数值模拟在焊接中的现状与应用

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1、数值模拟在焊接中的现状与应用本学期我们系统地学习了《计算机辅助焊接工程》这门课程。尤其是对ANSYS软件的学习对我们将来的工作会有很大的帮助，ANSYS有限元软件包是一个多用途的有限元法计算机设计程序，可以用来求解结构、流体、电力、电磁场及碰撞等问题。因此它可应用于以下工业领域：航空航天、汽车工业、生物医学、桥梁、建筑、电子产品、重型机械、微机电系统、运动器械等。尤其在焊接中，也起到了很大的模拟分析作用。下面本文通过参阅相关书籍和网上资料对数值模拟在焊接中的现状及应用做简要论述。引言焊接是一个涉及传热学、电磁学、材料冶金学、固体和流体力学等多学科交叉的复杂过程。由焊接产

2、生的动态应力应变过程及其随后形成的残余应力，是导致焊接裂纹和接头强度与性能下降的重要因素。迄今为止，焊接残余应力一直是人们关注的热点问题，仍是焊接生产领域中迫切需要解决的问题。近年来，国内外学者对此进行了大量的研究，取得了丰硕的成果。国外对焊接残余应力数值模拟技术的研究进展20世纪70年代初，日本大阪大学的上田幸雄教授等人首先以有限元法为基础，提出了考虑材料力学性能与温度有关的焊接热弹塑性分析理论，导出了分析焊接应力应变过程的表达式，从而使复杂的动态焊接应力过程的分析成为可能。在此基础上又进行了深入的研究，创建了“计算焊接力学”新兴学科，于近期即将出版相关专著。利用板壳

3、理论，在分析平板对接过程焊接应力的基础上，提出了薄壁管对接环焊缝残余应力的计算方法，并将计算结果与试验结果进行比较，结果表明，计算值与试验值吻合较好。但该方法是作为二维应力状态模型得到的计算公式，对于厚壁管道的三维应力状态就不再适用了。Argyris等人于1978年又将管道对接环焊时的焊接应力问题进行了适当的简化，即认为整个圆周上的焊接是同时作用在管道上的，将三维焊接应力问题简化为轴对称问题。由此，建立了轴对称的热—弹塑性有限元模型，对304不锈钢管道环焊缝内外表面的残余应力进行了计算，计算结果如图7所示，内外表面残余应力与试验结果基本吻合，说明此模型适用于预测管道环焊

4、缝残余应力。之后，他又对管道多层焊焊接应力进行计算，分析了管道和的不锈钢管道多层多道焊接时的残余应力产生机制，并与试验进行比较，计算结果与实际结果吻合较好随着对热—弹塑性理论的深刻认识和有限元方法的广泛应用，德国学者首先提出用热弹—粘塑性组成的方程来分析焊接应力。接着，Chidiac对ASS1308不锈钢材料分析了由焊接时引起的晶粒生长规律，并用热弹—粘塑性方程来预测焊接热循环引起的残余应力，结果发现纵向应力达到屈服应力值，而横向应力约为纵向应力的一半。对C-Mn钢的多层焊接管道局部退火后的应力再分布进行了研究，发现局部退火后管子内壁的拉伸残余应力与均匀的炉内热处理时不

5、同。加热宽度较小时，焊缝中残余拉应力较大，只有当加热半宽L=150mm（板厚为22mm的情况）时局部热处理与炉内整体热处理的差别才能忽略。BYYDong建立了奥氏体不锈钢管道环焊缝的残余应力三维有限元模型。结果表明，近缝区内表面轴向残余应力为拉应力，外表面为压应力；而环向内外表面的残余应力均为拉应力；管道壁厚对管道环焊缝残余应力的影响显著，薄壁管道焊后产生较小的轴向残余应力和较大的环向残余应力。瑞典的LKarlsson等也对薄壁管道的焊接残余应力进行了分析，计算中还考虑了材料性能的温度依赖性和相变膨胀的影响。LELindgren采用壳单元对平板对接焊缝和薄壁管道环焊缝的

6、残余应力进行了研究。结果表明，由于相变引起的容积变化使得环向压应力区从焊缝中心沿着轴线逐渐减小。除起焊端外，残余应力近于呈轴对称分布。该结果与试验数据吻合较好，说明壳单元在分析薄壁材料焊接残余应力时，具有实际意义。随着新型焊接方法的广泛应用，1997年，LELndgren等用三维热—力耦合的有限元方法模拟了大型铜罐电子束焊接接头残余应力，估计了由此引起的铜罐的蠕变损伤程度。该模型应用了一种新型自动重新划分网格的单元，并与没有该功能的单元进行了比较。结果发现，这种新型网格单元在不影响计算精度的前提下可以节省60%间。同时这种跟随热源移动的更精密的有限元网格可以更好地体现强

7、烈的非线性热—力效应德国学者Cizelj等采用非线性有限元方法计算了马氏体不钢电子束焊接和经过焊后热处理的残余应力，并考虑了相变的影响。结果表明，经过适当的焊后热处理，该钢电子束焊接接头的残余应力可以忽略不计。Reed等针对航空航天中高整体焊接结构的特点，于1997年指出了研究焊接残余应力的必要性。在热—力耦合有限元分析的基础上，建立了一个描述电子束焊接的有限元模型。他采用三维热弹塑性有限元模型模拟了航空常用的ni基合金电子束平板对接接头残余应力，并与前人的试验结果进行了比较。结果表明，除了焊缝中心处的横向残余应力外，其它残余应力的计算和