焊接温度场和应力场的数值模拟文档格式.docx
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Abstract
Weldingisacomplicatedphysicochemica/processwlfiehinvolvesinelectromagnetism,
Mattransferring,metalmeltingandfreezing,phase?
changewelding
SO
stress
anddeformationand
on,Inordertogethighquafityweldingstmcttlre,thesefactorshavetobecontrolled.If
can
weldingprocess
besimulatedwithcomputer,the
bestdesign,pmcedure
methodand
optimumweldingparametercanbeobtained.
Based
Oil
summingupother’Sexperience,employingnumericalcalculationmethod,this
paperresearchersystemicallydiscussesthefiniteelement
anal删system
ofthewelding
processbyrealizingthe3Ddynamicsimulationofweldingtemperaturefield
andstress
field,
then
uses
theresearchresulttosimulatetheweldingprocessofboardsurfacingbyFEMsoft
ANSYS.Atthetheoryresult.
same
time.thecalculationresultaccordswithtraditionalanalysisresultand
Themaincontentsofthepaper
areas
following:
thecalculationinweldingprocessis
a
materialnonlinearprocedurethatthematerialpropertieschange
thefunctionofGauss
as
with
thetemperature;
choose
heat
source
model.usethefunctioncommandtoapplyloadofmoving
heatS012Ie-2.Amathematicmodeloftransientthermalprocessinweldingisestablishedto
simulate
themovingoftheheatsoBrce.Theeffectsofmeshsize,weldingspeed,welding
currentandeffective
radiuselectric
arcon
temperature
fielda比discussed.Theproblemofthe
fusionandsolidificationofmaterialhasbeensolvedbythemethodofchangingtheelementmaterial.Theproblemoftheconvergencedifficulty
or
theun—convergenceduringthe
calculatingofthethermalslTessissolved;
throughreal-timedynamicsimulationofthestress
produced
inweldingprocess,thethermalstressandresidualSll℃SSinwelding
bepredicted
byusingthesimulativeanalysismethodinthispaper.Inthispaper,afeasible
slIess
dyn黜fiesimulationmethod
on
3Dweldingtemperaturefield,
fieldhadbeenestablished,whichprovides
theoryfoundationandinstruction
optimizingtheweldingtechnologyandparameters.
KEY
WORD:
Welding,NumericalSimulation,Finiteelement,Temperaturefield,Stressfield
.2.
独创性说明
本人郑重声明:
所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。
尽我所知,除了文中特别加以标注和致谢的地方外,论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果,也不包含为获得沈阳工业大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。
与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。
签名:
土莨列
日期:
刀盯.孑.Lr
关于论文使用授权的说明
本人完全了解沈阳工业大学有关保留、使用学位论文的规定,即:
学校有权保留送交论文的复印件,允许论文被查阅和借阅;
学校可以公布论文的全部或部分内容,可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论
文。
(保密的论文在解密后应遵循此规定)
量盘垂i
导师签名:
釜塑幽垒日期:
砌乒毒./彳
沈阳:
L业大学硕士学位论文
1绪论
1.1前言
焊接作为现代制造业必不可少的工艺,在材料加工领域一直占有重要地位。
但焊接是一个涉及到电弧物理、传热、冶金和力学的复杂过程。
焊接现象包括焊接时的电磁、
传热过程、金属的熔化和凝固、冷却时的相变、焊接应力和变形等。
焊接过程产生的焊
接应力和变形,不仅影响焊接结构的制造过程,而且还影响焊接结构的使用性能。
这些
缺陷的产生主要是焊接时不合理的热过程引起的。
由于高集中的瞬时热输入,在焊接过程中和焊后将产生相当大的残余应力(焊接残余应力)和变形(焊接残余变形、焊接收缩、焊接翘曲),而且焊接过程中产生的动态应力和焊后残余应力影响构件的变形和焊接缺陷,而且在一定程度还影响结构的加工精度和尺寸的稳定性。
因此,在设计和施工时必须充分考虑焊接应力和变形的特点。
焊接应力和变形是影响焊接结构质量和生产率的主要问题之一,焊接变形的存在不仅影响焊接结构的制造过程,而且还影响焊接结构的使用性能[1~I。
因此对焊接温度场和应力场的定量分析、预测、模拟具有重要意义。
传统的焊接温度场和应力预测依赖于试验和统计基础上的经验曲线或经验公式。
但仅从实验角度研究焊接热应力和焊后残余应力和变形问题难度很大,无前瞻性,不能全
面预测和分析焊接对整个结构的力学特性影响,客观评价焊接质量。
随着差分法、有限
元法的不断完善,焊接热应力和残余应力模拟分析技术相应的发展起来。
在研究焊接
生产技术时,往往采用试验手段作为基本方法,但大量的试验增加了生产成本,耗费
人力物力,尤其在军工、航天、潜艇、核反应堆等大型重要焊接结构制造过程中,任
何尝试和失败都将造成重大经济损失,而数值模拟将发挥其独特的能力和优势。
随着有
限元技术和计算机技术的飞速发展,为数值模拟技术提供了有力的工具,很多焊接过程
可以采用计算机数值模拟。
随着计算机技术发展,20世纪末提出了计算机模拟的手段,为热加工包括焊接技
术的发展创造了有力的条件。
焊接过程数值模拟可包括以下几个方面:
(1)焊接热过程;
(2)焊缝金属凝固和焊接接头相变过程;
(3)焊接应力和应变发展过程:
(4)zlE均质焊接接
头的力学行为;
(5)焊接熔池液体流动及形状尺寸;
(6)重大结构及其部件的应力分析。
利用这种方法可以展望21世纪热)JlI的研究模式将转变为“理论一计算机模拟.生产”,
从而大大提高焊接和材料热加工的科学水平,节约用于实验研究的人力、财力口】。
焊接变形预预8方法大多基于有限元分析。
近年来,随着计算机软、硬件和有限元法的发展,焊接三维数值模拟的研究成为该领域的前沿,三维焊接热应力和残余应力演化
虚拟分析技术也逐渐发展起来。
计算机硬件的发展为焊接过程的模拟和工程预测创造了条件,现在PC机的性能已和十几年前的小型机、中型机性能相差无几,对于简单的、
结果不是很复杂的焊接结构可以在PC机上实现其模拟过程。
1.2焊接温度场的研究历史和发展
焊接温度场的准确计算或测量,是焊接冶金分析和焊接应力、应变热弹塑性动态分析的前提。
关于焊接热过程的分析,苏联科学院的Rykalin院士对焊接过程传热问题进行了系统的研究,建立了焊接传热学的理论基础。
为了求热传导的微分方程的解.他把焊接热源简化为点、线、面三种形式的理想热源。
且不考虑材料热物理性质随温度的变化以及有限尺寸对解的影响。
实际上焊接过程中除了包含由于温度变化和高温引起的材料热物理性能和变化而导致传热过程严重的非线性外,还涉及到金属的熔化、凝固以及液固相传热等复杂现象,因此是非常复杂的。
由于这些假定不符合焊接的实际情况,因此所得到的鳃与实际测定有一定的偏差,尤其是在焊接熔池附近的区域,误差很大,而这里又恰恰是研究者最为关心的部位p’5’6’1‘。
Adames、木原博和稻埂道夫等人根据热传导微分方程,以大量的实验为基础,积累了不同材料、不同厚度、不同焊接线能量以及不同预热温度等测量数据,然后从传热理论的有关规律出发,经过整理、归纳和验证,最后建立了不同情况下的焊接传热公式。
这种方法比前者采用数学解析法要准确,但实验的工作量很大,有确定的应用条件和范围,且可靠性取决于测试手段的精度口l。
1966年Wilson和Nickell首次把有限元法用于固体热传导的分析计算中。
70年代,有限元法才逐渐在焊接温度场的分析计算中使用。
1975年,加拿大的Poley和Hibbert在发表的文章中,介绍了利用有限元法研究焊接温度场的工作,编制了可以分
一2.
析非矩形截面以及常见的单层、双层u、v型坡口的焊接温度场计算程序,证实了有限
元法研究焊接温度场的可行性。
之后国内外众多学者进行了这方面的研究工作。
Krutz在1976年的博士论文中专门研究了利用焊接温度场预测接头强度问题,其中分析了非线性温度场,在二维分析模型中,假定电弧运动速度比材料热扩散率高,因此传到电弧前面的热量输出量相对比较小,从而忽略了在电弧运动方向的传热,这实际上与
Rykalin高速移动热源公式的处理方法是~致的[6
781。
西安交通大学唐慕尧等人于1981年编制了有限元热传导分析程序,进行了薄板焊
接准稳态温度场的线性计算,其结果与实验值吻合。
随后上海交通大学的陈楚等人对非线性的热传导问题进行了有限元分析,建立了焊接温度场的计算模型,编制了相应的程序,程序中考虑了材料热物理性能参数随温度的变化以及表面散热的情况,能进行固定热源或移动热源、薄板或厚板、准稳态或非准稳态二维温度场的有限元分析。
并在脉冲TIG焊接温度场以及局部千法水下焊接温度场等方面进行了实例分析f9’10】。
对于三维问题,国内外也是近十年来才刚开始研究。
其原因是焊接过程温度梯度很大,在空间域内,大的温度梯度导致严重材料非线性,产生求解过程的收敛困难的和解的不稳定性;
在时间域内,大的温度梯度决定了必须在瞬态分析时在时间域内的离散度加大,导致求
解时问步的增加㈣。
国内上海交通大学汪建华等人和日本大阪大学合作对三维焊接温度
场问题进行了一系列的有限元研究,探究了焊接温度场的特点和提高精度的若干途径,并对几个实际焊接问题进行了三维焊接热传导的有限元分析【12’”1。
蔡洪能等人建立了运动电弧作用下的表面双椭圆分布模型基础上研制了三维瞬态非线性热传导问题的有限元程序,程序中利用分析节点热焓的方法对低碳钢(A3钢)板的焊接温度场进行了计
算,计算结果和实验值吻合得很好【6’71。
1.3焊接应力场的研究历史和发展
焊接过程中应力应变的研究工作始于二十世纪三十年代,但是研究工作只能是定性的和实测性的。
五十年代,前苏联学者奥凯尔布洛母等人在考虑材料机械性能与温度之间的相互依赖关系的情况下,用图解的形式分析了焊接过程的热弹塑性性质及其动态过程。
并分析了一维条件下对焊接应力应变的影响。
六十年代,由于计算机的推广应用,
.3一
对焊接应力应变的数值模拟才发展起来。
1961年,Tall等人首先利用计算机对焊接热应力进行计算。
编制了一套沿板条中线进行堆焊的热应力一维分析程序。
1971年,1waki
编制了可用于分析板平面堆焊热应力的二维有限元程序,后来Murald对它做了重大改进,扩大了这个二维程序的功能,使之可用于对接焊和平板焊过程的热应力分析。
日本
的上田幸雄等人以有限元为基础,应用材料性能与温度相关的热弹塑性理论,导出了分析焊接热应力所需的各表达式。
此后美国的H.D.Hibben,E.F.Ryblicki,Y.Iamuk以及美国MIT的K.Masubuchi[删]等在焊接残余应力和变形的预测和控制方面进行了许多研究工作f】”。
Anderson分析了平板埋弧焊时的热应力,并考虑了相变的影响。
进入八十年代,有限元技术日益成熟,人们对焊接应力应变过程及残余应力的分布规律的认识不断深入,1985年Jonson等人通过大量的数值计算,进一步提高了预测焊缝周围残余应力分布的精度,同时考虑了定位焊对残余应力分布的影响。
Josefen对薄壁管件焊接残
余应力以及回火去应力过程的应力分布情况进行了研究,并探讨了一些调整焊接残余应
力的措籀[i卯。
进入九十年代,随着计算机性能的迸一步提高,对焊接应力应交的研究更深入。
1991年Mahin等人在研究中考虑了耦合的热应力问题,其中热源分布采用实验矫正的方法进行处理,同时考虑熔池对流、辐射及传热对温度分布的影响,其残余应力的计算结果与采用中子衍射测得的结果吻合很好。
T.1aoue等研究了伴有相变的温度变化过程中,温度、相变、热应力三者之间的耦合效应,并提出了在考虑耦合效应的条件下本构方程的一般形式。
1992年加拿大的Chen等人对厚板表面重熔时的应力应变进行了有限元计算,其中考虑了熔化潜热及凝固过程中固液相转变过渡区应力的变化,其残
余应力计算值和实验值相当吻合。
美国的Shim等人利用平面应变热弹塑f生有限元计算
了厚板多层焊的残余应力,并对不同坡口形状的焊接残余应力进行了比较,揭示了厚板残余应力分布的规律。
1993年,加拿大的Chidiac等人研究了厚板焊接过程的应力应变及残余应力的分布,其中涉及了三维加热模型,并考虑了显微组织的变化和晶体生长等情况。
加拿大的J,Goldak等对从室温到熔点的焊接热应力进行了研究,提出了各温度段的本构方程【16】。
另外,与焊接温度场的有限元分析类似,焊接热弹塑性有限元分析过去大都局限于二维,三维问题的研究是九十年代才开始的。
瑞典的L.Karlsson等对大板拼
.4.
接的焊接应力和变形进行了研究,还提出了采用辅助热源防止单面焊终端裂纹的有效方
法;
90年代则对三维和板壳结合的焊接模型进行了研究【"】。
近来英国焊接研究所开发了一个“结构变形预测系统”(SDPS),可以用来预测复杂结构的焊接变形。
国内对焊接应力应变数值分析起步于二十世纪七十年代,首先是西安交通大学的楼志文等人把
数值分析应用到焊接温度场和热弹塑性应力场的分析中,编制了热弹塑l生有限元分析程
序并对两个简单的焊接问题进行了分析。
进入八十年代,上海交通大学焊接教研室在焊接热传导的数值分析方面做了许多工作。
特别是对非线性瞬态温度场进行了有限元分
析,提出了求解非线性热传导方程的变步长外推法,并编制了二维热弹塑性有限元分析程序,计算了平板对接焊时应力应变发展过程及残余应力分布。
关桥等人编制了用于进行平板轴对称焊接应力应变分析的有限元程序,对薄板氩弧点状热源的应力应变过程进行了计算,该分析仅限于点状热源。
孟繁森等人利用迭代解法研制了计算焊接过程应力应变发展程序和图形显示程序,分析了板条边沿堆焊时的应力应变发展过程。
陈楚等人
利用平截面的假设分析了厚板焊接时的瞬态拉应力以及厚板补焊时的残余应力。
刘敏等
人研制了三角差分温度场和轴对称热弹塑性有限元程序,计算了1Crl8Ni9Ti和20#钢圆管对接多层焊接时的应力应变过程。
汪建华把三维问题转化为二维问题利用平面变形热弹塑性有限元法对厚板的应力问题进行了分析【18】。
西安交通大学的汤小牛等人针对工程中大量壳体部件的弹塑性问题,编制了稳定温度场和曲壳单元热弹塑性应力分析程序,计算了异种钢管(铁素体102钢和奥氏体304钢)焊接残余应力的分布以及焊缝宽度对残余应力的影响。
九十年代上海交通大学与日本大阪大学对三维焊接应力和变形问题进行了共同研究‘付’201,提出了改善计算精度和收敛性的若干途径,发展了有关的三维焊接分析程序,并有不少成功的应用实例。
研究成果已在预测核电凝汽器焊接变形12”、压缩机焊接变形㈤、轿车液力变矩器焊接精度控制㈣等方面得到实际应用。
近年来清华大学、天津大学也进行了焊接力学过程的数值模拟。
天津大学在局部法评定焊接接头疲劳强度研究中,直接应用了局部残余应力分布数值分析的结果。
清华大学的蔡志鹏等人,利用Marc软件,简化热源模型,用串热源模型代替高斯热源进行焊接应力应变分析,
已应用于三峡1200t桥式超重机主粱焊接变形的控制和大型挖掘机的工艺设计中‘24、251。
.5.
广西大学的黎江用ANSYS对厚板的单道焊及圆筒焊接进行温度场和热应力场的分析计算,获得了较好的分析结果[261。
武汉理工大学的李冬林用ANSYS针对平板堆焊问题进
行了实例计算,而且结果与传统的分析结果和理论值相吻合【27】。
中国科学院金属研究所的吕建民用Marc大型通用非线性有限元分析软件,探讨了温差形变法消除管道焊接残
余应力的机理1281。
1.4数值方法概述和有限元模拟软件简介
1.4.1数值方法概述解析方法是直接应用现有的数学理论和定律去推导和演绎数学方程(模型)得到用
函数表示的解,也就是解析解。
解析法的优点是物理概念和逻辑清晰,所得到的解比较精确。
但解析法只能用于有限的范围,对于复杂系统高阶、非线性、时变的微分方程很难用解析法求解。
数值方法又叫数值分析,是用计算机程序来求解数学模型的近似解,有时称之为数值模拟或计算机模拟。
对于实际问题,边界条件十分复杂,解析法来求解这类微分方程十分困难。
而随着计算机技术的高速发展,大多数实际问题采用数值求解。
数值解法主要有差分法、有限元法、数值积分法、蒙特卡洛法等。
下面简单介绍前
两种方法【291。
差分法:
差分法的基础是用差商来代替微商,相应地把微分方程变为差分方程来求解。
求解时必须对求解域离散化,这样微分方程和边界条件的求解就归结为求解一个线性方程组,得到数值解。
差分法的优点在于对于具有规则的几何特性和均匀的材料特性问题,它的程序设计和计算过程比较简单,收敛性也较好。
缺点是往往局限于规则的差分网格,不够灵活。
此外,差分法只看到了节点的作用而忽视把节点连接起来的单元的贡献。
在焊接研究中差分法常用于焊接热传导、熔池流体动力学、氢扩散等问题的分
析。
有限元法:
有限元法是适应使用计算机而发展起来的一种有效的数值方法。
这种方法起源于20世纪50年代对航空工程中飞机结构的矩阵分析。
60年代被推广用来求弹
性力学的平面应力问题。
虽然这一方法起源与结构分析,但它所依据的理论的普遍性,
..6.
已经能够成功地用来求解其他工程领域的许多问题,几乎适用于求解所用的连续介质和
场的问题。
有限元方法是将连续的物体离散化,分解为由有限个单元组成的模型,即进行网格划分,进而对离散化模型求数值解。
主要优点是【291:
(1)概念清晰,容易掌握。
(2)有很强的灵活性和适用性,应用范围极其广泛。
对于各种复杂的因素,如复杂的几何形状、任意的边界条件、不均匀的材料特性,非线性的应力一应变关
系,都能灵活地加咀考虑,不会发生处理的困难。
(3)采用矩阵形式表达,便于编制计算机程序。
在焊接领域,有限元法广泛应用于焊接热传导、焊接热弹塑性应力和变形分析、焊
接结构的断裂力学分析等。
。
1.4.2有限元分析软件简介
随着焊接温度场和应力场的深入研究,有限元技术的发展和应用,以及计算机技术
的飞速发展,目前在进行有限元分析时所用的软件方面已经有了不少优秀的计算分析软件,如:
ANSYS、SYSWELD、ABAQUS、ADINA、NASTRAN、MAEC等可供焊接
工作者选用。
这些大型有限元
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- 焊接 温度场 应力 数值 模拟