【導(dǎo)讀】師的指導(dǎo)下進行的研究工作及取得的成果。盡我所知，除文中特別加。而使用過的材料。均已在文中作了明確的說明并表示了謝意。除了文中特別加以標(biāo)注引用的內(nèi)容外，本論文。不包含任何其他個人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫的成果作品。究做出重要貢獻的個人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)明。全意識到本聲明的法律后果由本人承擔(dān)。同意學(xué)校保留并向國家有關(guān)部門或機構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán)大學(xué)可以將本學(xué)位。印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文。涉密論文按學(xué)校規(guī)定處理。程序清單等），文科類論文正文字?jǐn)?shù)不少于萬字。有圖紙應(yīng)符合國家技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。圖表整潔，布局合理，文字注釋必須使用工程。本文以T型構(gòu)件作為研究對象，制定未開坡口或開坡口試件的焊

　　

【正文】 32 法歸納起來可分為三類：經(jīng)驗法，解析法和數(shù)值模擬法。經(jīng)驗法是通過查找焊接手冊上的經(jīng)驗公式和數(shù)據(jù)曲線來估計焊縫的收縮量和角變形量。這些經(jīng)驗數(shù)據(jù)是在一定條件下的試驗或生產(chǎn)實際中得到的，且針對最簡單的情況，存在相當(dāng)?shù)木窒扌?。二十世紀(jì)四十年代，前蘇聯(lián)的奧凱爾勃洛姆對焊接殘余應(yīng)力和變形的起因和分類進行了研究，建立了確 定焊接殘余應(yīng)力和變形的理論方法。后來的研究者們基于該理論，提出了以殘余塑變來計算焊接變形的解析法。由于該方法是建立在平截面假定和其它一些假定的基礎(chǔ)之上的，故只能適用于一些簡單的焊接構(gòu)件，如簡單梁板的焊接收縮變形和角變形。焊接數(shù)值模擬的發(fā)展是從解析法開始的。特別是近年來，隨著數(shù)值計算技術(shù)的發(fā)展，逐步過渡到有限差分法和有限單 元法。在近幾年的發(fā)展中，隨著有限元軟件的開發(fā)及其良好的使用效果，有限元法已占據(jù)了主導(dǎo)地位。近年來，數(shù)值模擬已經(jīng)成為焊接研究方面的主要手段。 解析法 解析法又叫彈性理論方法，用解析法研究焊接變形始于 20 世紀(jì) 50年代，是基于經(jīng)典彈性理論的研究，忽略了熱彈．塑性過程。包括固有應(yīng)變理論，轉(zhuǎn)位論等，均是以彈性理論來求出焊接變形量，其代表人物是 Watanabe。二十世紀(jì)四十年代，蘇聯(lián)的 H． O．奧凱爾布朗母用圖解的形式提出了一維解析殘余塑變法。后來， C． A 庫茨米諾夫就在此理論上作了進一步的發(fā)展，并形成了一個較完整的理論體系。 Watanabe 和 Satoh 從分析焊接條件對試板收縮變形的影響入手，分析了焊接熱輸入和外部約束與收縮變形的關(guān)系，并得出相應(yīng)的簡單關(guān)系式。 解析法 只考慮了殘余塑性應(yīng)變，并假設(shè)所有區(qū)域 (包括固有應(yīng)變區(qū) )都保持彈性。這種方法把焊接構(gòu)件與固有應(yīng)變分布以數(shù)學(xué)方式理想化，這也正暴露了解析 法的缺點，如彈性理論問題的解決是有限的，對于大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)來講是不可能求解的。為了正確了解固有應(yīng)變的分布，人們提出了實驗方法和熱彈．塑性分析法，即以實驗結(jié)果和熱彈一塑性分析結(jié)果為基礎(chǔ)，來求出固有應(yīng)變的方法。固有應(yīng)變 33 的大小和區(qū)域應(yīng)該通過實驗結(jié)果來獲得，說明解析法有較低的應(yīng)用價值，但是為之后出現(xiàn)的數(shù)值分析法和等效載荷法打下了重要的基礎(chǔ)。 熱彈塑性有限元法 焊接數(shù)值模擬的理論意義在于通過對復(fù)雜或不可觀察的焊接現(xiàn)象進行模擬和對極端情況下尚不知的規(guī)則的預(yù)測，以助于認(rèn)清焊接現(xiàn)象的本質(zhì)，弄清焊接過程的規(guī)律。焊接數(shù)值模擬的現(xiàn)實意義在于根據(jù)對焊接現(xiàn)象和過程的數(shù)值模擬，可以優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計和工藝設(shè)計，從而減少試驗工作量，提高焊接質(zhì)量。二十世紀(jì)七十年代初，日本的上田幸雄等首先以有限元法為基礎(chǔ)，提出了焊接熱彈塑性分析理論，從而使復(fù)雜的動態(tài)焊接過程的應(yīng)力應(yīng)變分析成為可能。 隨后，許多國家 的研究者加入到焊接數(shù)值模擬的研究行列，建立的數(shù)值模型從一維發(fā)展到二維，再到目前重點研究的三維； 模擬對象從簡單的平板堆焊、對接焊到角焊縫，再到目前的研究熱點多道焊；研究內(nèi)容從焊接接頭的收縮變形到角變形，再到大型復(fù)雜焊接結(jié)構(gòu)的整體變形。數(shù)值模擬作為一種強有力的定量研究手段，不僅可以用來幫助理解焊接現(xiàn)象的本質(zhì)，預(yù)測殘余應(yīng)力和變形，國內(nèi)外的研究者們還以此為工具，研究控制和減小殘余應(yīng)力，優(yōu)化焊縫質(zhì)量的工藝方法。 熱彈塑性有限元法是焊接數(shù)值模擬最重要、最一般的方法，它跟蹤整個焊接熱循環(huán)過程，可以同時考慮許多重要因素的影響，除了用來預(yù)測焊接殘余應(yīng)力和變形，也可用以分析裂紋、疲勞、斷裂等現(xiàn)象。熱彈塑性有限元法預(yù)測焊 接變形的過程為：先進行焊接熱循環(huán)分析，得到整個試板在焊接過程中任一時刻的溫度場，再將溫度場輸入熱彈塑性有限元分析程序，進行應(yīng)力和變形的分析計算。 焊接熱循環(huán)溫度場的準(zhǔn)確計算是焊接應(yīng)力與變形準(zhǔn)確預(yù)測的前提。用于求解溫度場的熱源模型有許多種，最早使用的是點熱源、線熱源和面熱源，分別用于不同形式試板的溫度場解析解。這種熱源形式簡單，但計算結(jié)果精度差。在焊接溫度場二維分析中廣泛運用的是經(jīng)典的高斯熱源模型，這種模型以及后來在其基 礎(chǔ)上發(fā)展提出的雙橢圓高斯熱源模型都沒有考慮電弧對熔池的沖擊作用，對于高能束焊接存在較大誤差。 1985 年 Goldak 提出的橢球熱源和改進的雙橢球熱源不僅可以考慮電弧力的作用，而且可以彌補熔池內(nèi)液體流動對熱傳導(dǎo)的加快作用。 34 雙橢球熱源適用于厚板焊接的三維數(shù)值分析。焊接熱循環(huán)數(shù)值模擬中常常要處理熔敷金屬填充過程，常用的方法有兩種：一是改變填充單元的材料特性，焊前賦予焊縫填充單元的彈性模量和熱導(dǎo)率一個很小的數(shù)值，即認(rèn)為焊縫部位材料不參與傳力和傳熱，焊時和焊后單元的材料數(shù)據(jù)可按隨溫度變化的材料特性來處理；第二種是改變單 元的“ 死活”，焊接過程中，焊縫處的單元根據(jù)一定的判定準(zhǔn)則一個個順序地被激活。相變潛熱對焊接溫度場有著重要影響，通常用定義隨溫度變化的材料比熱或焓來考慮相變潛熱的影響。熔池內(nèi)流體的流動增加了材料的傳熱速度，可通過增大有效熱傳導(dǎo)系數(shù)的方法來間接考慮流體流動對溫度場的影響。 固有應(yīng)變法 研究焊接應(yīng)力與變形的有限元法有熱彈塑性有限元法，粘彈塑性有限元法，考慮相變與熱應(yīng)力耦合效應(yīng)的有限元法等。然而，這些方法要深入了解熱力學(xué)的全部過程，在將這些本構(gòu)方程應(yīng)用于實際大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)時，就會有非常大的困難。當(dāng)預(yù) 測大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)的焊接變形時，我們需要的是焊接以后最終的殘余變形，并非致力于了解瞬時行為的全過程，因此沒必要執(zhí)行全部的熱力學(xué)計算。此時用固有應(yīng)變法代替非線性的熱彈塑性法是一種十分簡便而有效的方法。它利用焊接以后在焊縫及其附近所產(chǎn)生的固有應(yīng)變作為初始應(yīng)變，只要進行一次彈性有限元計算，就可獲得整個結(jié)構(gòu)的焊接變形。這樣既大大縮短運算時間和成本，又保持了足夠的精度，在實際焊接工程中具有很大的經(jīng)濟效益和應(yīng)用前景。 固有 應(yīng)變 固有應(yīng)力和固有應(yīng)變最早是日本學(xué)者提出和應(yīng)用的概念。固有應(yīng)力是在不受外力作用下物體 內(nèi)部所存在的應(yīng)力，因此固有應(yīng)力實際上也就是我們經(jīng)常所說的內(nèi)應(yīng)力，殘余應(yīng)力就是一種典型的固有應(yīng)力。所謂固有應(yīng)變可以看成是內(nèi)應(yīng)力的 產(chǎn)生源，若將物體處于既無外力也無內(nèi)力的狀態(tài)看作為基準(zhǔn)狀態(tài)，固有應(yīng)變就是表征從應(yīng)力狀態(tài)切離后處于自由狀態(tài)時，與基準(zhǔn)狀態(tài)相比所發(fā)生的應(yīng)變，它等于 35 總的變形應(yīng)變減去彈性應(yīng)變。即變形應(yīng)變ε、彈性應(yīng)變ε e 和固有應(yīng)變ε *的關(guān)系為： ε =ε e+ε * (31) 傳統(tǒng)的焊接應(yīng)力與變形研究方法有所謂“殘余塑變理論”。它認(rèn)為焊接加熱過程中焊縫和近縫區(qū)的金屬熱膨脹應(yīng)變受到周圍較冷金屬的拘束，從而產(chǎn)生壓縮塑性應(yīng)變。焊接冷卻過程中該壓縮塑性應(yīng)變被拉伸抵消一部分，但焊后仍殘留部分壓縮塑性應(yīng)變，稱為殘余壓縮塑性應(yīng)變，并用來分析和預(yù)測焊接殘余應(yīng)力和變形。殘余塑變理論對了解焊接應(yīng)力與變形產(chǎn)生的原理和本質(zhì)有重要的貢獻?？梢? 說至今它仍然是焊接應(yīng)力與變形在教育領(lǐng)域的理論基礎(chǔ)。當(dāng)然， 因為殘余塑變理論有一些不夠完善的地方，容易引起一些誤解與質(zhì)疑。因為焊接以后，焊縫及其附近不僅有殘余塑性應(yīng) 變，還可能有殘留的熱收縮應(yīng)變和相變引起的應(yīng)變。例如，殘余塑變理論假定焊縫處一直就是原來工件的一部分，經(jīng)歷了加熱和冷卻的全過程，就像無填充焊絲的 TIG 熱源在工件表面走一道焊縫一樣。然而大多數(shù)的情況是焊縫處原來有坡口和間隙，焊接時被熔化的金屬所填充。因而焊縫可以說是直接從高溫冷卻下來的。這樣焊縫處從高溫冷卻下來受到周圍的拘束只會產(chǎn)生拉伸塑性應(yīng)變，焊后也不可能有什么殘余壓縮塑性應(yīng)變。于是對上述殘產(chǎn)生了質(zhì)疑。研究表明，焊縫直接從高溫冷卻下來時，焊后在焊縫處雖然沒有壓縮塑性應(yīng)變，但存在著殘余熱收縮應(yīng)變，該應(yīng)變與經(jīng)歷了 加熱和冷卻全過程焊縫處存在的殘余塑性應(yīng)變是等價的。殘余塑變理論仍然可以用來分析有坡口填充焊縫工件焊接時的殘余應(yīng)力與變形。事實上，如果引入“固有應(yīng)變”概念，那么殘余塑性應(yīng)變和殘余熱收縮應(yīng)變都屬于固有應(yīng)變，這樣可以完全統(tǒng)一起來。 焊接過程中的熱應(yīng)變、塑性應(yīng)變是產(chǎn)生焊接應(yīng)力的原因。在低合金高強鋼焊接時，固態(tài)相變常發(fā)生在彈性喪失溫度以下，必須考慮相變時體積膨脹引起的應(yīng)變變化。因此焊接應(yīng)力是熱應(yīng)變，塑性應(yīng)變以及相變應(yīng)變綜合影響的結(jié)果。熱應(yīng)變、塑性應(yīng)變和相變應(yīng)變都是焊接應(yīng)力產(chǎn)生的根源，因而有共同的特征。為了統(tǒng)一分析，可 以采用上述“固有應(yīng)變”的概念。 焊接應(yīng)力應(yīng)變屬于熱彈塑性問題，一般有： 36 {e}={e}e+{e}p+{e}T+{e}q (32) 式中 ,{e}p—— 塑性應(yīng)變； {e}T—— 溫度應(yīng)變； {e}T={a}dT。{e}q—— 相變應(yīng)變。 比較式 (21)和 (22) ，可以得到焊接結(jié)束以后固有應(yīng)變就是塑性應(yīng)變、熱應(yīng)變和相變應(yīng)變?nèi)邭堄嗔恐停? {e*} ={e}p+{e}T+{e}q (33) 當(dāng)焊接低碳鋼等材料不考慮相變對應(yīng)力變形的影響時，固有應(yīng)變就是殘余的熱應(yīng)變和塑性應(yīng)變之和。若假定無坡口焊縫本身經(jīng)受加熱過程，由于加熱和冷卻的熱應(yīng)變抵消為零，那么完全冷卻后焊縫處存在殘余壓縮塑性應(yīng)變。若假定焊縫是填充金屬直接從高溫冷卻下來，則完全冷卻后焊縫處存在殘余熱收縮應(yīng)變。殘余壓縮塑性應(yīng)變和殘余熱收縮應(yīng)變都是固有應(yīng)變。 因此利用固有應(yīng)變來預(yù)測焊接應(yīng)力與變形。與殘余塑變方法是完全一致的。不過固有應(yīng)變的概念更廣些而已。 固有應(yīng)變法焊接變形的解析法 焊接變形的主要形式有兩種。其一可以認(rèn)為是由于焊 縫的縱向收縮引起的縱向變形（縱向縮短和彎曲撓度等），其二可以認(rèn)為是由于焊縫的橫向收縮引起的橫向變形（橫向縮短和角變形等）因此焊接變形也可以認(rèn)為主要是焊縫及其附近的縱向及橫向固有應(yīng)變引起的。對于簡單的梁或平板的焊接變形，就可用固有應(yīng)變進行簡化計算。 1) 縱向焊接變形的解析法計算 圖 31 為一梁的單位縱向變形圖 .如果已知單位長度上縱向固有應(yīng)變 ex*的總和（又稱縱向收縮單位體積） Wx，則有 Wx=∫ ex*dA (34) Δ =Wx/F (35) 37 C=WxZ’ /J (36) F=CL2/8 (37) 式中， Δ =單位縱向縮短； C=曲率； f=彎曲撓度； F=梁的截面積； J=截面慣性矩； Z’ = Wx 中心到截面中心距離。 圖 31 單位縱向變形 2) 橫向焊接變形的解析法計算 圖 32 表面堆焊時的橫向變形 圖 32 為平板表面堆焊時的橫向變形圖 .如果已知單位長度上橫向固有應(yīng)變 ey*的總和 (又稱橫向收縮單位體積 )Wy ,則有 Wy=∫ ey*dA （ 38） e=∫ zey*dA/∫ ey*dA (39) Δ b=Wy/h (310) 38 Ba=12Wye/h3 (311) 式中 , Δ b=平均橫向縮短 。 Β a=彎曲角 。e= Wy 的偏心矩 。h=板厚 . 試件焊接變形的計算 根據(jù) 中的固有應(yīng)變法的解析法計算，本次試驗的計算結(jié)果如下： 試驗中采用的是手工焊條電弧焊，故 K1 取 ，η取 ，則 Q =ηUI/v=**120/。又由于試件厚度為 10mm，所以取 K2為 ，梁的截面積為 68*10*2=1360mm2，焊縫長度為 250mm，焊縫截面積可估算為 *K2/2。經(jīng)計算材料 16Mn 的α /(cρ )=*105，則此試件的ξ =*α /(cρ )=*105。因此，試件的縱向焊縫的收縮量Δ L為： Δ L =**(*k2/2)*250/1360= 計算值與實測值得比較 實驗所測量的焊接變形值與計算值得比較如表 31. 表 31實測值與計算值得比較 名稱 縱向收縮 計算值 實測值 誤差 % 分析實驗的誤差原因 39 固有應(yīng)變法將在一定實驗條件下測得的平均應(yīng)變值替代實際構(gòu)件中的未知應(yīng)變是有一定誤差的。首先，實際構(gòu)件中遠(yuǎn)離焊縫的彈性體在焊接變形協(xié)調(diào)中所 起的作用不容忽視也無法用簡單方法替代，甚至相同結(jié)構(gòu)在不同焊接順序下也會產(chǎn)生明顯的不同。換句話說，任何不同焊接構(gòu)件其固