【文章內(nèi)容簡介】 Son 和 N icken 首次在固體的熱傳遞中應用了有限元技術(shù)；隨著時間的進一步的推移，有限元的方法的到了上田辛雄得應用，其比前人前進的方面在與他考慮了在焊接過程中十分重要的問題就是鋼材材料在高溫下的非線性的變化過程，從此焊接熱分析被推進到了塑性分析的階段，大大使動態(tài)過程由繁到簡；隨著加拿大的 Poley 和 Hibbert 論文的發(fā)表，對焊接熱過程的分析由原來的單單有限元的理論分析，發(fā)展為可以編制簡單的程序，可以對一些截面 (矩形外 )、單雙焊縫、各種坡口焊進行焊接；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 [15～17]。 國內(nèi)對于焊接熱的研究開始于唐慕堯 (西安交通 )等人，他們對薄板的焊接熱過程的溫度場的進行了分析，得到了其的溫度隨著焊接過程的分布規(guī)律，此規(guī)律符合了，焊接過程中溫度的基本假設，即準穩(wěn)態(tài)分布，并和已有的試驗的結(jié)果對比分析，證明了該方法的正確性，并以此編寫了焊接熱分析的程序 [18 ]。上面提到的程序的編寫還是局限在線性計算，非線性的有限元分析由陳楚 (上海交通 )等人進行研究，在焊接熱過程分析上有了一定的突破，他們考慮了各種在對焊接過程產(chǎn)生影響的重點問題，并且編寫了相應的可以應用在靜態(tài)動態(tài)熱源和薄厚板件分析當中，雖然對焊接過程分析有向前推進了一步，但分析還停留在二維階段，對大型和復雜的結(jié)構(gòu)模擬還是無法和實際結(jié)果相符合 [19]。 二維分析的局限性，推動了焊接熱分析向三維方面發(fā)展，但是，三維分析也面臨著各種難題，有待解決，這些難題都是基于焊接本身各種因素的非線性的特點產(chǎn)生的，而不管是幾 維問題都要急需攻克的一個關(guān)鍵點，就是收斂和精度效率問題，由于大的非線性使得整個計算過程收斂十分困難，計算時間過長，王建華 (上海交通 )和日本大阪大學進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，而且對一些實例進行了實際的模擬分析，對三維分析還有待進一步的研究，以能在保證又快又準確的條件下，更好的模擬復雜構(gòu)件 [202 2]。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，高斯熱源有些時候就不能很好 的進行模擬，蔡洪能等人提出了熱源模型雙橢球運動電弧作用，應用節(jié)點熱燴的判斷方法，進行低碳鋼 (A3 鋼 )板試驗中的焊接溫度場中的溫度分布進行分析，最終和試驗中的結(jié)果的數(shù)據(jù)符合 [1 6,18 ]。 國內(nèi)外的焊接殘余應力研究的現(xiàn)狀 起始于 20 世紀 30 年代的一些簡單的試驗的測量和數(shù)據(jù)的整理，開始了人們對焊接應力應變進行分析和研究，然后 50～ 60 年代通過研究人員理論經(jīng)驗和數(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)生的熱應力》 [22 23]和帕爾庫斯單獨寫的《非 定常熱應力》[24]，全面的總結(jié)當時人們在焊接應力應變方面取得的一些進展。 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]。 隨著一維焊接應力應變的發(fā)展和完善，人們把分析逐步的向二維領域發(fā)展，70 年代初，對接焊和平板堆焊的二維應力應變分析程序就由 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]。 隨著焊接應力應變理論基礎的不斷的完善， 80 年代，人們開始注重更深層次的研究，開始研究更加準確的焊接應力應變在分布上的趨勢，通過一些計算數(shù)據(jù)，如 Josefson 等人定位焊和薄壁管件等焊接應力過程研究數(shù)據(jù)的分析，提出了一些精度更高的焊接應力分布趨勢和一些消減焊接應力應變的方法和措施 [28]。 焊接應力應變的研究與計算機的發(fā)展密切結(jié)合，向著更加精 確和細致的方面拓寬，對影響焊接應力應變的因素考慮越來越多， 90 年代，焊接應力應變開始考慮焊接過程當中熱源的輻射問題、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力場的耦合關(guān)系，選用實驗的方法來矯正熱源的分布趨勢，計算出的焊接應力和用衍射中子得到的實驗結(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；焊接應力應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變有限元理論下對多層焊接的厚板件實行了計算，并且比較了不同的焊縫形式 (坡口 )下的焊接殘余應力，以此為依據(jù)，提 取了關(guān)于厚板的焊接殘余應力的分布的趨勢 [29]?？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。 近年來， ， ， 點焊焊前和焊后的溫度場和應力場進行了 ANSYS數(shù)值模擬，得到隨著焊接時間加長，焊縫周圍的拉伸殘余應力有減小的趨勢，而隨著焊接電壓的升高，拉伸殘余應力有加強的趨勢 [30 ]。 Cleition Carvalho S ilva,Jesualdo Pereira Farias 等人用手工電弧焊對小管進行了對接焊，并用 X射線測量儀器進行測量，發(fā)現(xiàn)在相似的焊接參數(shù)條件下，殘余應力得到兩種結(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)的小改變導致焊接殘余應力的不一致性 [31]。 ，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。 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)果與實驗值比較吻合，而利用小變形 理論數(shù)值模擬與實驗結(jié)果相差較大 [33]。 二十世紀 九十 年代，汪建華等人對焊接過程應用三維數(shù)值模擬，認為焊接溫度場均屬于典型的非線性瞬態(tài)熱傳導，探討了影響收斂進度的因素算，并提出了若干解決計算精度的問題。 1996年，顧強陳和紹蕃，應用熱彈塑性應力分析理論，有限元法計算了厚板焊接箱型截面的殘余應力分布 [34]。 20xx年， 陳麗敏和陳思作，根據(jù)熱彈塑性應力理論、有限元理論 ,用大型有限元軟件 ANSYS對焊接工字型截面梁進行殘余應力分析 ， 分析結(jié)果表明 ， 焊接殘余壓應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 面梁殘余應力提供了一種方法 [3 5]。 20xx年，北京大學的楊娜，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型鋼楔形薄壁梁進行考慮雙重非線性的全過程分析 ,分析了殘余應力，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力的影響，殘余應力峰值越大 ,構(gòu)件延性越好 ,但是同時極限承載力越低 [3 6,37 ]。 20xx年清華大學的楊文等人 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，殘余應力分布及殘余變形，并且通過有限元計算進一步研究了由于焊接殘余應力的存在，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 ]。同濟大學的吳蕓和張其林焊接鋁合金構(gòu)件殘余應力試驗研究 , 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)件殘余應力的分布情況 ,為進一步總結(jié)焊接鋁合金構(gòu)件殘余應力的分布規(guī)律及研究殘余應力對構(gòu)件承載力的影響提供了基礎。 20xx年，西安建筑大學的馮艷輝在其碩士論文中分析了殘余應力對焊接梁的影響 [9]。 20xx年清華大學的 班慧勇等 在殘余應力實驗研究中 提出了適用于 Q420高強等邊角鋼的較為準確和安全的殘余應力分布模型和計算公式 [40]。 焊接殘余應力數(shù)值模擬的發(fā)展趨勢 利用計算機研究焊接應力和變形問題始于 20 世紀 60 年代，主要研究一維焊接應力的產(chǎn)生機制 [41 ]。 20 世紀 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力變形中的研究和應用日益廣泛，但基本上是針對二維問題 [424 3]。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(jié)構(gòu)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。 由于焊接過程的復雜性以及焊接結(jié)構(gòu)三維數(shù)值模擬中自由度大、計算效率低、計算精度難以保證等特征。通過近年來三維焊接應力變形數(shù)值模擬研究現(xiàn)狀，取得的進展和現(xiàn)有關(guān)鍵問題的 分析可知，提高模擬計算的精度和效率是今后焊機模擬的關(guān)鍵問題 [40]： (1)采用合適的熱源模型和動態(tài)可逆自適應網(wǎng)格生成技術(shù)可以減少網(wǎng)格和結(jié)點數(shù)目，在保證計算精度的同時，可大大提高運算效率 ,但其技術(shù)細節(jié)及準確性等迄今尚無報道； (2)通過適當調(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)利用并行計算技術(shù)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。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)的自由度和計算工作量，盡管結(jié)構(gòu)的尺寸被縮小，位移、溫度應力的結(jié)果也很好吻合，節(jié)省計算時間的目的沒有達到，所以還需要進一步的簡化模型。 應用有限元進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)廣泛運用于工程實際，仍然需要進一步提高計算效率和保證計算精度。 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行數(shù)值分析，分析參數(shù)變化對焊后殘余應力的分布規(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力數(shù)值模擬，采用理論和有限元分析相結(jié)合 ,循序漸進的技術(shù)路線和步驟： 首先收集資料進行理論分析，結(jié)合已有實驗模型對構(gòu)件作初步設計，勾勒出具體的模型， 應用 Ansys 中的熱分析和靜力分析 ,對所建模型進行三維有限元模擬，求出模型焊接殘余應力的分布與實驗結(jié)果相比較，驗證分析的正確性。然 后建立單軸對稱焊接工字梁模型，計算模型在不同參數(shù)下的焊接殘余應力的分布規(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 采用時間和空間有限元法，相同程度構(gòu)件細節(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(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(gòu)件的連接； (5)連續(xù)介質(zhì)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。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科共同作用和多個物理現(xiàn)象的復雜過程。如圖。 從圖 中我們不難看出，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，焊接溫度場應力場及顯微組織之間的影響。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。