【正文】 為實現十字形節(jié)點的焊接變形精確預測，還有大量具體的工作要做，特別是理論計算要與試驗相結合，才能進一步解決對不同焊接形式，不同材料，不同結構形式的焊接變形預測。 今后的工作展望作為本文的延伸，在今后的研究工作中還需完成以下工作：將十字形節(jié)點的計算模型更好的與實際結合，使之能夠精確的完成對實際十字形節(jié)點的焊接變形預測。通過高斯熱源的移動加載，與實際的焊接熱源更加接近。這樣一來，質量提高，生產成本降低，大大提高了產品競爭力。因此對大型焊接結構進行變形預測首先需要了解各種典型焊接接頭的固有應變，從而方便大型焊接結構的預測。計算結果如下：Tendon Force=橫向收縮=通過公式(313)計算所得Tendon Force的理論值為12279N，%，兩者的結果相近，與先前小模型計算的Tendon Force值相當，進一步證明了Tendon Force值只與輸入的線能量有關，說明模擬可行。其中面板中部上凸，兩端下撓。 塑性應變計算結果 等效塑性應變 X軸向節(jié)點縱向應變時間歷程圖對于塑性應變，本文關心的是X軸向塑性應變，因為后面的縱向收縮力的求解依賴于它。 210s時的等效應力云圖 240s時的等效應力云圖，焊接應力迅速分布到了加勁板，而在面板上擴散的較慢。 應力場計算結果應力場是焊接分析中重要的一項，焊接應力場的計算是一個涉及材料的彈塑性、非線性和其他許多因素影響的復雜問題。 焊接10s時溫度場分布 焊接30s時溫度場分布，在30s時溫度場的分布明顯擴大，焊接已經走過了180mm的距離，最高溫度達2298，比較10s時的最高溫度只上升了1，此時的藍色區(qū)域雖較多，但是表示的溫度已是2273了，熱量已經擴散到了整個焊件，與實際是很接近的。具體方法是：沿焊接方向將焊縫長度等分，將各點的后節(jié)點作為熱源中心，每段加載后計算，當進行下一段加載時，需消除上一段所加的熱流密度，把上一次加載所計算得到的各節(jié)點溫度作為下一步計算的初始條件，依次沿焊縫各點加載即可模擬熱源的移動。為簡便，忽略了其它的邊界條件。 材料特性進行焊接溫度場的分析必須要確定的熱物理性能參數有導熱系數、對流換熱系數、密度、比熱容以及焊件的初始溫度。 幾何模型 有限元模型本論文采用的模型數據為：面板尺寸為，加勁板尺寸為焊件材料為鋼，焊接方法為埋弧自動焊。由于結構的對稱，可以取構件的1/4模型來研究。對于通常的焊接方法如手工電弧焊、鎢極氫弧焊，采用高斯分布的函數可以得到較滿意的結果，一般符合工程應用需求。集中系數一般可由式(44)求出。熱量分布的集中系數表明熱源集中的程度，即高斯分布曲線的寬度。加熱斑點上熱量分布是不均勻的，中心多而邊緣少。所有模型共同的一點是：焊接熔池中復雜的熱過程用導熱連續(xù)體中的焊接熱源加以近似。由于焊接熱源的局部集中熱輸入，致使焊件存在十分不均勻、不穩(wěn)定的溫度場，進而導致焊接過程中和焊后出現較大的焊接應力和變形。結構分析采用的是非線性靜力[25]分析，因此對材料處理為與應變率無關的塑性，塑性應變假定為瞬間建立。第4章 十字形節(jié)點的計算實例 有限元研究方法綜述焊接過程的數值模擬是一個高度非線性的求解過程，ANSYS提供了三種進行熱力學分析的方法：在結構應力分析中直接定義節(jié)點的溫度間接法直接法本論文選取的是間接法，首先進行熱分析，然后將求得的節(jié)點溫度作為體荷載施加在結構應力分析中。根據給定單位溫度荷載，熱膨脹系數的數值即可求得應變的數值： (315)以長寬高分別為500mm、60mm和50mm，厚度為5mm的T型梁為例，施加兩道角焊縫，對于該模型用固有應變法分析焊接變形。在一些實驗分析基礎上得到Tendon Force與焊接線能量的如下公式： (313)式中：Tendon Force，為焊接線能量。 表面堆焊時的橫向變形 角變形由于焊縫的橫向固有應變的作用使焊縫產生一定的轉角，也就是角變形。 焊接縱向應變用一梁的單位縱向變形為例。 焊接固有應變的確定 固有應變的表達式在力學分析中，一般應力應變都有六個分量。考慮到焊接的實際情況，焊件局部加熱到很高溫度時，周圍溫度較低的部位不能自由伸長，對加熱部分的熱膨脹產生約束作用，致使焊縫及其附近的高溫區(qū)累積了壓縮塑性變形。當焊接完畢，構件完全冷卻后，最終的殘余塑性應變等于溫度上升時產生的壓縮性塑性應變與溫度下降時產生的拉伸性塑性應變的和，這就是焊接固有應變。三維塊體單元用于某些較薄且承受彎矩的地方，會引起所謂的“閉鎖”現象。網格劃分應考慮到焊接接頭處較細，焊縫遠處較粗的原則，以適應溫度和應力的計算精度，同時兼顧到計算機的容量。在十分高溫的階段往往缺乏材料準確的實驗數據，此時常假定材料的彈性模量和屈服應力數值均很小，如本課題在研究的時候遇到過這種問題，在2000時設置一個近似于1000MPa的彈性模量值，但是求解的過程卻很長，經老師指點后改為一個數值為10MPa后求解過程沒有出現問題。單元在某一時刻從彈性階段過渡到塑性階段時引入加權系數，并把該階段分為彈性階段和塑性階段兩個部分。因此焊接問題包含著高溫塑性、材料性能隨溫度急劇變化和大變形等高度非線性等影響因素。這樣就可以了解整個焊接過程中動態(tài)應力應變的變化過程和最終的殘余應力和變形的狀態(tài)?？紤]到焊接過程一般無外力作用，環(huán)繞每個節(jié)點的單元相應節(jié)點的力是自相平衡的力系，即可取，故有。在塑性區(qū)，設材料屈服條件為： (23)式中：為屈服函數，為與溫度和塑性應變有關的屈服應力的函數。前處理模塊提供了一個強大的實體建模及網格劃分工具，用戶可以方便地建立有限元模型；分析計算模塊包括結構分析、流體動力學分析、電磁場分析、聲場分析、壓電分析以及多物理場的藕合分析，可模擬多種物理介質的相互作用，具有靈敏度分析及優(yōu)化分析能力；后處理模塊可將計算結果以彩色等值線顯示、梯度顯示、矢量顯示、粒子流跡顯示、立體切片顯示、透明及半透明顯示等圖形方式顯示出來，也可將計算結果以圖表、曲線形式顯示或輸出。在核工業(yè)、鐵道、石油化工、航空航天、機械制造、能源、汽車交通、國防軍工、電子、土木工程、造船、生物醫(yī)學、輕工、地礦、水利、日用家電等領域有著廣泛的應用[3]。由節(jié)點位移計算出單元的應力和應變。這樣得出物理系統的基本方程后，還需要考慮其邊界條件或初始條件，才能夠使整個方程封閉。也就是把各個單元的剛度矩陣集合成整個連續(xù)體的剛度矩陣，把各個單元的節(jié)點力矢量集合為總的力和載荷矢量。用變分原理推導單元剛度矩陣。通常假設位移函數為多項式，最簡單情況為線性多項式。根據實際應用，發(fā)展出了更多的單元，最典型的區(qū)分就是有無中節(jié)點。 有限元分析的步驟有限元分析的主要步驟[24]如下：連續(xù)體的離散化。離散化是有限元方法的基礎。簡單地說，這有限元法是一種離散化的數值方法。已有的研究成果使我們對復雜的焊接變形規(guī)律和本質有了進一步深入的認識。與同類研究作比較，找出相同和不同之處并做小結。通過有限元的方法對鋼結構十字形節(jié)點的三維溫度場進行模擬分析得到其溫度場分布。 本論文的主要工作，建立熱彈塑性有限元模型，采用固有應變理論來預測鋼結構十字形節(jié)點的固有應變。今后焊接發(fā)展要考慮以下新的研究方向：先進的新型材料的連接問題，這種先進材料不是常規(guī)冶金方法生產，而是用特殊工藝制造，如急冷非平衡合金的非晶態(tài)材料、納米材料、金屬間化合物、工程陶瓷以及復合材料等。本文采取了多種措施，包括分層網格稀疏化，步長加大等，最終計算過程持續(xù)了6小時。例如[8]：一個900mm長的T型梁焊接結構劃分為7000個單元時用ANSYS軟件進行熱彈塑性分析，整個熱分析和結構分析需要240小時的計算時間，而對于更大尺寸和采用更小單元的焊接結構進行分析將需要更多的計算時間。焊接模型的建立除了考慮精確的因素外，經濟性也是不容忽視的。焊接熱傳導分析一般基于固體導熱微分方程，沒有考慮焊接熔池內部液態(tài)金屬的對流傳熱特點。焊接熱源熱效率和有效半徑的選取。許多材料的熱物理性質數據在高溫特別是在接近熔化態(tài)時還是空白，某些材料僅有室溫數據，這就給非線性計算帶來了