【正文】 焊接熱應(yīng)力、相變潛熱和溫度的相互耦合關(guān)系 Welding heat stress、 latent heat and temperature relationship of mutual coupling 焊接溫度場(chǎng)分析理論 焊接過(guò)程傳熱的基本形式和方程 焊接構(gòu)件的局部受熱，造成焊接中產(chǎn)生，根據(jù)研究結(jié)果顯示，焊接熱傳導(dǎo)主要研究的問(wèn)題是隨時(shí)間變化的溫度分布，加以考慮對(duì)流和輻射對(duì)焊接過(guò)程的影響，隨著焊接過(guò)程的局部快速的加熱和冷卻，焊接構(gòu)件的溫度和隨溫度變化的材料屬性在空間和時(shí)間上都發(fā)生著強(qiáng)烈的改變，相變潛熱金屬熔敷等現(xiàn)象都伴隨著發(fā)生，所以說(shuō)焊接過(guò)程是典型的瞬態(tài)非線性傳導(dǎo)熱分析 [8,48]。本文僅研究了單向耦合問(wèn)題。圖 也可以簡(jiǎn)化為 ，強(qiáng)烈影響用實(shí)箭頭表示，較弱影響用虛線箭頭表示。 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)。 焊接有限元模型的簡(jiǎn)化 焊 接過(guò)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(guò)程。 第二章 焊接過(guò)程有限元分析理論 焊接過(guò)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(guò)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(guò)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(guò)程中材料的瞬態(tài)行為； (4)焊接過(guò)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(kāi)關(guān)是分布式并行系統(tǒng)的開(kāi)中重要的兩 個(gè)方面； (4)在焊接物理模擬過(guò)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(méi)有達(dá)到，所以還需要進(jìn)一步的簡(jiǎn)化模型。通過(guò)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(wèn)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(wèn)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(guò)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(wèn)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(wèn)題分析 [4 445 ]，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(wèn)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 ]。 20xx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(guò)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 ]。 20xx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(guò)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 [3 6,37 ]。 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(guò)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 S ilva,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(méi)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(jiàn)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(guò)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(kāi)始考慮焊接過(guò)程當(dāng)中熱源的輻射問(wèn)題、焊接過(guò)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(wèn)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(guò)程的另一個(gè)關(guān)鍵因素的考慮，就是焊接過(guò)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(kāi)始向計(jì)算機(jī)程序編寫(xiě)的方面推進(jìn)，首次應(yīng)用編寫(xiě)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(kāi)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(guò)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》 [22 23]和帕爾庫(kù)斯單獨(dú)寫(xiě)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(wèn)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(wèn)題，由于大的非線性使得整個(gè)計(jì)算過(guò)程收斂十分困難，計(jì)算時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，王建華 (上海交通 )和日本大阪大學(xué)進(jìn)行了三維問(wèn)題的研究探討，就三維分析中的關(guān)鍵問(wèn)題，收斂和精度效率問(wèn)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 [202 2]。 國(guó)內(nèi)對(duì)于焊接熱的研究開(kāi)始于唐慕堯 (西安交通 )等人，他們對(duì)薄板的焊接熱過(guò)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(guò)程的分布規(guī)律，此規(guī)律符合了，焊接過(guò)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(xiě)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(guò)程數(shù)值分析的發(fā)展，對(duì)焊接熱過(guò)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 N icken 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(guò)程中十分重要的問(wèn)題就是鋼材材料在高溫下的非線性的變化過(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(wèn)題；而正式在焊接過(guò)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(guò)程中其沒(méi)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(guò)程中的關(guān)鍵問(wèn)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(guò)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(guò)程，得到和現(xiàn)實(shí)相符合的結(jié)果，而焊接過(guò)程的在焊縫區(qū)域的非線性變化是研究焊接問(wèn)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(guò)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 (GB5001720xx)[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(guò)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(kāi)裂。應(yīng)力腐蝕開(kāi)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