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單軸對(duì)稱焊接工字梁殘余應(yīng)力研究畢業(yè)論文-文庫(kù)吧資料

2025-07-03 13:44本頁(yè)面
  

【正文】 溫度的已知函數(shù)以下幾類為焊接溫度場(chǎng)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。溫度場(chǎng)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(chǎng)溫度分布函數(shù);—材料密度;—傳熱時(shí)間;—材料導(dǎo)熱系數(shù)。此外,本文還考慮了相變潛熱對(duì)溫度場(chǎng)的影響。,在做焊接過程有限元分析時(shí),由于焊接溫度場(chǎng)和顯微組織變化對(duì)焊接應(yīng)力場(chǎng)的影響要大于后者對(duì)后者的影響,所有只需要考慮前者對(duì)后者的影響,就可以滿足要求即考慮單向耦合。并在分析中突出了相變對(duì)焊接過程的影響,焊接溫度場(chǎng)應(yīng)力場(chǎng)及顯微組織之間的影響。 焊接有限元模型的簡(jiǎn)化焊接過程是一個(gè)涉及到多個(gè)學(xué)科共同作用和多個(gè)物理現(xiàn)象的復(fù)雜過程。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(lái)考慮表面和內(nèi)部由于冷卻產(chǎn)生的不用影響;(2)溫度場(chǎng)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(huì)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(wú)法很好的解決收斂和誤差估計(jì)困難的難題。 課題研究技術(shù)路線本課題是單軸對(duì)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?duì)構(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(duì)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。 課題的研究?jī)?nèi)容本課題是單軸對(duì)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?jī)?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(chǎng)及殘余應(yīng)力的動(dòng)態(tài)模擬分析方法。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(gè)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(jiǎn)化模型。通過近年來(lái)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(dòng)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(wú)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。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(lái)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(jiǎn)化為二維問題分析[4445],但是在實(shí)際工程中真正可以簡(jiǎn)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(shì)。 焊接殘余應(yīng)力數(shù)值模擬的發(fā)展趨勢(shì)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]。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(duì)焊接梁的影響[9]。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(duì)單軸對(duì)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(duì)焊接單軸對(duì)稱工字形截面的殘余應(yīng)力分布進(jìn)行了測(cè)量,根據(jù)實(shí)測(cè)值,建立了接近試驗(yàn)情況的單軸對(duì)稱工字形截面殘余應(yīng)力分布模型[11]。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(tái),基于非線性板殼有限元理論,采用殼單元對(duì)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(duì)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(duì)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]。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]。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]。Cleition Carvalho Silva,Jesualdo Pereira Farias 等人用手工電弧焊對(duì)小管進(jìn)行了對(duì)接焊,并用X射線測(cè)量?jī)x器進(jìn)行測(cè)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]??萍嫉陌l(fā)展總是由簡(jiǎn)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(chǎng)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(zhǎng)。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(duì)影響焊接應(yīng)力應(yīng)變的因素考慮越來(lái)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(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)的耦合關(guān)系,選用實(shí)驗(yàn)的方法來(lái)矯正熱源的分布趨勢(shì),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(lái)T這一年代的又一個(gè)突破就是對(duì)焊接過程的另一個(gè)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]。對(duì)于尺寸稍大的構(gòu)件,僅僅的解析方法無(wú)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]。 國(guó)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(jiǎn)單的試驗(yàn)的測(cè)量和數(shù)據(jù)的整理,開始了人們對(duì)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(kù)斯的《由于定常溫度場(chǎng)而產(chǎn)生的熱應(yīng)力》[2223]和帕爾庫(kù)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?cè)诤附討?yīng)力應(yīng)變方面取得的一些進(jìn)展。二維分析的局限性,推動(dòng)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(diǎn)產(chǎn)生的,而不管是幾維問題都要急需攻克的一個(gè)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(gè)計(jì)算過程收斂十分困難,計(jì)算時(shí)間過長(zhǎng),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(duì)一些實(shí)例進(jìn)行了實(shí)際的模擬分析,對(duì)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]。國(guó)內(nèi)對(duì)于焊接熱的研究開始于唐慕堯(西安交通)等人,他們對(duì)薄板的焊接熱過程的溫度場(chǎng)的進(jìn)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(shè),即準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)分布,并和已有的試驗(yàn)的結(jié)果對(duì)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]。計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速崛起,帶動(dòng)了焊接熱過程數(shù)值分析的發(fā)展,對(duì)焊接熱過程的分析由實(shí)驗(yàn)階段進(jìn)入到了數(shù)值模擬,1966年Wi1Son和Nicken首次在固體的熱傳遞中應(yīng)用了有限元技術(shù);隨著時(shí)間的進(jìn)一步的推移,有限元的方法的到了上田辛雄得應(yīng)用,其比前人前進(jìn)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(jìn)到了塑性分析的階段,大大使動(dòng)態(tài)過程由繁到簡(jiǎn);隨著加拿大的 Poley和Hibbert論文的發(fā)表,對(duì)焊接熱過程的分析由原來(lái)的單單有限元的理論分析,發(fā)展為可以編制簡(jiǎn)單的程序,可以對(duì)一些截面(矩形外)、單雙焊縫、各種坡口焊進(jìn)行焊接;接下來(lái)T羅森賽爾在熱源方面的突破,其通過熱分析中的以有的理論熱傳導(dǎo)的方程,研究了在固體中動(dòng)態(tài)熱源的傳導(dǎo)問題;而正式在焊接過程理論方面進(jìn)行一系列的研究的是Rykalin院士(蘇聯(lián)),他的理論分析把熱源具體的劃分為了,點(diǎn)熱源、線熱源和面熱源,這三種熱源的表現(xiàn)形式,現(xiàn)在仍在使用,但是在分析過程中其沒有研究材料的高溫物理性能變化和對(duì)方程的解答產(chǎn)生影響的構(gòu)件在大小方面等因素,焊接過程中的關(guān)鍵問題就是在于,其焊接鋼材的材料屬性是隨著溫度的變化而變化的,并且不是呈現(xiàn)線性變化趨勢(shì),整個(gè)過程都是呈現(xiàn)為非線性的變化,之間鋼材會(huì)發(fā)生各種復(fù)雜的變化,單純的應(yīng)用固定溫度下的材料的屬性,是無(wú)法很好的模擬真?zhèn)€焊接的過程,得到和現(xiàn)實(shí)相符合的結(jié)果,而焊接過程的在焊縫區(qū)域的非線性變化是研究焊接問題的重點(diǎn),該理論在實(shí)用方面還存在一定的缺陷 [1214]。針對(duì)以上的情況,本文應(yīng)用Ansys對(duì)單軸對(duì)稱焊接工字梁進(jìn)行焊接殘余應(yīng)力三維數(shù)值模擬分析,從而彌補(bǔ)單軸對(duì)稱焊接工字梁在殘余應(yīng)力分析方面的不足,該研究成果無(wú)論是對(duì)承載力設(shè)計(jì)還是工藝設(shè)計(jì)都有一定的參考價(jià)值。目前對(duì)焊接殘余應(yīng)力研究的理論分析方法尚不成熟,主要通過試驗(yàn)測(cè)量,由于實(shí)驗(yàn)受到各種因素的限制,導(dǎo)致收集的數(shù)據(jù)的精度并不能達(dá)到要求,無(wú)法用于實(shí)際焊件殘余應(yīng)力的測(cè)定[9]。現(xiàn)行鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范(GB500172003)[7]中,包含了焊接構(gòu)件的變形和殘余應(yīng)力影響條件下的軸心受力焊接構(gòu)件的整體穩(wěn)定的系數(shù),規(guī)范中鋼結(jié)構(gòu)劃分為了8種不同的類型,是根據(jù)焊接結(jié)構(gòu)所選用的焊接時(shí)候的焊縫的形式的不同。要分析焊接殘余應(yīng)力對(duì)單軸對(duì)稱焊接工字梁整體穩(wěn)定的影響,就先要得到其殘余應(yīng)力分布,許多國(guó)家用各種方法對(duì)構(gòu)件中的殘余應(yīng)力進(jìn)行了測(cè)量,并通過統(tǒng)計(jì)分析,給出了普通工字型鋼、焊接雙軸對(duì)稱工字形鋼、軋制H型鋼等截面的殘余應(yīng)力分布圖,但是,能查閱到的有關(guān)單軸對(duì)稱焊接工字形截面殘余應(yīng)力分布的文獻(xiàn)較少,因此,準(zhǔn)確全面的了解單軸對(duì)稱焊接工字梁殘余應(yīng)力的分布對(duì)其整體穩(wěn)定設(shè)計(jì)具有重要意義[8]。因此,分析焊接殘余應(yīng)力對(duì)單軸對(duì)稱焊接工字梁整體穩(wěn)定的影響,為其整體穩(wěn)定設(shè)計(jì)提供參考,成為本課題的目的。拉應(yīng)力越大,發(fā)生應(yīng)力腐蝕斷裂越快,如有殘余拉應(yīng)力,則會(huì)和工作應(yīng)力疊加,加速應(yīng)力腐蝕開裂。應(yīng)力腐蝕開裂(簡(jiǎn)稱應(yīng)力腐蝕)是拉應(yīng)力和腐蝕介質(zhì)共同作用下產(chǎn)生裂縫的一種現(xiàn)象,在一定的材料和介質(zhì)的組合下發(fā)生。保證焊件加工精度最徹底的辦法是先消除焊接殘余應(yīng)力,然后再進(jìn)行機(jī)械加工,有時(shí)也可以在機(jī)械加工工藝上做些調(diào)整來(lái)達(dá)到這個(gè)目的。而機(jī)械切削加工把一部分材料從工件切去,如切削掉的是承受殘余應(yīng)力的部分金屬,破壞了原來(lái)工件中殘余應(yīng)力的平衡,焊件則產(chǎn)生變形(稱為二次變形),從而使殘余應(yīng)力重新分布,以求得新的平衡。(5)殘余應(yīng)力對(duì)機(jī)械加工精度的影響。對(duì)翼緣的寬度與厚度的比值(B/t)較大的H形截面,壓縮殘余應(yīng)力將降低翼緣的局部穩(wěn)定性。當(dāng)桿件的長(zhǎng)細(xì)比較大(150),它的臨界應(yīng)力本來(lái)就比較低時(shí),或者當(dāng)殘余應(yīng)力的數(shù)值較低時(shí),外載應(yīng)力與殘余應(yīng)力之和在失穩(wěn)前仍未達(dá)到屈服強(qiáng)度,則殘余應(yīng)力對(duì)穩(wěn)定性不會(huì)產(chǎn)生影響。應(yīng)該指出,殘余應(yīng)力的影響只在構(gòu)件的一定的長(zhǎng)細(xì)比范圍內(nèi)起作用。該區(qū)應(yīng)力不再增加,從而使該區(qū)喪失進(jìn)一步承受外力的能力。構(gòu)件截面上的壓縮殘余應(yīng)力將與外載引起的壓應(yīng)力疊加。特別是采用大量火焰校正后的焊接梁,在加載后可能產(chǎn)生較大的變形,而卸載后回彈量不足,應(yīng)予重視。當(dāng)外載產(chǎn)生的應(yīng)力與結(jié)構(gòu)中某區(qū)域的殘余應(yīng)力疊加之和達(dá)到屈服點(diǎn)時(shí),這一區(qū)域的材料就會(huì)產(chǎn)生局部塑性變形,喪失了進(jìn)一步承受外荷載的能力,造成結(jié)構(gòu)的有效截面積減小,結(jié)構(gòu)的剛度也隨之降低。應(yīng)力集中系數(shù)越高,殘余應(yīng)力的影響也就越顯著。當(dāng)應(yīng)力循環(huán)的平均值增加時(shí),其極限幅值就降低,反之則提高。如果構(gòu)件中存在著殘余應(yīng)力,則它將始終作用于應(yīng)力循環(huán)中,使整個(gè)應(yīng)力循環(huán)的應(yīng)力值偏移一個(gè)值,這種偏移只改變其平均值,不改變其幅值。(2)殘余應(yīng)力對(duì)疲勞強(qiáng)度的影響。應(yīng)力峰值將不斷增加,直至達(dá)到材料的屈服極限值,并發(fā)生局部破壞,最后導(dǎo)致整個(gè)構(gòu)件斷裂。例如,雖然材料具有足夠的塑性,但在低溫環(huán)境下存在三向拉伸殘余應(yīng)力作用的情況下,會(huì)阻礙塑性變形的產(chǎn)生,從而也會(huì)大大降低構(gòu)件的承載能力。只要材料有足夠的塑性變形能力且能在承載后充分地表現(xiàn)出來(lái),殘余應(yīng)力的存在就不影響構(gòu)件的承載能力,即對(duì)構(gòu)件的靜載強(qiáng)度沒有影響。如果材料具有足夠的塑性,且結(jié)構(gòu)的受力特征使得其在承載后能充分表現(xiàn)其塑性變形能力,則當(dāng)疊加后的應(yīng)力峰值達(dá)到后就不再增加,僅產(chǎn)生塑性變形。 焊接殘余應(yīng)力對(duì)焊接結(jié)構(gòu)的影響在焊件過程中,焊接結(jié)構(gòu)的殘余應(yīng)力和其所受載荷引起的工作應(yīng)力相互疊加,使其產(chǎn)生二次變形和殘余應(yīng)力的重新分布,這不但會(huì)降低焊接結(jié)構(gòu)的剛性和尺寸穩(wěn)定性,而且在溫度和介質(zhì)的共同作用下,還會(huì)嚴(yán)重影響結(jié)構(gòu)和焊接接頭的疲勞強(qiáng)度、抗脆斷能力、抵抗應(yīng)力腐蝕開裂和高溫蠕變開裂的能力。而用有限元方法數(shù)值求解時(shí),原則上允許考慮任何復(fù)雜的情況。焊接熱源的種類、熱源能量密度的分布、熱源的移動(dòng)速度、被焊接件的形狀與厚度都直接影響著熱源引起的溫度場(chǎng)分布,因而也改變著焊接殘余應(yīng)力的分布規(guī)律。(2)不同類型焊接熱源的影響。這些變化在焊接過程中,每時(shí)每刻都影響焊接溫度場(chǎng)和焊接應(yīng)力的分布。熱導(dǎo)率、比熱容
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