【正文】 制約, 產(chǎn)生了不可逆轉(zhuǎn)的塑性變形, 導(dǎo)致焊件在完全冷卻后, 其上仍然存在著殘余應(yīng)力，即焊接殘余應(yīng)力[4]。焊接構(gòu)件的焊接接頭的疲勞強度的問題和鋼材的剛性的問題的影響因素在于，焊接時候的溫度、焊接時候所處的環(huán)境及在焊接過程中產(chǎn)生的應(yīng)力問題，在這三方面問題的共同作用下產(chǎn)生的，還會對結(jié)構(gòu)的抵抗脆斷的性能、腐蝕開裂的性能及其在高溫下的蠕變開裂的性能產(chǎn)生降低的效果。應(yīng)用現(xiàn)代有限元技術(shù)，建立三維模型，對焊件進行仿真模擬，掌握其產(chǎn)生和存在的規(guī)律性,并采取相應(yīng)的技術(shù)措施改善其分布特性,對于提高焊接結(jié)構(gòu)或接頭的承載能力,延長使用壽命具有重要的工程實用價值，ANSYS是以有限元分析為基礎(chǔ)的大型通用CAE軟件,其強大的熱、結(jié)構(gòu)耦合及瞬態(tài)、非線性分析能力使其在焊接模擬技術(shù)中具有廣闊的前景,已有研究人員基于ANSYS軟件，編制了焊接殘余應(yīng)力數(shù)值模擬的程序,并給出了具體實現(xiàn)過程,利用該程序?qū)嶒灪附釉嚢宓臍堄鄳?yīng)力進行了數(shù)值模擬,模擬結(jié)果與測量結(jié)果吻合較好，對于焊接殘余應(yīng)力的研究正在向著定量化、精確化的目標邁進[6]。焊接過程中，焊縫區(qū)被急速的加熱，并局部熔化，焊材受熱膨脹，焊接熱應(yīng)力的產(chǎn)生是由于周圍溫度較低區(qū)域的約束，隨著溫度的升高，受熱區(qū)域的屈服極限下降，有部分的焊接熱應(yīng)力的超出了常溫下的屈服強度，這樣，熱壓縮的焊縫區(qū)域形成，經(jīng)過冷卻降溫，和附件的區(qū)域相比，減小、縮短或者變窄，所以，此區(qū)域就以殘余拉應(yīng)力為主，附近區(qū)域就以殘余壓應(yīng)力為主，而降溫冷卻過程中由于纖維組織而產(chǎn)生的體積變化發(fā)生在溫度較低的區(qū)域，而且材料有較高的屈服極限，這樣該區(qū)域就會以殘余壓應(yīng)力為主，而且它的附近區(qū)域會議殘余拉應(yīng)力為主。 焊接殘余應(yīng)力產(chǎn)生的原因及影響因素焊接殘余應(yīng)力產(chǎn)生的主要原因是由焊接過程中的不均勻加熱所引起的，焊應(yīng)力按照其發(fā)生的來源分為三種情況：直接產(chǎn)生的殘余應(yīng)力，不均勻加熱和冷卻導(dǎo)致的，決定在于不均勻加熱和冷卻的溫度梯度，是焊接殘余用應(yīng)力產(chǎn)生的關(guān)鍵；間接產(chǎn)生的殘余應(yīng)力，焊接過程之前的加工狀況導(dǎo)致的，焊件若經(jīng)歷過軋剎或拉拔時，都會使之具有此類殘余應(yīng)力，這種殘余應(yīng)力在某種場合下會加到焊接殘余應(yīng)力上去，也往往會在焊后的變形中產(chǎn)生附加性影響，而且外界約束對于焊件產(chǎn)生的附加應(yīng)力也應(yīng)該歸于此類型應(yīng)力；組織變化產(chǎn)生的殘余應(yīng)力，相變導(dǎo)致比熱容變化產(chǎn)生組織變化導(dǎo)致的，盡管因材料中碳的含量不同而異，但一般情況下這種影響必須要加以考慮的是發(fā)生相變的溫度和平均冷卻速度[8]。以熔焊方法為例，影響焊接應(yīng)力產(chǎn)生的主要因素有以下2個方面:(1)材料物理特性和力學(xué)性能的影響。線膨脹系數(shù)隨溫度的變化則是決定焊接熱應(yīng)力應(yīng)變的重要物理特性。這些變化也構(gòu)成了理論分析和數(shù)值計算(如有限元數(shù)值分析)時的復(fù)雜性和局限性，因此，在一般簡化計算中，只用一定溫度范圍內(nèi)的這些參數(shù)的平均值來求解。焊接時的熱輸入是產(chǎn)生焊接應(yīng)力的決定性因素。在函數(shù)解析求解焊接溫度場時，這種分類可使最終的計算公式簡化。但實際上，為了節(jié)省運算時間，從經(jīng)濟的角度考慮也需作相應(yīng)的簡化。殘余應(yīng)力對結(jié)構(gòu)性能的影響主要有以下幾個方面: (1)殘余應(yīng)力對靜載強度的影響。應(yīng)力未達到屈服強度的區(qū)域，則隨著外力的增加，應(yīng)力繼續(xù)增加，整個截面上的應(yīng)力逐漸趨于均勻，直到構(gòu)件截面上全部應(yīng)力都達到屈服強度為止。但若因結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)或結(jié)構(gòu)自身特點使得其內(nèi)在的塑性變形能力不能在承載后充分地表現(xiàn)出來，則殘余應(yīng)力將影響構(gòu)件的承載能力。如果材料是脆性材料或因結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)或結(jié)構(gòu)自身特點使得其內(nèi)在的塑性變形能力不能在承載后充分地表現(xiàn)出來，由于材料不能進行塑性變形，那么，隨著外力的增加，構(gòu)件中不可能應(yīng)力均勻化。脆性材料殘余應(yīng)力的存在，會使承載能力下降，導(dǎo)致斷裂。殘余應(yīng)力對于疲勞強度的影響是人們廣泛關(guān)心的問題。結(jié)構(gòu)的疲勞強度與應(yīng)力循環(huán)的特征有關(guān)。因此，如應(yīng)力集中處存在著拉伸殘余應(yīng)力，疲勞強度就降低。(3)殘余應(yīng)力對結(jié)構(gòu)剛度的影響。在實際的生產(chǎn)中，各種焊縫和火焰校正都可能在相當(dāng)大的截面上產(chǎn)生較大的殘余應(yīng)力，雖然它們在構(gòu)件長度方向上的分布范圍較小，但它們對剛度的影響是不可忽視的。(4)殘余應(yīng)力對壓桿穩(wěn)定性的影響。壓應(yīng)力的疊加使壓應(yīng)力區(qū)先達到屈服強度。這樣就相當(dāng)于削弱了構(gòu)件的有效面積。殘余應(yīng)力對受壓桿件穩(wěn)定的影響，在桿件長細比為90左右時最嚴重。此外，當(dāng)桿件的長細比較小(30)，相對偏心又不大 (()時，其臨界應(yīng)力主要決定于桿件的全面屈服，殘余應(yīng)力也不致產(chǎn)生大的影響。局部失穩(wěn)可在焊件服役過程中，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，還會嚴重影響結(jié)構(gòu)和焊接接頭的疲勞強度、抗脆斷能力、抵抗應(yīng)力腐蝕開裂和高溫蠕變開裂的能力。焊件若未經(jīng)消除應(yīng)力處理，內(nèi)部會存在自相平衡的殘余應(yīng)力。即便切削是在夾具卡固下加工，加工過程雖不會表現(xiàn)出這種二次變形，但當(dāng)夾具一旦撤除，二次變形馬上就會出現(xiàn)，仍然影響加工精度。(6)殘余應(yīng)力對應(yīng)力腐蝕開裂的影響。由于拉應(yīng)力的作用對金屬表面腐蝕鈍化膜不斷破壞，從而加速腐蝕破壞過程。 課題研究的目的和意義在焊接梁中，由于焊接殘余應(yīng)力很大，從一開始加載荷起，焊接梁實際上也就進入彈塑性工作階段，我國現(xiàn)行的鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范(GB500172003 )[7]中，對于焊接梁的彈塑性整體穩(wěn)定系數(shù)是根據(jù)雙軸對稱焊接和軋制工字形截面簡支梁在考慮等效殘余應(yīng)力情況下導(dǎo)出的，其它截面情況只能借用，是否合適，尚需進一步具體分析。而焊接殘余應(yīng)力是影響梁整體穩(wěn)定的重要因素，在梁整體穩(wěn)定設(shè)計中應(yīng)對不同截面形式下焊接殘余應(yīng)力對焊接結(jié)構(gòu)的影響加以考慮，以優(yōu)化梁的整體穩(wěn)定設(shè)計。近年來，焊接殘余應(yīng)力對結(jié)構(gòu)承載能力的影響引起人們越來越多的關(guān)注。要計算焊接構(gòu)件的承載能力的影響必須以求得焊接殘余應(yīng)力為基礎(chǔ)，必須對殘余應(yīng)力有全面深入的了解[8]。焊接殘余應(yīng)力分布規(guī)律的研究仍是鋼結(jié)構(gòu)領(lǐng)域的熱點和難點[10]；隨著ANSYS等大型應(yīng)用軟件的開發(fā)和利用,對于焊接殘余應(yīng)力的研究也進入了仿真模擬的時代,它不僅可以減少實驗的用時、減少花費,還能知道構(gòu)件上殘余應(yīng)力連續(xù)的分布的趨勢,焊接工藝得到了優(yōu)化，但對于焊接殘余應(yīng)力的分析還有許多工作要做：首先，焊接殘余應(yīng)力數(shù)值模擬對計算機資源的耗費很大，如何合理簡化焊接殘余應(yīng)力數(shù)值模擬的力學(xué)模型是有待解決的重要課題之一；其次，焊接殘余應(yīng)力的數(shù)值研究在精確性和穩(wěn)定性方面還有一些問題，目前焊接殘余應(yīng)力計算結(jié)果在很多時候偏大，也有極少數(shù)時候可能出現(xiàn)偏小的情況[1011]，因此建立一套完整的焊接殘余應(yīng)力的數(shù)值分析理論及數(shù)值模擬方法尤其重要。 國內(nèi)外同類課題研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 國內(nèi)外焊接熱分析研究現(xiàn)狀熱傳導(dǎo)問題的研究早在30年代就開始了，首先是D對焊接過程的研究由原來的知識在理論層面的研究，轉(zhuǎn)換到了實驗研究上，一切理論的產(chǎn)生都要以大量的實驗為理論基礎(chǔ)，在實驗的數(shù)據(jù)積累和測量的方面，木原博、稻埂道夫和Adames等人做出了大量的貢獻，他們從前人的已有的理論為基本點，結(jié)合自己的實驗數(shù)據(jù)，通過一系列的整理和檢驗，推導(dǎo)出了在各種不一樣的條件下比應(yīng)用數(shù)學(xué)解析方法得出的方程的結(jié)果，更加的準確的焊接過程的熱傳導(dǎo)方程，采用這種方法也存在著一定的弊端，實驗時間和精度方面的問題有待進一步的解決 [13]。Tnouce，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(yīng)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]。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(yīng)的可以應(yīng)用在靜態(tài)動態(tài)熱源和薄厚板件分析當(dāng)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(fù)雜的結(jié)構(gòu)模擬還是無法和實際結(jié)果相符合 [19]。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(yīng)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(yīng)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[16,18]。起初對焊接應(yīng)力應(yīng)變的分析從一維的問題開始，應(yīng)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(xué)者)在分析中加進了溫度變化對于材料屬性的影響 [13]。隨著一維焊接應(yīng)力應(yīng)變的發(fā)展和完善，人們把分析逐步的向二維領(lǐng)域發(fā)展，70年代初，對接焊和平板堆焊的二維應(yīng)力應(yīng)變分析程序就由Iwkai和Muraki編制完善，二維分析成為了可能[13]。隨著焊接應(yīng)力應(yīng)變理論基礎(chǔ)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(yīng)力應(yīng)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(yīng)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(yīng)力分布趨勢和一些消減焊接應(yīng)力應(yīng)變的方法和措施 [28]。Tnouce，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(yīng)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(yīng)力應(yīng)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(yīng)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(yīng)力，以此為依據(jù)，提取了關(guān)于厚板的焊接殘余應(yīng)力的分布的趨勢 [29]。近年來，得到隨著焊接時間加長，焊縫周圍的拉伸殘余應(yīng)力有減小的趨勢，而隨著焊接電壓的升高，拉伸殘余應(yīng)力有加強的趨勢[30]。得到焊接速度對焊接殘余應(yīng)力的影響最大，提高焊接的速度有助于降低焊接殘余應(yīng)力[32]，此外，激光能量大小對焊接殘余應(yīng)力有巨大的影響。二十世紀九十年代，汪建華等人對焊接過程應(yīng)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(dǎo)，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。2003年，陳麗敏和陳思作，根據(jù)熱彈塑性應(yīng)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(yīng)力分析，分析結(jié)果表明，焊接殘余壓應(yīng)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(yīng)力提供了一種方法[35]。2007年清華大學(xué)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(yīng)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(yīng)力的存在，熱影響區(qū)內(nèi)鋼材受力性能的變化[38]。同濟大學(xué)的吳蕓和張其林焊接鋁合金構(gòu)件殘余應(yīng)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(yīng)力的分布情況,為進一步總結(jié)焊接鋁合金構(gòu)件殘余應(yīng)力的分布規(guī)律及研究殘余應(yīng)力對構(gòu)件承載力的影響提供了基礎(chǔ)。2010年清華大學(xué)的班慧勇等在殘余應(yīng)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(yīng)力分布模型和計算公式[40]。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(yīng)力變形中的研究和應(yīng)用日益廣泛，但基本上是針對二維問題[4243]。由于焊接過程的復(fù)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。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。應(yīng)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。(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(yīng)力的分布規(guī)律的影響。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(yīng)力的分布規(guī)律。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)。，在焊接有限元分析中所要輸入和輸出的基本的參數(shù)。強烈影響用實箭頭表示，較弱影響用虛線箭頭表示。本文僅研究了單向耦合問題。熱源模型，熔池模型，熱力學(xué)性能化學(xué)成分，焊接參數(shù)，晶粒尺寸瞬態(tài)溫度場相變行為力學(xué)特性應(yīng)力與變形顯微組織的形成和發(fā)展熱 應(yīng) 力變 形 熱相變潛熱相變相變應(yīng)力動力學(xué)相變 顯微組織變化、溫度場、應(yīng)力場互相影響 Changes in microstructure、the temperature field、stress field interaction金屬學(xué)顯微組織狀態(tài)場由熱應(yīng)力引起的相變力 學(xué)應(yīng) 力 和 變 形熱 力 學(xué)溫 度 場相變潛熱顯微組織轉(zhuǎn)變熱應(yīng)力 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 焊接溫度場分析理論 焊接過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)主要研究的問題是隨時間變化的溫度分布，加以考慮對流和輻射對焊接過程的影響，隨著焊接過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間上都發(fā)生著強烈的改變，相變潛熱金屬熔敷等現(xiàn)象都伴隨著發(fā)生，所以說焊接過程是典型的瞬態(tài)非線性傳導(dǎo)熱分析[8,48]。在給定初始條件的情況下可以對上述的泛定方程求得定解。 非線性瞬態(tài)溫度場傳熱分析瞬態(tài)溫度場的溫度函數(shù)不單單包含空間域函數(shù)，還有時間域函數(shù)，這是瞬態(tài)溫度場和穩(wěn)態(tài)溫度場的主要差別。是指在空間域里面，先假設(shè)一個內(nèi)部溫度成線性分布的單