对于相变温度对焊接残余应力影响的有限元模拟分析

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1、学兔兔www.xuetutu.com第2期(总第195期)机械工程与自动化No．22016年4月MECHANICALENGINEERING&AUTOMATIONApr．文章编号：1672—6413(2016)02—0074—02相变温度对焊接残余应力影响的有限元模拟分析米张灵敏，葛亚琼，王蓬，王文先(1．太原科技大学材料科学与工程学院，山西太原030024；2．中国电子科技集团公司第三十三研究所，山西太原030024)摘要：利用有限元分析软件ANSYS模拟了考虑相变的受刚性拘束的焊缝金属和十字接头的应力变化过程，讨论了相变温度在室温至800℃之间的9种不同材料的残

2、余应力，并分析了相变温度对焊接残余应力的影响。模拟结果表明：在相变作用下，随着相变开始温度的降低，焊接结构中的残余拉伸应力逐渐减小，甚至可以转变为压缩应力；相变开始温度为300℃左右时，十字焊接接头的残余压缩应力值最大。关键词：相变温度；焊接残余应力；有限元分析中图分类号：TG44：TP391．7文献标识码：A0引言余应力。对比模拟9种不同相变温度即w1～W9焊随着焊接技术的高质高效发展，焊接结构在金属结缝金属材料的残余应力，将相变温度与焊接残余应力构中所占比重越来越大。但是，受焊接热循环作用，焊对应关系的模拟计算结果绘制于图2。由图2可见：接结构中必然存在焊接残

3、余应力。一般地，室温下焊接当相变温度较高时(W2)，焊接残余应力为拉伸应力；结构中残余应力分布不均匀，特别是焊缝及近缝区的残当相变温度逐渐降低(W3~W5)，在焊缝冷却过程中，余拉伸应力经常会导致焊接结构服役性能的下降

4、_1]。出现了短暂的压缩应力，完全冷却后的残余应力仍为室温下，热收缩应力和相变应力二者共同决定了拉伸应力；随着相变温度的进一步降低(W6～W8)，残焊接残余应力的大小，其中由相变导致的压缩应力能余拉伸应力逐渐降低，室温下的焊接残余应力完全为够改善焊接结构的冶金性能和力学性能等I2]。已有研压缩应力；但相变温度更低(W9)和焊缝金属无相变究表明，采用

5、相变的方法调节焊接残余应力，可以降低时(W1)，室温下焊缝金属的残余应力完全为拉伸应残余拉伸应力，甚至可以产生残余压缩应力]。与力。实验测量残余应力的方法相比，采用数值模拟焊接残余应力，可以更加全面地了解残余应力分布复杂而多样的特点。本文采用有限元软件ANSYS，以受刚性拘束的焊缝金属和焊接十字接头为对象，模拟其室温下的残余应力，并主要讨论相变对残余应力的影响，以及相变温度对残余应力的影响规律。1刚性拘束焊缝的残余应力模拟分析将圆柱形直杆视为焊缝金属，假设该焊缝受到刚性约束，利用ANSYS软件模拟其加热冷却过程中的M应力应变。计算所采用的刚性拘束焊缝直径为图1受刚

6、性拘束的焊缝的有限元模型03mm，长度为10mm，有限元模型如图1所示，其材2焊接十字接头的残余应力模拟分析料性能参数见表1，9组相变温度和线膨胀系数见表实际上，焊缝并非受到刚性约束，在焊接过程中，2。表2中w1～w9代表不同相变温度的焊缝金属。焊缝和周围母材都处于膨胀收缩之中。故本文针对应采用热结构耦合计算方法模拟刚性拘束焊缝的残太原科技大学UIT(xj2o14032)收稿日期：2015—04—20；修订日期：2016一Ol一24·作者简介：张灵敏(1992一)，女，山东烟台人，在读本科生，专业为焊接技术与工程。学兔兔www.xuetutu.com学兔兔www.

7、xuetutu.com·78·机械工程与自动化2016年第2期度，且变形量不大，结构安全。应力较大区域主要分布参考文献：在竖直井壁的两侧及底部的中间位置，而变形较大区Eli黄汉雄．塑料模压成型技术(一)EJ]．橡塑技术与装备，2001(2)：1-5．域集中在竖直井壁的中间偏下位置，这与埋地测试结[2]北京玻璃钢研究设计院．GB／T1447-2005纤维增强塑果是吻合的。从表2、表3部分测点对比结果可以看料拉伸性能试验方法[S]．北京：中国标准出版社，2005：出，测试结果整体比有限元分析结果稍大，这是由于埋1—5．地测试处于雨季，土壤湿度较之正常值偏大，造成土重I

8、-3]北京玻璃钢研究设计院．GB／T1449-2005纤维增强塑度较计算略大，差值在可接受范围内，从而验证了有限料弯曲性能试验方法[s]．北京：中国标准出版社，2005：元模型的正确性，有限元分析结果可作为该类问题的2—7．参考，结果较为可靠。[4]JodyWCPang，KevinSFancey．Analysisofthetensile表2部分测点测试应力与分析应力对比MPabehaviourofviscoelasticallvprestressedpolymericmatrix测点IA-IAlAelAsIAo测试应力l13．21l7．26l18．87I23．05

9、l0．98