焊接結(jié)構(gòu)殘余應(yīng)力以及其數(shù)值模擬

1、關(guān)于焊接結(jié)構(gòu)殘余應(yīng)力及其數(shù)值模擬第一張，PPT共二十九頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月1.焊接數(shù)值模擬研究概況 焊接是一門古老而充滿活力的學(xué)科，在材料加工領(lǐng)域中居于首要的地位，而隨著工業(yè)的現(xiàn)代化，焊接過(guò)程的數(shù)值模擬在材料熱加工領(lǐng)域數(shù)值模擬中具有很強(qiáng)的代表性。 數(shù)值模擬技術(shù)是使熱加工過(guò)程走向科學(xué)的重要手段，無(wú)論是在理論還是實(shí)際都有著極其重要的意義所以，在能源、動(dòng)力、軍工等領(lǐng)域的重要部位的焊接仿真的實(shí)現(xiàn)、優(yōu)化工藝過(guò)程、提高產(chǎn)品質(zhì)量、清除安全隱患等方面起著日益重要甚至不可替代的作用。第二張，PPT共二十九頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月國(guó)外20世紀(jì)70年代初，日本大阪大學(xué)的上田幸雄教授等人,提出了考慮材料力學(xué)性能與

2、溫度有關(guān)的焊接熱彈塑性分析理論，導(dǎo)出了分析焊接應(yīng)力應(yīng)變過(guò)程的表達(dá)式，從而使復(fù)雜的動(dòng)態(tài)焊接應(yīng)力過(guò)程的分析成為可能。 1973 Vaidyanathan利用板殼理論,提出了薄壁管對(duì)接環(huán)焊縫殘余應(yīng)力的計(jì)算方法 。1978 Rybicki等人，將三維焊接應(yīng)力問(wèn)題簡(jiǎn)化為軸對(duì)稱問(wèn)題之后 BYYDong建立了奧氏體不銹鋼管道環(huán)焊縫的殘余應(yīng)力三維有限元模型 1997 LELindgren等用三維熱力耦合的有限元方法模擬了大型銅罐電子束焊接接頭殘余應(yīng)力 此外，Medill采用三維熱彈塑性有限元模型模擬了航空常用的Wasplay Ni基合金電子束平板對(duì)接接頭殘余應(yīng)力 第三張，PPT共二十九頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月

3、國(guó)內(nèi)我國(guó)在計(jì)算機(jī)分析焊接力學(xué)方面起步較晚，但發(fā)展迅速。在20世紀(jì)80年代初西安交通大學(xué)和上海交通大學(xué)等就開始了關(guān)于焊接熱彈塑性理論及在數(shù)值分析方面的研究。 此后，西安交通大學(xué)的張建勛7采用熱彈塑性有限元法，應(yīng)用有限元程序TEPFEM，分析計(jì)算了Co基合金靜葉片電子束焊接時(shí)的焊接工藝對(duì)焊接殘余應(yīng)力的影響。 西安石油學(xué)院的李棟才等人采用彈塑性有限元方法對(duì)超載拉伸消除焊接殘余應(yīng)力過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬 天津大學(xué)材料學(xué)院的陳俊梅利用ANSYS軟件對(duì)Q235B鋼十字接頭的焊接殘余應(yīng)力進(jìn)行了有限元計(jì)算。 事實(shí)上，已有的數(shù)值模擬研究成果已經(jīng)使我們對(duì)復(fù)雜的焊接過(guò)程有了深入的了解，為解決焊接殘余應(yīng)力帶來(lái)了新思路和新

4、方法。因此，我們有理由相信，隨著人們對(duì)焊接殘余應(yīng)力認(rèn)識(shí)的深入和計(jì)算機(jī)技術(shù)的高度發(fā)展，焊接殘余應(yīng)力數(shù)值模擬技術(shù)具有廣闊的應(yīng)用前景。 第四張，PPT共二十九頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月2 數(shù)值模擬技術(shù)隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和計(jì)算方法的發(fā)展，復(fù)雜的工程問(wèn)題可以采用離散化的數(shù)值計(jì)算方法并借助計(jì)算機(jī)得到滿足工程要求的數(shù)值解，數(shù)值模擬技術(shù)是現(xiàn)代工程學(xué)形成和發(fā)展的重要?jiǎng)恿χ?。第五張，PPT共二十九頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月第六張，PPT共二十九頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月第七張，PPT共二十九頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月數(shù)值模擬技術(shù)受到重視的原因由于系統(tǒng)越來(lái)越高性能化或復(fù)雜化，單純的試驗(yàn)已難以使嚴(yán)峻的狀況重現(xiàn)出來(lái)。有些問(wèn)題只能

5、使用數(shù)學(xué)模型才能了解其狀況。計(jì)算機(jī)的性能已經(jīng)大大提高和普及。第八張，PPT共二十九頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月數(shù)值模擬的基本步驟1. 建立反映問(wèn)題（工程問(wèn)題、物理問(wèn)題）本質(zhì)的數(shù)學(xué)模型。具體說(shuō)就是要建立反映問(wèn)題各量之間的微分方程及相應(yīng)的定解條件。2. 建立真實(shí)的物理模型，就是與現(xiàn)實(shí)中所對(duì)的理想化的模型3. 剖分，將待解區(qū)域進(jìn)行分割，離散成有限個(gè)元素的集合4. 導(dǎo)入物性數(shù)據(jù)，以及其他參數(shù)。5. 單元分析，求解近似變分方程 6. 后處理第九張，PPT共二十九頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月數(shù)值模擬技術(shù)在焊接中的應(yīng)用1）焊接熱傳導(dǎo)分析2）焊接熔池流體動(dòng)力學(xué)3）電弧物理4）焊接冶金和焊接接頭組織性能的預(yù)測(cè)5）焊接應(yīng)

6、力與變形6）焊接過(guò)程中的氫擴(kuò)散7）特殊焊接過(guò)程的數(shù)值分析8）焊接接頭的力學(xué)行為第十張，PPT共二十九頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月焊接數(shù)值模擬軟件 SYSWELD ANSYS、MSC-NASTRAN、 ABAQUS、MARC DYNA WSDP第十一張，PPT共二十九頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月3 對(duì)接薄板的殘余應(yīng)力數(shù)值模擬理論殘余應(yīng)力分布曲線第十二張，PPT共二十九頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月a.確立研究對(duì)象1）坐標(biāo)系：x軸為焊接線方向、y軸為板寬方向。2）大?。喊彘L(zhǎng)1500mm、板寬600mm、板厚6mm。b.焊接條件1）焊接電流I=200A，焊接電壓U=18V，焊接速度v=3mm/s。2) 焊接開始位

7、置的x坐標(biāo)=-750mm。3）焊接終止位置的x坐標(biāo)=+750mm。4）焊道的半寬為5mm。第十三張，PPT共二十九頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月 c. 單元?jiǎng)澐?劃分范圍：為節(jié)約計(jì)算時(shí)間，考慮其構(gòu)件的對(duì)稱性，所以取接頭的1/2部分進(jìn)行單元?jiǎng)澐謥?lái)減少計(jì)算的時(shí)間。 單元大?。汉附泳€附近5mm，即使遠(yuǎn)離焊接線也要 20mm 單元數(shù)： 6000個(gè) 節(jié)點(diǎn)數(shù)： 6321點(diǎn)第十四張，PPT共二十九頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月d.物性數(shù)據(jù)第十五張，PPT共二十九頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月 e.焊接過(guò)程中的溫度分布圖第十六張，PPT共二十九頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月f.焊接溫度分布曲線 第十七張，PPT共二十九頁(yè)，創(chuàng)作于20

8、22年6月第十八張，PPT共二十九頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月g.焊接過(guò)程中的熱應(yīng)力分布第十九張，PPT共二十九頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月第二十張，PPT共二十九頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月h.焊縫的殘余應(yīng)力第二十一張，PPT共二十九頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月i.殘余應(yīng)力的分布曲線及討論第二十二張，PPT共二十九頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月第二十三張，PPT共二十九頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月在沿焊縫的中部區(qū)域，縱向殘余應(yīng)力大小基本上保持不變，為拉應(yīng)力穩(wěn)定區(qū)，在焊縫兩端的部位，其縱向殘余應(yīng)力則由恒定值逐漸降至零，因?yàn)閮啥瞬康倪吔鐥l件與中間部位有所不同 ，是自由邊界無(wú)約束。沿焊縫方向的縱向殘余應(yīng)力第二十四張，PPT

9、共二十九頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月在焊縫及其近區(qū)的殘余應(yīng)力為拉伸應(yīng)力，稍微離開焊縫區(qū)，應(yīng)力陡降繼而出現(xiàn)的是殘余壓應(yīng)力。與焊縫垂直方向的 縱向殘余應(yīng)力第二十五張，PPT共二十九頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月橫向殘余應(yīng)力圖為鋼構(gòu)件內(nèi)部橫向殘余應(yīng)力，焊縫處為拉應(yīng)力，在焊縫附近為壓應(yīng)力，而且應(yīng)力的變化比較急劇。第二十六張，PPT共二十九頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月4 結(jié)論 焊接結(jié)構(gòu)中存在的殘余應(yīng)力，大大降低了材料的使用性能，為了提高鋼結(jié)構(gòu)的使用安全，采用焊接結(jié)構(gòu)變形預(yù)測(cè)軟件（WSDP）對(duì)對(duì)接焊件內(nèi)部的溫度場(chǎng)和殘余應(yīng)力分布進(jìn)行模擬，得出其分布曲線，并與理論曲線進(jìn)行比較。采用軟件模擬，可大大提高分析結(jié)構(gòu)內(nèi)部殘余應(yīng)力的

10、效率，另外對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)還具有一定的預(yù)測(cè)性，在實(shí)際生產(chǎn)中具有一定的應(yīng)用價(jià)值。 通過(guò)本文的殘余應(yīng)力模擬，可得出以下內(nèi)容： 1.焊接變形預(yù)測(cè)軟件WSDP以固有應(yīng)變理論為基礎(chǔ)，通過(guò)彈性板單元有限元法計(jì)算焊接結(jié)構(gòu)的變形，從而計(jì)算出殘余應(yīng)力。 第二十七張，PPT共二十九頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月 2.在對(duì)接薄板的溫度場(chǎng)中，沿焊縫方向上的溫度分布在始終兩端部分，在焊接線上的最高到達(dá)溫度大致相等，而在開始端最高到達(dá)溫度最低，終端部分溫度最高。而終端最高到達(dá)溫度升高的原因是該部分電弧前方的金屬不存在，本應(yīng)在前方由于熱傳導(dǎo)所喪失的熱量確在終端部分聚集，與此相反，開始的部分則因?yàn)闆](méi)有熱量的流入，所以溫度很低。 3.對(duì)接薄板的的殘余應(yīng)力數(shù)值模擬是通過(guò)模型的構(gòu)筑，單元的劃分，物性參數(shù)的導(dǎo)入和計(jì)算以及后處理，從而得出模擬結(jié)果。殘余應(yīng)力的模擬曲線與其理論曲線基本相同。 4.數(shù)值模擬只是作為一種分析問(wèn)題的方法，它并不能代替實(shí)際，而且在建模的過(guò)程中作了許多簡(jiǎn)化，例如幾何尺寸的選取，以及在加載過(guò)程