊接殘余應(yīng)力一直是工程界廣泛關(guān)注的問題，這是因為它們的存在直接關(guān)系到焊接結(jié)構(gòu)的安全可靠性 [29][30]。但是目前對焊接的殘余應(yīng)力的研究還不是很多，國內(nèi)外許多學(xué)者都越來越關(guān)注在焊接過程中所產(chǎn)生的殘余應(yīng)力的研究。在計算機日益發(fā)展的今天，采用數(shù)值模擬方法預(yù)測焊接殘余應(yīng)力已經(jīng)取得了豐碩的成果。如極厚板焊接殘余應(yīng)力分析以及為降低和調(diào)整管道結(jié)構(gòu)焊后內(nèi)表面殘余拉應(yīng)力所提出的許多焊接工藝與方法已經(jīng)得到了應(yīng)用。這些都是采用過去常規(guī)的解析手段難以實現(xiàn)的。但這還遠遠不能滿足科學(xué)研究和實際工程的需要。例如，要用數(shù)值分析的方法控制實際復(fù)雜焊接結(jié)構(gòu)的殘余應(yīng)力尚存在很多問題，目前一個比較重要的問題是材料性能，特別是高溫時材料性能數(shù)據(jù)還很缺乏，給焊接殘余應(yīng)力數(shù)值分析帶來了許多困難。因此，建立相應(yīng)的材料特性數(shù)據(jù)庫，也會促進焊接殘余應(yīng)力數(shù)值模擬技術(shù)的發(fā)展。其次，由于焊接應(yīng)力場計算是屬于包括相變、塑性、非線性等多方面因素影響的熱—彈塑性問題，尤其是焊后冷卻過程中發(fā)生的相變體積膨脹，嚴重影響殘余應(yīng)力的分布。因此，在關(guān)于焊接殘余應(yīng)力數(shù)值分析中應(yīng)該充分考慮到相變作用的影響。由于焊接應(yīng)力場計算是屬于包括相變、塑性、非線性等多方面因素影響的熱—彈塑性問題