（船舶與海洋結(jié)構(gòu)物設(shè)計(jì)制造專業(yè)論文）舷側(cè)分段結(jié)構(gòu)焊接變形計(jì)算方法研究.pdf

哈爾濱丁程火學(xué)碩十學(xué)位論文 摘要 精確預(yù)測(cè)和控制焊接變形是當(dāng)今世界造船工藝的重要要求 而控制焊 接變形一直是焊接工藝上的一個(gè)難點(diǎn) 通過對(duì)結(jié)構(gòu)焊接變形的預(yù)測(cè) 來改 善焊接工藝 從而減小焊接變形 固有應(yīng)變等效載荷法是近年來發(fā)展的預(yù) 測(cè)焊接變形的重要方法 本文通過固有應(yīng)變等效載荷法來預(yù)測(cè)船體焊接變 形 然后與舷側(cè)分段結(jié)構(gòu)焊接實(shí)驗(yàn)所得的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比 找出變形規(guī)律 進(jìn)一步提高預(yù)測(cè)精度 本文采用基于固有應(yīng)變等效載荷法計(jì)算了4 2 5 0 集裝箱舷側(cè)分段的焊接 變形 并與實(shí)驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比 具體工作如下 1 遵循分段焊接規(guī)范 結(jié)構(gòu)形式 進(jìn)行焊接溫度場(chǎng)模擬 結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù) 據(jù) 通過兩次單位載荷有限元分析 得出舷側(cè)結(jié)構(gòu)的約束度分布 2 根據(jù)固有應(yīng)變產(chǎn)生原理 利用最高溫度分布和約束度分布計(jì)算出固 有應(yīng)變的分布 然后積分得到等效載荷的分布 3 把所得到的等效載荷施加到有限元模型上 通過彈性有限元分析最 終得出舷側(cè)結(jié)構(gòu)的焊接變形 4 設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)報(bào)告 到船廠做舷側(cè)分段實(shí)驗(yàn) 學(xué)習(xí)焊接工藝 記錄常用 焊接形式的焊接規(guī)范 測(cè)量平板對(duì)接焊 縱骨自動(dòng)焊 氣體保護(hù)焊等焊接 工序后的結(jié)構(gòu)焊接變形 5 把實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與有限元計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較 找出焊接規(guī)律 分析誤差 原因 提出減小焊接變形的措施和控制變形的方法 通過對(duì)比 找出計(jì)算 存在的問題 進(jìn)一步提高預(yù)測(cè)精度 關(guān)鍵詞 集裝箱船 焊接變形 溫度場(chǎng) 約束度 固有應(yīng)變 等效載荷 哈爾濱工程大學(xué)碩士學(xué)位論文 a b s t r a c t p r e d i c t i o na n dc o n t r o lw e l d i n gd e f o r m a t i o n so fs h i ph u l lb l o c k si st h em o s t i m p o r t a n tw o r ki ns h i p b u i l d i n gt e c h n o l o g y b u ti ti ss t i l ld i f f i c u l tt oc o n t r o li t s d e f o r m a t i o n p r e d i c t i n gt h ew e l d i n gd e f o r m a t i o n o fh u l lb l o c k si sag o o d m e t h o d w h i c hw i l li m p r o v ew e l d i n gp r o c e s sa n dr e d u c et h ed e f o r m a t i o n t h e e q u i v a l e n tl o a dm e t h o db a s e do nt h ei n h e r e n ts t r a i ni s ad e v e l o p e dp r e d i c t i o n m e t h o dt h e s ey e a r s t h i sp a p e ri su s i n gt h ee q u i v a l e n tl o a dm e t h o db a s e do nt h e i n h e r e n ts t r a i nt op r e d i c tt h ew e l d i n gd e f o r m a t i o n so fac o n t a i n e rv e s s e l t h e n c o m p a r ew i t ht h ee x p e r i m e n td a t a f i n do u tt h el a wo fw e l d i n gd e f o r m a t i o n g e t t h ep r e d i c t i o no f w e l d i n gd e f o r m a t i o nm o r ee x a c t l y t h ee q u i v a l e n tl o a dm e t h o db a s e do nt h ei n h e r e n ts t r a i ni ss t u d i e dt oa n a l y z e t h ew e l d i n gd e f o r m a t i o n so f4 2 5 0c o n t a i n e rv e s s e ls i d e a n dc o m p a r ew i t h e x p e r i m e n t t h ed e t a i l sa r ea sf o l l o w s 1 f o l l o wt h er u l eo fw e l d i n ga n ds t r u c t u r e s i m u l a t et h ew e l d i n g t e m p e r a t u r ef i e l d a n dg e t t h ec o n s t r a i n td i s t r i b u t i o n sd e g r e eo fv e s s e ls i d e w h i c hi so b t a i n e db yc o m b i n i n ge x p e r i m e n t a ld a t aa n dt w i c ee q u i v a l e n tl o a d f e a 2 i n h e r e n ts t r a i nd i s t r i b u t i o ni sc a l c u l a t e db yt h eh i g h e s tt e m p e r a t u r e sa n d d e g r e e so fc o n s t r a i n t a n da c c o r d i n gt oi t so r i g i np r i n c i p l e t h ee q u i v a l e n tl o a di s o b t a i n e db yi n t e g r a lo fi n h e r e n ts t r a i n 3 l o a dt h ee q u i v a l e n tl o a d st ot h ef e am o d e l t h e ng e td e f o r m a t i o no ft h e v e s s e ls i d eb yt h ea n a l y s i so fs p r i n gf e a 4 d e s i g nt h ee x p e r i m e n tr e p o r t d os o m ee x p e r i m e n t s s t u d yo fw e l d i n g t e c h n i q u e sa n dn o t et h ee x p e r i m e n td a t a m e a s u r et h ed e f o r m a t i o no ff i a tf i l l e t s e a m w p s a n dg a ss h i e l d e da r cw e l d i n g 哈爾濱1 程人學(xué)碩十學(xué)位論文 i i i i i i i i iii ii i i i i l 5 c o m p a r et h ee x p e r i m e n td a t aw i t ht h er e s u l to ff e aa n a l y s i s a n dt h e n f i n do u tt h el a wo fw e l d i n gd e f o r m a t i o n s t h ew a yo fr e d u c i n ga n dc o n t r o l l i n g w e l d i n gd e f o r m a t i o n s f i n dt h ep r o b l e m sa n dg e tt h ep r e d i c t i o nm o r ee x a c t l y k e yw o rd s c o n t a i n e rv e s s e l w e l d i n gd e f o r m a t i o n t e m p e r a t u r ef i e l d d e g r e e o fr e s t r a i n t i n h e r e n ts t r a i n e q u i v a l e n tl o a d 哈爾濱工程大學(xué) 學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明 本人鄭重聲明 本論文的所有工作 是在導(dǎo)師的指導(dǎo) 下 由作者本人獨(dú)立完成的 有關(guān)觀點(diǎn) 方法 數(shù)據(jù)和文 獻(xiàn)的引用已在文中指出 除文中已注明引用的內(nèi)容外 本 論文不包含任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)公開發(fā)表的作品成 果 對(duì)本文的研究做出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體 均已在文 中以明確方式標(biāo)明 本人完全意識(shí)到本聲明的法律結(jié)果由 本人承擔(dān) 作者 簽字 盈拯國(guó) 日期 硼年j 月鄺e t 哈爾濱t 程大學(xué)碩十學(xué)位論文 1 1 概述 第1 章緒論 焊接是將金屬材料連接成構(gòu)件的最重要方法 無論添加或不添加填充金 屬 大多數(shù)焊接過程的核心技術(shù)是被連接表面的熔化 隨后是連續(xù)的冷卻 局部熱輸入形成局部熔化 同時(shí)盡可能地減少構(gòu)件內(nèi)部的熱擴(kuò)散和向周圍環(huán) 境的熱失散 目前國(guó)內(nèi)外造船廠建造的各種大型船舶 都是利用分段焊接建 造而成的 分段建造是把船體分為數(shù)十個(gè)分段 通過小 大規(guī)模的分段工序 制造之后 在船臺(tái)上合攏各分段 構(gòu)成船體的分段是通過加工廠和制造廠的 材料加工和小 中 大規(guī)模的作業(yè)完成的 之后運(yùn)往前沿裝配廠進(jìn)行造船裝 備作業(yè) 船體分段是通過連接板構(gòu)件的對(duì)接焊和連接板構(gòu)件和加筋板的角接 焊加工而成的 各焊接過程必然引起焊接變形 而隨著焊接過程變形也將持 續(xù)累積 制成的分段肯定與開始的設(shè)計(jì)圖紙有一定的出入 所以必須用火焰 加熱法進(jìn)行變形矯正 此工序是占造船時(shí)間i 3 的重要工序 所以分段形狀 和尺寸的準(zhǔn)確性與造船效率有密切的關(guān)系 精確預(yù)測(cè)和控制焊接變形更成為 世界現(xiàn)代造船工藝的重要要求 隨著現(xiàn)代造船技術(shù)的不斷發(fā)展 世界各主要 造船企業(yè)在2 0 世紀(jì)9 0 年代中期已普遍完成現(xiàn)代化改造 在此基礎(chǔ)上又陸續(xù) 啟動(dòng)了新一輪的現(xiàn)代化改造計(jì)劃 投資目標(biāo)集中于高新技術(shù) 其投資力度進(jìn) 一步加大 大量采用全新的造船焊接工藝流程 有力地保證了這些造船大國(guó) 具有競(jìng)爭(zhēng)中的技術(shù)優(yōu)勢(shì) l 其中 尤其以世界主要造船大國(guó)日本和韓國(guó)最為 突出 他們研究和開發(fā)了大量的全新焊接工藝 不但提高了焊接質(zhì)量和使外 形更美觀 而且保證了裝配中的無余量裝配 這些新技術(shù)的應(yīng)用 使得造船 質(zhì)量提高 生產(chǎn)成本降低 大大提高了造船競(jìng)爭(zhēng)力 船體焊接中常用的電弧焊是一個(gè)不均勻的 以一定速度移動(dòng)的加熱和冷 卻過程 在此過程中 在不同的瞬時(shí) 有些點(diǎn)有著不同的溫度分布 即不同 哈爾濱t 程大學(xué)碩十學(xué)位論文 的焊接熱循環(huán) 這種情況使物體產(chǎn)生熱脹冷縮這一簡(jiǎn)單的物理現(xiàn)象 在被焊 的結(jié)構(gòu)中 產(chǎn)生了復(fù)雜的熱力學(xué)過程 在構(gòu)件截面是出現(xiàn)了彈性區(qū) 彈塑性 區(qū) 塑性區(qū) 由于在加熱過程中有塑性的壓縮變形 因此 在焊接過程終了 溫度恢復(fù)到原來的溫度時(shí) 結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生了焊接應(yīng)力 同時(shí)結(jié)構(gòu)的形狀及尺寸 也發(fā)生了畸變 即焊接變形 2 一 為了確保分段的準(zhǔn)確性 造船廠設(shè)立精度管理部門來執(zhí)行對(duì)分段的系數(shù) 測(cè)量及矯正工作 且在板構(gòu)件切割時(shí)給出相應(yīng)的焊接變形余量來減少變形矯 正工作 焊接余量通常是通過經(jīng)驗(yàn) 實(shí)驗(yàn)及實(shí)測(cè)資料給出的 經(jīng)驗(yàn)公式往往 僅是一兩個(gè)參數(shù)的函數(shù) 而實(shí)驗(yàn)也只是針對(duì)很簡(jiǎn)單的小構(gòu)件 很難預(yù)測(cè)由多 種構(gòu)件組成的復(fù)雜分段變形量 為了提高造船效率 必須在設(shè)計(jì)階段預(yù)測(cè)出 分段制造過程中所出現(xiàn)的焊接變形 在制造分段的每一階段進(jìn)行焊接變形分 析 且在生產(chǎn)中將使分段的變形量最小的確切的焊接余量賦予進(jìn)去 因此 需要給出能夠在分段制造過程中預(yù)測(cè)焊接變形的分析方法 且在設(shè)計(jì)階段賦 予相應(yīng)于各分段最終變形的準(zhǔn)確余量 綜上所述 船體分段焊接變形預(yù)測(cè)與控制技術(shù)的研究和開發(fā) 對(duì)提高焊 接質(zhì)量和生產(chǎn)效率 從而提高經(jīng)濟(jì)效益很有必要 對(duì)增強(qiáng)我國(guó)造船行業(yè)在世 界競(jìng)爭(zhēng)中的技術(shù)優(yōu)勢(shì)具有重要的現(xiàn)實(shí)和長(zhǎng)遠(yuǎn)意義 1 2 預(yù)測(cè)焊接變形的研究方法 由于焊接過程和焊接構(gòu)件的復(fù)雜性 在實(shí)際生產(chǎn)中對(duì)焊接變形的變化規(guī) 律往往難以掌握 多年來國(guó)內(nèi)外學(xué)者和專家對(duì)焊接變形進(jìn)行了大量的研究 特別是近年來隨著數(shù)值方法和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展 許多原來難以解決的問題 都有了實(shí)現(xiàn)的可能 也取得了不少研究成果 然而離實(shí)際焊接生產(chǎn)應(yīng)用還有 相當(dāng)大的差距 4 1 目前 焊接變形與應(yīng)力的預(yù)測(cè)主要有以下幾種方法 2 哈爾濱 r 程大學(xué)碩 學(xué)位論文 1 2 1 實(shí)驗(yàn)法 2 0 世紀(jì)3 0 年代的焊接變形研究是以實(shí)驗(yàn)和經(jīng)驗(yàn)來導(dǎo)出各類焊接變形模 型的 這種研究方法一般被限制在專門的變形模式上 所以實(shí)驗(yàn)法只能用于 估算簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)的特定變形 1 2 2 解析法 用解析法研究焊接變形始于2 0 世紀(jì)5 0 年代 是基于經(jīng)典彈性理論的研 究 忽略熱彈一塑性過程 解析法只考慮了殘余塑性應(yīng)變 并假設(shè)所有區(qū)域 包 括固有應(yīng)變區(qū) 都保持彈性 這種方法把焊接構(gòu)件與固有應(yīng)變分布以數(shù)學(xué)方 式理想化 這也正暴露了解析法的缺點(diǎn) 如彈性理論問題的解決是有限的 對(duì)于大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)來講是不可能求解的 為了正確了解固有應(yīng)變的分布 人 們提出了實(shí)驗(yàn)方法和熱彈一塑性分析法 即以實(shí)驗(yàn)結(jié)果和熱彈一塑性分析結(jié)果 為基礎(chǔ) 來求出固有應(yīng)變的方法 固有應(yīng)變的大小和區(qū)域應(yīng)該通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果 來獲得 說明解析法有較低的應(yīng)用價(jià)值 但是為之后出現(xiàn)的數(shù)值分析法和等 效載荷法打下了重要的基礎(chǔ) 1 2 3 數(shù)值分析法 真正的焊接變形數(shù)值分析法研究可以說是從2 0 世紀(jì)6 0 7 0 年代隨著計(jì)算 機(jī)技術(shù)的發(fā)展出現(xiàn)了有限差分法 有限元法 邊界元法等數(shù)值分析法之后開 始的 因?yàn)樗鼈兪箤?duì)現(xiàn)實(shí)情況的模擬成為可能 數(shù)值分析法是模擬焊接的物 理現(xiàn)象 由焊接時(shí)的熱傳導(dǎo)分析和考慮溫度分布的熱彈一塑性分析構(gòu)成 熱彈 一塑性分析模型由經(jīng)歷溫度變化和彈性過程的焊接構(gòu)件構(gòu)成 通過焊接構(gòu)件隨 溫度變化的彈一塑性過程 求出最終的固有應(yīng)變 數(shù)值分析法從原理上講 可 以解決復(fù)雜焊接結(jié)構(gòu)的變形和應(yīng)力問題 但需要高性能的計(jì)算機(jī)和極為耗時(shí) 的運(yùn)算 模擬簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)的焊接過程就要花超級(jí)計(jì)算機(jī)數(shù)百秒的時(shí)間來一步步 3 哈爾濱r t 稃大學(xué)碩十學(xué)位論文 地分析非線性問題 如果使用普通工作站則要數(shù)天 因此從實(shí)踐的角度講 使用數(shù)值分析法對(duì)大型實(shí)際結(jié)構(gòu)的焊接過程進(jìn)行精確模擬是不可行的 因而 對(duì)于大型復(fù)雜的船體焊接結(jié)構(gòu)即使可能也是很不經(jīng)濟(jì)的 難以在實(shí)際生產(chǎn)中 應(yīng)用 1 2 4 等效載荷法 等效載荷法是用彈性理論來分析焊接變形時(shí)對(duì)結(jié)構(gòu)所加的載荷 根據(jù)載 荷的計(jì)算方法可分為實(shí)驗(yàn)等效載荷法與固有應(yīng)變等效載荷法 固有應(yīng)變可以看成是內(nèi)應(yīng)力的產(chǎn)生源 焊接結(jié)束以后固有應(yīng)變就是塑性 應(yīng)變 熱應(yīng)變和相變應(yīng)變?nèi)邭堄嗔恐?當(dāng)焊接低碳鋼等材料不考慮相變 影響時(shí) 固有應(yīng)變就是殘余的熱應(yīng)變和塑性應(yīng)變之和 若假定無坡口焊縫經(jīng) 受加熱過程 由于加熱和冷卻的熱應(yīng)抵消為零 那么完全冷卻后焊縫處存在 殘余壓縮塑性應(yīng)變 固有應(yīng)變存在于焊縫及其附近 固有應(yīng)變的大小和分布 就決定了最終的殘余變形1 5 j 固有應(yīng)變有限元法是一種既能解決大型復(fù)雜結(jié) 構(gòu) 又比較經(jīng)濟(jì)實(shí)用的預(yù)測(cè)焊接變形的方法 能夠直接解決工程實(shí)際問題 有很好的實(shí)用意義和發(fā)展前途 6 1 固有應(yīng)變等效載荷法是求出焊接點(diǎn)附近存在的固有應(yīng)變 且把得到的數(shù) 據(jù)在焊接斷面上進(jìn)行積分來求出等效載荷 進(jìn)而應(yīng)用有限元技術(shù)進(jìn)行分析 求得整個(gè)結(jié)構(gòu)的焊接變形的方法 u e d a 等發(fā)展了基于線彈性有限元的固有應(yīng) 變模型 在此基礎(chǔ)上 m u r a k a w a 等通過分析固有應(yīng)變的產(chǎn)生機(jī)制 認(rèn)為固有 應(yīng)變主要是由焊縫各點(diǎn)的最高到達(dá)溫度和約束度決定的 針對(duì)目前現(xiàn)狀 本文采用固有應(yīng)變等效載荷法分析了集裝箱船舷側(cè)分段 焊接變形 并且應(yīng)用了熱彈一塑性模型分析結(jié)構(gòu)的溫度場(chǎng)和固有應(yīng)變 算出了 分段焊接變形量 并與實(shí)際焊接分段的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比 改進(jìn)焊接工藝 提高預(yù)測(cè)精度 4 哈爾濱t 程大學(xué)碩士學(xué)何論文 1 3 焊接變形分類及影響焊接變形的因素 1 3 1 焊接變形的分類 1 按結(jié)構(gòu)的殘余變形可分為局部變形和整體變形 1 局部變形焊接引起構(gòu)件某一部分發(fā)生的變形 主要包括角變形和 波浪變形兩種 局部變形對(duì)結(jié)構(gòu)影響較小 也較易矯正 如圖1 1 所示 2 整體變形由于焊接引起的結(jié)構(gòu)整體發(fā)生形狀和尺寸的變化即為整 體變形 主要有橫向變形 縱向變形 彎曲變形 扭曲變形等 如圖1 1 所 示 2 按變形的基本形式可分為縱向變形 橫向變形 角變形 彎曲變形 扭曲變形 波浪變形等幾種 級(jí)向收縮 f 廠 一 夕l h r 上一 i r 彎曲變形 橫向收縮 渡浪變形 角變形 圖1 1 焊接變形種類 5 哈爾濱t 程大學(xué)碩十學(xué)位論文 1 3 2 焊接變形的成因及影響因素 一般焊接過程就是在焊絲 條 與母材之間產(chǎn)生焊弧 以同時(shí)產(chǎn)生的熱 量把焊絲 條 與母材熔化連接的過程 在焊縫附近進(jìn)行局部加熱 會(huì)沿焊 接板的長(zhǎng)度 寬度 厚度方向形成溫度分布 此時(shí)焊縫區(qū)域會(huì)因熱而膨脹 但鄰近區(qū)域溫度相對(duì)較低 所以會(huì)抑制材料的熱膨脹 在此過程中會(huì)隨著焊 接構(gòu)件的彈性應(yīng)變 引發(fā)壓縮應(yīng)力 當(dāng)應(yīng)力超過彈性極限時(shí) 會(huì)產(chǎn)生壓縮性 塑性應(yīng)變 而此壓縮性塑性應(yīng)變會(huì)繼續(xù)增加直到焊接構(gòu)件達(dá)到最高溫度 反 之 焊接構(gòu)件溫度下降時(shí) 焊接構(gòu)件收縮 鄰近區(qū)域則抑制收縮 此時(shí)焊接 構(gòu)件會(huì)受拉伸應(yīng)力的作用 應(yīng)力超過彈性極限時(shí) 會(huì)產(chǎn)生拉伸性塑性應(yīng)變 最終的殘余塑性應(yīng)變由在溫度上升時(shí)產(chǎn)生的壓縮性塑性應(yīng)變與在溫度下降時(shí) 產(chǎn)生的拉伸性塑性應(yīng)變的和決定 而這個(gè)就是焊接固有應(yīng)變 們 影響焊接變形的因素很多 往往是綜合作用 主要包括以下幾個(gè)方面 1 焊接結(jié)構(gòu)的裝配順序 2 焊接結(jié)構(gòu)的剛性和幾何尺寸 3 焊縫在結(jié)構(gòu)中布置的不對(duì)稱 是造成焊接結(jié)構(gòu)彎曲變形的主要因素 4 焊縫在結(jié)構(gòu)中的位置 焊接工藝 焊接方法 材料特性等 1 4 本文所用的等效載荷方法綜述 2 0 世紀(jì)7 0 年代 在焊接熱彈一塑性理論發(fā)展的同時(shí) 日本一些學(xué)者提出 了固有應(yīng)變概念 u e d a 1 1 等利用這一概念發(fā)展了基于線彈性有限元的固有應(yīng) 變模型 在此基礎(chǔ)上 m u r a k a w a 1 2 j 等通過分析固有應(yīng)變的產(chǎn)生機(jī)制 認(rèn)為固 有應(yīng)變主要是由焊縫各點(diǎn)的最高到達(dá)溫度和約束度決定的 根據(jù)熱彈一塑性有 限元模擬結(jié)果以及實(shí)驗(yàn)結(jié)果的比較 引入彈性約束參數(shù) 分別獲得彈性約束 參數(shù)與固有應(yīng)變以及最高溫度與固有應(yīng)變的相互關(guān)系 建立了簡(jiǎn)單而準(zhǔn)確的 固有應(yīng)變分布模型 如果知道焊縫區(qū)域固有應(yīng)變的分布 就可以通過彈性有 6 哈爾濱t 程大學(xué)碩十學(xué)位論文 限元分析預(yù)測(cè)焊接殘余應(yīng)力和變形 后來 j a n g 1 3 j 等通過對(duì)材料溫度特性的 研究 得出了考慮材料非線性的固有應(yīng)變模型 并提出用單位載荷法計(jì)算結(jié) 構(gòu)的約束度 固有應(yīng)變概念自從提出便得到廣泛的應(yīng)用 t a k e d a 應(yīng)用固有應(yīng)變理論 通過彈性分析預(yù)測(cè)了曲面板對(duì)接焊的焊接變形 h il l 在研究長(zhǎng)焊縫中殘余應(yīng) 力的分布問題時(shí)引入固有應(yīng)變理論 取得了很好的成果 k u o 等應(yīng)用固有應(yīng) 變法 分析了船體板在不同熱源作用下的變形問題 從上面的討論 我們可以知道 固有應(yīng)變是由最高到達(dá)溫度和約束度決 定的 而最高到達(dá)溫度則是通過焊件截面熱傳導(dǎo)分析得到 但其計(jì)算方法復(fù) 雜 耗費(fèi)時(shí)間長(zhǎng) 因此也是很難用于工程實(shí)際應(yīng)用 為了簡(jiǎn)化固有應(yīng)變的計(jì)算 j a n g 1 3 等提出了圓一彈簧模型 把火焰焊接 區(qū)域看作是圓 四周約束金屬看作是彈簧 通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析 將火焰等溫 線區(qū)域理想化為半橢圓形 并利用r o s e n t h a l 方程導(dǎo)出了固有應(yīng)變區(qū)的簡(jiǎn)化 計(jì)算公式 s e o 1 4 改進(jìn)了圓一彈簧模型 引入桿一彈簧模型并結(jié)合實(shí)驗(yàn)結(jié)果 導(dǎo)出了更為合理的固有應(yīng)變簡(jiǎn)化計(jì)算公式 后來 s e o 等利用桿一彈簧模型發(fā) 展了一種新的有限元法 并定義和應(yīng)用了這種具有正交材料屬性的線性加熱 單元 通過對(duì)加熱和冷卻過程產(chǎn)生的固有應(yīng)變進(jìn)行積分得到線性熱源的收縮 力和彎矩 9 0 年代以來 韓國(guó)的c d c h a n g1 1 2 l 等學(xué)者對(duì)此技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)的研究并 應(yīng)用于船廠的生產(chǎn)實(shí)踐 并用固有應(yīng)變等效載荷法預(yù)測(cè)了加筋板的焊接變形 三星重工在平板角接焊的基礎(chǔ)上 對(duì)曲板角接焊進(jìn)行了研究 通過實(shí)驗(yàn)及計(jì) 算機(jī)模擬 找出預(yù)測(cè)曲板焊接變形的方法 日本人也對(duì)此做了很多的研究和 大量的實(shí)驗(yàn) 曾驥1 1 6 j 在以上的基礎(chǔ)上 又完善了和發(fā)展了該方法在加筋板上 的應(yīng)用 并對(duì)幾種常見的焊接方式進(jìn)行了闡述 李鴻f r 7 計(jì)算了船體雙層底平 板分段的焊接變形及焊接順序?qū)ψ罱K變形的影響 為生產(chǎn)提供了有益的參考 并研究了不銹鋼等材料的焊接變形 通過計(jì)算及實(shí)際溫度場(chǎng)的測(cè)量 焊接變 形的預(yù)測(cè)與實(shí)際測(cè)量變形值的對(duì)比 得出了溫度場(chǎng)計(jì)算與實(shí)測(cè)的誤差范圍 7 哈爾濱t 程大學(xué)碩十學(xué)位論文 為今后溫度場(chǎng)的模擬做了很好的基礎(chǔ)工作 李巧彥1 1 8 j 對(duì)多參數(shù)預(yù)測(cè)船體焊接 變形進(jìn)行了模擬研究 通過改變焊接規(guī)范中的各個(gè)參數(shù) 找出影響焊接溫度 場(chǎng) 焊接變形的因素 并通過大量計(jì)算 總結(jié)出了幾個(gè)經(jīng)驗(yàn)公式 在對(duì)大型 結(jié)構(gòu) 高雙層底結(jié)構(gòu) 的焊接變形預(yù)測(cè)中 與參考文獻(xiàn)進(jìn)行了對(duì)比 進(jìn)一步 驗(yàn)證了該方法的實(shí)用性 姜永 1 9 j 對(duì)船體曲板焊接變形進(jìn)行了預(yù)測(cè) 通過把平 板載荷轉(zhuǎn)化為曲面載荷 實(shí)現(xiàn)了曲板焊接變形的預(yù)測(cè) 并與有關(guān)文獻(xiàn)中的實(shí) 驗(yàn)值進(jìn)行了對(duì)比 得出了很好的吻合結(jié)論 但是目前的研究成果還無法滿足船廠焊接生產(chǎn)的要求 精確預(yù)測(cè)整個(gè)分 段焊接變形仍然是船廠亟待解決的問題 并且以上的研究大多數(shù)是基于實(shí)驗(yàn) 條件下以及一些文獻(xiàn)中的結(jié)果 與真實(shí)的船廠生產(chǎn)工藝還是有一定差距 為 了更好的預(yù)測(cè)真實(shí)分段的焊接變形 本文在前人工作的基礎(chǔ)之上 到船廠進(jìn) 行調(diào)研及學(xué)習(xí) 用分段的焊接規(guī)范及大型結(jié)構(gòu)的焊接順序?yàn)橐罁?jù) 對(duì)整個(gè)分 段進(jìn)行焊接變形的預(yù)測(cè) 并與在船廠所測(cè)得的焊接變形值進(jìn)行比較 通過比 較 找出焊接規(guī)律 進(jìn)一步提高預(yù)測(cè)焊接變形的精度 1 5 本文的主要工作 鑒于以上論述 本課題擬在現(xiàn)有成果基礎(chǔ)上 根據(jù)4 2 5 0 t e u 舷側(cè)圖紙及 焊接規(guī)范 先模擬出角接焊的溫度場(chǎng) 根據(jù)集裝箱船體舷側(cè)分段的結(jié)構(gòu)形式 算出約束度 采用固有應(yīng)變等效載荷法 把載荷施加到有限元模型上 計(jì)算 出舷側(cè)分段的焊接變形 并與有關(guān)船廠4 2 5 0 t e u 舷側(cè)焊接變形實(shí)驗(yàn)值進(jìn)行了 比較和討論 通過對(duì)比 找出了一些變形大的關(guān)鍵位置和一些變形規(guī)律 并 分析了實(shí)驗(yàn)誤差存在的原因 主要內(nèi)容以及擬采用的方法如下 1 理解吸收現(xiàn)有成果和方法 李鴻關(guān)于簡(jiǎn)單雙層底模型的焊接變形的計(jì)算方法 其中包括 最高溫度 分布 約束度的計(jì)算 固有應(yīng)變計(jì)算 等效載荷計(jì)算 8 哈爾濱t 程大學(xué)碩十學(xué)位論文 2 船體立體分段的參數(shù)化簡(jiǎn)化焊接模型 對(duì)有限元軟件a n s y s 進(jìn)行編程 編寫船體分段的參數(shù)化建模語言a p d l 來實(shí)現(xiàn)焊接溫度場(chǎng)模擬 計(jì)算出模型的約束度 固有應(yīng)變和等效載荷 施加 到模型上 得到該分段的焊接變形 3 對(duì)船體焊接工藝進(jìn)行研究 學(xué)習(xí)焊接基本工藝 焊接方式 知道焊接參數(shù)對(duì)焊接變形的影響情況 4 船廠實(shí)驗(yàn) 到工廠進(jìn)行調(diào)研 收集圖紙 焊接工藝參數(shù)及規(guī)范 變形數(shù)據(jù) 對(duì)整個(gè) 艙段進(jìn)行焊接變形測(cè)量 5 計(jì)算并比較 把計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值進(jìn)行比較 找出焊接變形規(guī)律并分析焊接變形規(guī)律 進(jìn)一步提高預(yù)測(cè)焊接變形的精度 改善船體分段焊接工藝 減小焊接變形 9 哈爾濱t 稃大學(xué)碩十學(xué)位論文 2 1 概述 第2 章焊接溫度場(chǎng) 預(yù)測(cè)焊接變形中 最為關(guān)鍵的步驟便是對(duì)溫度場(chǎng)的模擬 只有把模型中 每一層的最高溫度算準(zhǔn)了 才能把等效載荷算好 進(jìn)而可以準(zhǔn)確地計(jì)算出焊 接變形量 焊接過程中使用局部高度集中的瞬時(shí)熱源 使焊接部位形成熔化 區(qū) 這正是引起殘余應(yīng)力和焊接變形的根源 焊接是一個(gè)不均勻加熱和冷卻 的過程 焊件各點(diǎn)的溫度分布也不相同 并隨著時(shí)間而不斷變化 某一瞬時(shí) 各點(diǎn)的溫度可用溫度場(chǎng)來描述 由于金屬材料中熱傳播速度很快 焊接時(shí)必 須用高度集中的熱源 因此焊接時(shí)的溫度場(chǎng)是非常不均勻和不穩(wěn)定的 由于 溫度場(chǎng)不僅直接通過熱應(yīng)變 而且還間接通過隨金屬狀態(tài)和顯微組織變化引 起相變 決定焊接殘余應(yīng)力和應(yīng)變 應(yīng)該從這兩方面考慮均應(yīng)首先確定焊接 溫度場(chǎng) 影響焊接溫度場(chǎng)的因素有 焊接熱源 焊件材料的熱物理性能 焊 接工藝參數(shù) 焊接接頭形式及板厚等 本章主要根據(jù)實(shí)際結(jié)構(gòu) 對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化 分析焊接中的熱傳導(dǎo)問題 并用有限元方法進(jìn)行數(shù)值模擬得到平板角接焊的溫度場(chǎng)分布 2 2 焊接溫度場(chǎng)原理 2 2 1 焊接熱源的熱功率 影響焊接溫度場(chǎng)的焊接熱源主要參數(shù)是在焊接部位的熱輸入 在瞬時(shí)作 用熱源中為其熱量 或熱能 q 在本專題所選的連續(xù)作用熱源中為其熱流密 度 或熱功率 q 此熱流在熱源作用期間以恒定密度導(dǎo)入構(gòu)件 這一假設(shè)符 合縫焊的實(shí)際情況 在這兩種情況下 都需要計(jì)算的是它們的凈值或有效值q 和q 分別相應(yīng)于其總值蠆和彳乘以焊接過程的熱效率叩 其總值蠆和蠆分 1 0 哈爾濱 r 程大學(xué)碩十學(xué)位論文 別表示熱源給出的總能量和總功率 2 0 1 船體建造中 焊弧能量的總功率等于焊絲 條 與母材間的電勢(shì)差與兩 極間電流的積 總焊弧熱效率r 是包括了對(duì)流和輻射造成的向周圍環(huán)境的耗 散損失 飛濺損失和加熱非熔化電極的損失等的系數(shù) 由焊接種類和母材種 類的不同取不同的值 對(duì)低碳鋼進(jìn)行焊接時(shí) 總焊弧熱效率 7 約為0 6 6 加 7 0 本專題取o 7 來討論角接焊問題 下式表示進(jìn)入焊接構(gòu)件的能量 q r u 2 1 其中焊接溫度場(chǎng)計(jì)算的不準(zhǔn)確很大程度上是由于相關(guān)的q 和q 的不準(zhǔn)確導(dǎo)致 的 2 2 2 熱傳播定律 2 2 2 1 熱傳導(dǎo)定律 金屬材料焊接時(shí) 局部集中的隨時(shí)間而變化的熱輸入 熔化焊接部位所 需要的熱 以高速度傳播到構(gòu)件邊遠(yuǎn)部分 在多數(shù)情況下 輻射和對(duì)流在 熱輸入過程中起著重要的作用 因而也是構(gòu)件表面熱損失的主要因素 首先 以定律形式表示的是瞬時(shí)局部熱源和瞬時(shí)溫度場(chǎng)之間的關(guān)系 熱傳導(dǎo)的傅里葉定律表明 物體等溫面上的熱流密度g 加 s 通過 導(dǎo)熱系數(shù)a 嬲k 與垂直于該處等溫面的負(fù)溫度梯度等 肌 成比例 即 q 一a a t 0 n 2 2 固體內(nèi)具有相同溫度的所有點(diǎn)的幾何位置定義為等溫面 2 2 2 2 對(duì)流傳熱定律 在氣體和液體中熱的傳播主要借助于物質(zhì)微粒的運(yùn)動(dòng) 如果這種運(yùn)動(dòng)僅 僅是由于溫度不同引起的密度不同而造成的 會(huì)產(chǎn)生自然對(duì)流 如果依靠外 哈爾濱 t 稃大學(xué)碩十學(xué)位論文 力維持這種運(yùn)動(dòng) 則產(chǎn)生強(qiáng)迫對(duì)流 根據(jù)牛頓定律 對(duì)于某一與流動(dòng)的氣體 或液體接觸的固體表面微元 其熱流密度q 通過對(duì)流傳熱系數(shù)a l 斌 與固定表面溫度r 和氣體或液體溫度瓦之差成比例 q 口 仃一瓦 2 3 2 2 2 3 輻射傳熱定律 加熱體的輻射傳熱是一種空間的電磁波輻射過程 可穿過透明體 被不 透光的物體吸收后又轉(zhuǎn)變成熱能 因此 任何物體均處于相互熱交換的狀態(tài) 在重要的焊接情況下 相對(duì)比較小的物體 溫度為t 在相對(duì)較寬闊的環(huán) 境中 溫度為瓦 冷卻 通過熱輻射發(fā)生的熱損失按以下公式計(jì)算 q 以 仃4 一鬈 其中占為物體表面的發(fā)射率 c o 為s t e p h a n b o l t a m a n 常數(shù) 上式的線性化形式為 q 一口 z 一毛 2 4 式中a 為熱輻射傳熱系數(shù) 2 2 2 4 熱傳導(dǎo)微分方程 在特定的時(shí)刻 溫度分布越不均勻 其溫度的變化越迅速 對(duì)均勻 各 向同性的連續(xù)體介質(zhì) 且其材料特征值與溫度無關(guān)時(shí) 在能量守恒原理的基 礎(chǔ)上 假設(shè)微元體中有熱源的存在且已知單位體積產(chǎn)生的熱量為q 可得到 下面的熱傳導(dǎo)微分方程式 一o t 立f 宴 粵 宴1 堡 2 5 一 一i 一 一4 一 一 一一 厶一 o t c pi 缸2 o y 2 o z jc p o t 式 2 5 中丁是溫度 c 為質(zhì)量比熱容 p 為密度 允為導(dǎo)熱系數(shù) 令口 塵 口稱為熱擴(kuò)散系數(shù) c p 1 2 哈爾濱下程大學(xué)碩士學(xué)位論文 如果沒有內(nèi)熱源 q 0 溫度不隨時(shí)間變化 t 一0 則熱傳導(dǎo) 方程可以簡(jiǎn)化為 v 2 z 0 2 6 熱傳導(dǎo)方程 2 6 在給出合適的初始條件和邊界條件時(shí)可以求解 初始 條件是指給出指定的時(shí)間段內(nèi)的溫度場(chǎng)分布 邊界條件通常是屬于下面的五 種類型 a 給定物體b 的表面溫度 z p f p f 2 7 p 是表面的一點(diǎn) f 是時(shí)間 p f 是某一個(gè)指定的函數(shù) b 給定熱流量 口 尸 f 一九 o t p f g p f 2 8 n 表示沿著表面的外法線方向 g p t 是一個(gè)指定函數(shù) 如果物體還受到溫度為互的外部熱源輻射 引入斯蒂芬一波爾茲曼定律 此邊界條件可以變?yōu)?小a t c 瓴4 一r 4 2 9 這里c 為一個(gè)常系數(shù) c 絕熱壁面是類型 b 的一種特殊情況 一o t 0 2 1 0 o n d 對(duì)流邊界條件 a 嬰 m 五一r p t l 這里j l 和五分別表示對(duì)流換熱系數(shù)和周圍流體介質(zhì)的溫度 e 兩物體接觸邊界 互 p t 瓦 p t 2 1 1 厶 等 m 魯 p f 在p 點(diǎn)t 時(shí)刻 2 1 2 1 3 哈爾濱t 程大學(xué)碩十學(xué)位論文 這里的p 點(diǎn)是兩物體接觸面上的一點(diǎn) n 是接觸面的公共法線方向 下標(biāo)l 和2 分別指的是第一和第二個(gè)物體 2 2 2 5 準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)溫度分布 在靜態(tài) 穩(wěn)定態(tài) 溫度場(chǎng)中 所有各點(diǎn)的溫度在不同時(shí)刻均為常數(shù) 對(duì) 于作用于無限板上以恒定速度 沿x 軸直線運(yùn)動(dòng)的連續(xù)熱源 如果忽略過程運(yùn) 行的開始和結(jié)尾 在熱源周圍形成準(zhǔn)穩(wěn)定溫度場(chǎng) 將此溫度場(chǎng)放在隨熱源移 動(dòng)的坐標(biāo)系石y z 中 即呈現(xiàn)為具有固定場(chǎng)參數(shù)的穩(wěn)定溫度場(chǎng) 也就是在無限 板上取固定直角坐標(biāo)系石 y 一 再取一個(gè)相對(duì)于固定坐標(biāo)系x z 勻速直線移 動(dòng)的直角坐標(biāo)系x y 一 把一個(gè)常數(shù)熱源固結(jié)在運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系x y z 的原點(diǎn) d 如圖2 1 所示 熱源運(yùn)動(dòng)速度沿石軸正向 兩個(gè)坐標(biāo)系是平行的且y y z z 當(dāng)熱源經(jīng)過時(shí) 觀察者若處在固定坐標(biāo)系中 會(huì)看到周圍溫度場(chǎng)的 改變 但觀察者若處在運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系中 則觀察到的溫度場(chǎng)隨熱源的移動(dòng)沒有 任何改變 工 x v t y y z lz 圖2 1 溥權(quán)上的移動(dòng)熱源 準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)時(shí) 在運(yùn)動(dòng)的坐標(biāo)系中到 o d tl 所以在運(yùn)動(dòng)的石夕 z 坐標(biāo)系中熱傳導(dǎo)方程可表示為 一v 堅(jiān) 立f 塑 氅 塑1 一旦堡 2 1 3 叫面2 萬 礦 可j 萬囂 心 哈爾濱t 程大學(xué)碩十學(xué)位論文 在由焊接輸入熱量產(chǎn)生的板構(gòu)件溫度分布的熱傳導(dǎo)方程中 存在體能 則熱傳導(dǎo)方程為 o t v af a 2 ra 2 r a 2 丁 一o t2 一c p i o x i a y i o z ji z 22 j 其準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)的熱傳導(dǎo)方程為 a 丁 a a 2 r a 2 r a 2 丁 叫面 石i 礦 礦 可j 2 3 熱源模型 2 3 1 熱源模型的特征 材料內(nèi)部不 2 1 4 2 1 5 對(duì)于大部分焊接而言 焊接熱源是實(shí)現(xiàn)焊接過程的基本條件 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(chǎng) 進(jìn)而 導(dǎo)致焊接過程中和焊后出現(xiàn)較大的焊接應(yīng)力和變形 因此 焊接熱源模型是 否選取適當(dāng) 對(duì)焊接溫度場(chǎng)和應(yīng)力變形的模擬計(jì)算精度 特別是在靠近熱源 的地方 會(huì)有很大的影響 在焊接過程的數(shù)值模擬研究中 人們提出了一系 列的熱源計(jì)算模式 以下簡(jiǎn)要加以介紹 在用有限元求解時(shí) 原則上允許考 慮任何復(fù)雜的情況 但實(shí)際上 經(jīng)濟(jì)上的要求給予了限制 所有模型共同的 一點(diǎn)是 焊接熔池中復(fù)雜的熱過程用導(dǎo)熱連續(xù)體中的焊接熱源加以近似 基于熱傳導(dǎo)基本公式的溫度場(chǎng)計(jì)算需要一些反映材料的熱物理性質(zhì)的參 數(shù) 包括導(dǎo)熱系數(shù) 比熱容 密度 綜合考慮熱對(duì)流和熱輻射帶來熱損失的 換熱系數(shù)等 這些系數(shù)是溫度場(chǎng)的特征值 在焊接過程中這些特征值均隨溫 度而變化 2 1 2 3 1 而在研究溫度場(chǎng)時(shí)應(yīng)區(qū)分材料的特征值中隨溫度變化的瞬時(shí) 值和在一定溫度范圍內(nèi)的平均值 前者更適合于有限元分析 后者可供函數(shù) 解析求解 本專題利用有限元求解算例時(shí) 所選參數(shù)隨溫度變化特征如表2 1 所示 哈爾濱t 程大學(xué)碩七學(xué)位論文 表2 1 低碳鋼隨溫度變化的材料性能參數(shù)表 溫度r c 2 02 0 04 0 06 0 08 0 01 0 0 01 3 0 01 4 8 22 2 2 7 密度p 7 8 2 07 7 4 07 7 1 07 6 5 07 6 2 07 5 8 07 5 0 07 2 0 07 2 0 0 姆 m 3 比熱容c t jf k g o c 4 6 0 04 9 1 75 5 7 86 6 7 11 1 0 8 6 2 6 46 3 7 96 4 5 5 6 4 5 5 導(dǎo)熱系數(shù)a 5 0 0 5 1 14 4 4 3 9 43 1 82 6 42 9 71 0 51 0 5 j m s c c o c 換熱系數(shù)h 1 0 01 5 01 7 01 8 61 9 82 0 92 2 22 2 92 3 2 j m 2 s c c c 2 3 2 高斯函數(shù)分布的熱源模型 焊接時(shí) 電弧熱源把熱能傳給焊件是通過一定的作用面積進(jìn)行的 這個(gè) 面積稱為加熱斑點(diǎn) 2 4 2 5 1 加熱斑點(diǎn)上熱量分布是不均勻的 中心多而邊緣少 費(fèi)里德曼將加熱斑點(diǎn)上熱流密度的分布近似地用高斯數(shù)學(xué)模型來描述 如圖 2 2 離熱源中心距離 的地點(diǎn)的熱量的分布式如下 q r g e x p 一7 2 2 1 6 2 x q 噴2 l q q r d o d r 昌r l v i 2 1 7 oo 口m 旺2 二一鳥西 2 1 8 刀 式中g(shù) 夠 名 為熱源的有效熱功率 r 力 m m z 為熱源的集中系數(shù) 表示圓 形熱源內(nèi)某點(diǎn)與中心的距離 也表示帶狀熱源內(nèi)某點(diǎn)在橫向與中心線的距離 熱量分布的集中系數(shù) 表明熱源集中的程度 即高斯分布曲線的寬度 1 6 哈爾濱i 叩 人學(xué)碩十學(xué)t 論文 a 圜形熱源h 帶狀熱源 圖22 正態(tài)分布熱源的熱源密度q 2 33 半球狀熱源模型和橢球型熱源模型 對(duì)于高能柬焊接如激光焊 電了束焊等 必須考慮其電弧穿透作用 在 這種情況下半球狀熱源模型比較合適 半球狀熱源分布函數(shù)為 g r 舞唧 3 芻 這種分偉函數(shù)也有一定局舊陀 困為在實(shí)踐中 熔池在激光焊等情況下 不是球?qū)ΨQ的 為了改進(jìn)這種模 人們提 了橢球犁熱源模型 橢球形熱源分斫 函數(shù)可表不為 q r 嘉器e x p 詈 2 卻 z 式中 a b c 為半軸長(zhǎng) 2 34 雙橢球型熱源模型 用橢球形熱源分巾函數(shù)計(jì)算時(shí)發(fā)現(xiàn)存橢球前半部分溫度梯度不像實(shí)際中 那樣陡變 而橢球的后半部分溫度梯度分布較緩 為克服這個(gè)缺點(diǎn) 提出了 雙橢球形熱源模型 這種模型將前半音仨分作為 個(gè)1 4 橢球 后半部分作為 另 個(gè)l 4 橢球 設(shè)i j j 半部分橢球能量分?jǐn)?shù)為 后 f 部分橢球能特分?jǐn)?shù)為 哈爾濱丁程大學(xué)碩十學(xué)位論文 2 且 1 廠2 2 則征刖半邵分橢壞岡熱源分布為 以 裟e x p 3 掙 卻 浯2 在后半部分橢球內(nèi)熱源分布為 留 磊6 3 f 2 qe x p 3 言 2 詈 2 卻 2 2 2 此二式中的a b c 可取不同的值 它們相互獨(dú)立 在焊接不同材質(zhì)時(shí) 可熔對(duì)橢球分成4 個(gè)1 8 的橢球瓣 每個(gè)可對(duì)府不同的a b c 值 2 3 5 熱源模型的選取 通常解析方法較簡(jiǎn)單 意義明確 容易計(jì)算 但由于其假設(shè)太多 難以 提供在焊接熱影響區(qū)的精確計(jì)算結(jié)果 而且考慮不到電弧力對(duì)熔池的沖擊作 用 采用有限元和有限差分法 應(yīng)用高斯分布的表面熱源分布函數(shù)計(jì)算 可 以引入材料性能的非線性 可進(jìn)一步提高高溫區(qū)的準(zhǔn)確性 但仍未考慮電弧 挺度對(duì)熔池的影響 從球狀 橢球到雙橢球熱源模型 每一種方案都比前一 種更準(zhǔn)確 但也伴隨著計(jì)算量的增加 使這些熱源分布函數(shù)更利于應(yīng)用有限 元法或差分法在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行計(jì)算 而且實(shí)踐也證明能得出較滿意的模擬結(jié) 果 對(duì)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(shù) 就可以得到較滿意的結(jié)果 對(duì)于電弧沖力效應(yīng)較大的焊接方法 如熔化極氫 弧焊和激光焊 常采用雙橢球形分布函數(shù) 為求準(zhǔn)確 還可將熱源分成兩部 分 采用高斯分布的熱源函數(shù)作為表面熱源 焊件熔池部分采用雙橢球形熱 源分布函數(shù)作為內(nèi)熱源 本文是以角接焊為研究對(duì)象 沒有區(qū)分由焊接金屬和焊弧產(chǎn)生的熱量 而均模擬為輸入熱流 輸入熱量模型利用了高斯模型 由于以式 2 1 6 描 述的高斯分布曲線僅在無限遠(yuǎn)處才趨近于零 因此本文分析過程假設(shè)了焊接 熱量的9 7 集中在有效半徑為厶的圓形區(qū)域內(nèi) 集中系數(shù) 可由式 2 1 9 哈爾濱 t 程大學(xué)碩十學(xué)位論文 求出 電弧焊時(shí) 針對(duì)電極斑點(diǎn)直徑大約5 r a m 的電弧 測(cè)量得出其有效半徑 為7 1 8 r a m f 3 f 7 2 2 3 2 4 相變潛熱 焊接過程中存在兩類相變問題 即固態(tài)相變和固液相變 材料在發(fā)生相 變時(shí) 會(huì)吸收或釋放一定的能量 因此在計(jì)算焊接溫度場(chǎng)時(shí) 必須考慮相變 潛熱問題 矧 固態(tài)相變潛熱一般比固液相變潛熱小得多 通?？蓪⑵浜雎?而只考慮固液相變潛熱 具體計(jì)算時(shí) 本專題采用了比熱容突變法 比熱容 突變法是將潛熱的作用以比熱容在熔化范圍內(nèi)的突變來代替 當(dāng)熔化過渡區(qū) 較大時(shí) 很容易實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn) 當(dāng)熔化發(fā)生在很小的溫度范圍內(nèi)時(shí) 比熱容接 近6 函數(shù) 在計(jì)算時(shí)容易錯(cuò)過熔化區(qū) 可引入熱焓的概念 其數(shù)學(xué)定義為 r h f p c d t 毛 無論比熱容怎樣變化 日總是一個(gè)光滑函數(shù) 2 5 舷側(cè)結(jié)構(gòu)焊接溫度場(chǎng)分析 2 5 1 焊接溫度場(chǎng)模擬 本文通過平板角接焊算例的熱傳導(dǎo)分析模擬了由焊接輸入熱量產(chǎn)生的溫 度上升和冷卻過程 并計(jì)算出了固有應(yīng)變分布區(qū)域內(nèi)各位置的最高溫度 最 高溫度是焊接點(diǎn)附近的任意位置在焊接過程中所達(dá)到的最高溫度 其大小受 焊接條件 板厚 鄰近材料等的影響 焊接熱源假設(shè)為具有正態(tài)分布的移動(dòng) 熱源 故焊接熱傳導(dǎo)是3 維現(xiàn)象 因此本文對(duì)整個(gè)焊接結(jié)構(gòu)進(jìn)行了3 維熱傳 1 9 哈爾濱i 稃大學(xué)碩十學(xué)位論文 導(dǎo)分析 對(duì)熱源流入模型到完全通過的時(shí)蒯進(jìn)行分割 進(jìn)行了瞬態(tài)熱傳導(dǎo)分 析 2 5 2 平板角接焊有限元分析算例 2 5 2 1 有限元模型尺寸 根據(jù)4 2 5 0 集裝箱舷側(cè)圖紙 選取焊接模型 選取如圖2 3 所示的角接焊 結(jié)構(gòu) 由于對(duì)稱 溫度分布分析對(duì)象只模擬了一半 圖2 4 是有限元模型 由母材面板和加筋板組成 應(yīng)用a n s y s 進(jìn)行有限元分析 所采用的單元是八 節(jié)點(diǎn)六面體單元s o l i d 7 0 焊縫附近固有應(yīng)變分布區(qū)域的單元大小為2 m m 遠(yuǎn) 離焊接點(diǎn)的區(qū)域單元大小為2 0 m m 圖2 3 角接焊計(jì)算模型 本算例面板尺寸為 6 0 0 m m x 8 6 8 姍xl l n l i n 加筋板尺寸為 6 0 0 m m x 2 6 0 m mxll m m 使用電弧焊進(jìn)行雙面連續(xù)焊接 其焊接工藝參數(shù)為 焊接電流 i 3 0 0 a 焊接電壓u 3 6 v 焊接速度 0 0 2 m s 焊接熱效率7 7 o 7 面板 有效加熱半徑為r 2 0 r a m 縱骨有效加熱半徑為r 1 5 r a m 焊接室溫 2 0 0 c 2 0 目24 熱傳導(dǎo)分析的有限幾模型 焊接熱源為正態(tài)分布 以熱流密度的形式施力 焊仆表面離熱源中心為 的某點(diǎn)的熱流膏度按公式 2 1 6 2 1 7 2 1 8 汁算 對(duì)于焊接熱源 的移動(dòng)性 通過a n s y s 軟件的a p d l 語言柬實(shí)現(xiàn) 具體方法是 沿焊接方 向?qū)⒑缚p長(zhǎng)度n 等分 將備段的后仃點(diǎn)作為熱源巾心 每段加毀后進(jìn)行計(jì)算 當(dāng)進(jìn)行r 段加載時(shí) 需消除卜一段所加的熱流密度 把上一次加載所汁算 得到的各點(diǎn)溫度作為下一步計(jì)算的仞始條件 依次沿焊縫各 加載即l 模擬 熱源的移動(dòng) 除了電弧所在的圓血加熱流密度咀外 其它襲而為對(duì)流換熱表 l n 2522 準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng) 本算例焊接速度為v o0 2 m i s 焊接熱源從焊縫一端移到另一端需要3 0 秒的時(shí)問 經(jīng)過一段時(shí)問后 面板上出現(xiàn)了準(zhǔn)穩(wěn)定溫度場(chǎng) 溫度場(chǎng)中心點(diǎn)以 同定的速度跟隨熱源移動(dòng) 在m i 板r 的等溫線也以柏h 的形狀隨熱源移動(dòng) 分刖如圖2j a 圖25 h 睜i2j c 罔2j d 邕i25fo 所示 哈爾濱i 桴人學(xué)碩十學(xué)位論文 并圖依次是焊接時(shí)問為1s 5 s l o s 2 0 s 2 6 s 時(shí)的焊件l 的溫度場(chǎng)分柿 其最高溫度非常接近 分別為9 3 8 1 3 3 c 9 8 4 1 8 8 c 9 8 4 3 6 6 c 9 8 52 1 6 c 9 8 98 6 3 c 而板上的等溫線近似為封閉的橢圓形 在熱源前 方密集 后方稀疏 等溫線以熱源移動(dòng)線為對(duì)稱軸對(duì)稱分枷 從計(jì)算結(jié)果u j 以看f 當(dāng)焊縫長(zhǎng)度足夠氏時(shí) 在與焊縫垂直的斷面e 分柿的溫度征全長(zhǎng)度 范圍內(nèi)基本上是不變的 愚氣i 曩孟 瓦忑 吒i 圖25 a 溫度場(chǎng)分布圖 t l s n rr r 暑 黑 n 圖2 5 d 溫度場(chǎng)分稚圖 t 2 0 s l 羔壹三五 五翌 三三 l 圖25 e 溫度場(chǎng)分巾嘲 f 2 6 s 睛a 濱i m 從4 7 顧f 學(xué)1 論文 2 523 準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)中的最高溫度 整個(gè)焊接過程巾 焊什i 的各個(gè)點(diǎn)都經(jīng)歷r 溫度升高再降低的變化 除 去焊縫的兩端效應(yīng) 岡溫度場(chǎng)的準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)特點(diǎn) 垂卣焊縫的再橫劑而j 的符 1l 的溫度變化曲線是相似的 取距離焊接起端3 0 0 m m 處的橫剖面術(shù)研究 沿著 該橫劑面半板上表面 距離焊縫中心d 唧 6 m m 8 m m 處取并點(diǎn)研究 溫度變 化如罔26 所示 沿著厚度方向分別1 1 1 距離面板j 表面3 m m 6 m m 9 m m 以 及平板表面處研究 溫度變化如圖27 所示 從圖中可以看出 各個(gè)點(diǎn)的溫 度經(jīng)歷了先從低到高升溫 達(dá)到最大值后 雨從高到低冷卻的循環(huán)過稃 而 且升溫速度明顯大于冷卻速度 而板表而上各點(diǎn)在幾乎相 司的時(shí)間達(dá)到各自 的最人值后 逐漸冷卻趨近于某一值 距離焊縫中心越遠(yuǎn) 所能達(dá)到的最大 值越小 沿卉厚度方向分嘶 的各點(diǎn)溫度達(dá)到最高值的i l i u j 比表而略有滯后 面板袁而處以及3 r a m 6 唧 9 m m 各j 1 溫度達(dá)到攝高值的時(shí) 1 l j 分別為 15 6 2 s 1 65 4 s 1 77 2 s 1 91 6 s 各點(diǎn)達(dá)到各自的最大值后 逐漸冷卻趨近下 某一值 板面上各點(diǎn)熱循環(huán)圖 12 0 0 10 0 0 8 0 0 籍e 0 0 4 0 0 2 0 0 0 0 距焊縫4 m 處 是一燃簧 而 舊 扳 6 2 幽 5 墮絲竺 i 壘 竺 蘭絲 蘭 厚度方向各點(diǎn)熱循環(huán) 1 2 0 0 1 0 0 0 8 0 0 髻s 0 0 4 0 0 2 0 0 0 乎板上表面 距上表面a i m 處 距上表面丘l m 處 距上表面咖m 處 01 02 03 0 時(shí)間 圖2 7 厚度方向上各點(diǎn)熱循環(huán)圖 從整個(gè)焊接過程上看 隨著焊接熱源的移動(dòng) 平行于焊縫方向線上的點(diǎn) 依次達(dá)到最大值 選取距離焊縫中心線3 唧的縱剖面來研究 在平板表面上 取距焊接起始端分別為2