预拉伸控制铝合金焊接残余应力及变形的数值模拟

《预拉伸控制铝合金焊接残余应力及变形的数值模拟》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在学术论文-天天文库。

1、大摘要预拉伸控制铝合金焊接残余应力及变形的数值模拟大摘要铝合金焊接残余应力和变形一直是影响其广泛应用的主要因素之一。本文采用的预拉伸是一种非常有效的控制焊接残余应力及变形的方法，具有独特的优越性，在实际工程中将会得到广泛的应用。现在，其研究远远不能满足实际应用的需要。本文采用数值模拟技术，在大型商业通用有限元分析软件ANSYS基础上，对预拉伸控制焊接残余应力及变形进行了初步研究。本文基于热弹塑性理论对焊接应力应变场进行了模拟分析，在结构力学基础理论上建立有限元模型，施加边界条件，计算分析预拉伸的力学行为与预拉伸控制焊接残余应力及变形效果。最后

2、，利用APDL语言编制了具有一定通用性的参数化模拟分析程序，通过改变模拟参数可以模拟分析不同条件下的焊接与预拉伸处理。建立了薄板对接过程的三维有限元模型，采用直接耦合法计算分析热-力耦合效应。采用高斯分布的热源模拟焊接电弧，通过在实体单元施加热流密度实现焊接热源的移动加载。模型中考虑了随温度变化的材料热物理性能参数，并对材料的高温热物理性能参数进行了适当的选取和调整。采用非均匀网格划分，焊缝及附近区域的网格划分细密，远离焊缝区域网格划分稀疏。针对焊接热-结构计算分析的高度非线性，采取了一系列措施保证求解的收敛和精度。采用线性搜索、自动时间步、

3、求解预测等措施加强计算的收敛。采用完全牛顿-拉普森方法进行迭代求解计算焊接应力应变场，同时采用变步长法求解加快计算速度。模拟结果显示，预拉伸焊接可以有效控制铝合金的焊接变形及残余应力，随着预拉伸应力的增大，其控制效果愈加明显。通过对计算结果进行分析及与实验结果的对比发现，模拟计算结果与实验测定结果基本吻合，从而证明了模拟途径的正确性及模拟结果的有效性。对不同预拉伸应力条件下铝合金板材纵向残余应力的模拟分析结果显示，预拉伸焊接法可以有效控制铝合金焊接残余应力。随着预拉伸应力增大，其焊后残余应力值逐渐减小，试板横断面上纵向残余应力分布曲线越来越平

4、缓。当预拉伸应力σp从0增加到90%σ0.2时，纵向残余应力降低了85.6%。采用预拉伸焊接法可以有效控制铝合金板材焊缝及近缝区的纵向挠曲变形，随着预拉伸应力增大，其控制变形的效果愈加明显，当预拉伸应力σp=90%σ0.2时，焊后纵向挠曲变形最大降幅达70.45%。分析认为预拉伸焊接法有效地控制焊接残余应力及变形，其主要机理为：大摘要在预加应力作用下进行焊接时，高温状态下的塑性变形区向远离焊缝中心方向扩展，从而减小了由周围较冷金属对由焊接热输入引起的焊缝及近缝区金属热膨胀的纵向塑性挤压程度，进而减小了焊接加热过程中在焊缝及近缝区形成的纵向塑性

5、压应变。在随后焊缝冷却过程中该部位因热收缩受到限制及预拉伸力对拉应力区的拉伸作用，在该部位产生较大的纵向塑性拉伸。这样在有预拉伸应力下进行焊接时，冷却阶段的塑性拉应变就能大大的抵消由加热阶段形成的塑性压应变，使焊件中只有较小的纵向残余塑性压应变被保留下来甚至于没有。焊件上发生的残余压缩塑性变形是导致焊接残余应力形成的主要原因，而残余应力又是一个自相平衡的内力，局部残余压缩塑性变形的减小必然引起结构总体内应力的重新分布，从而大大降低焊接残余应力幅值，达到控制残余应力和变形的目的。特别是当焊缝两侧的残余拉应力降低到低于试件的临界应力水平以下时，也

6、就防止了薄板焊件的失稳变形。关键词：预拉伸焊接法；铝合金；数值模拟；残余应力；焊接变形摘要摘要铝合金焊接残余应力和变形一直是影响其广泛应用的主要因素之一。本文采用的预拉伸是一种非常有效的控制焊接残余应力及变形的方法，具有独特的优越性，在实际工程中将会得到广泛的应用。现在，其研究远远不能满足实际应用的需要。本文采用数值模拟技术，在大型商业通用有限元分析软件ANSYS基础上，对预拉伸控制焊接残余应力及变形进行了分析研究。本文基于热弹塑性理论对焊接应力应变场进行了模拟分析，在结构力学基础理论上建立有限元模型，施加边界条件，计算分析预拉伸的力学行为与

7、预拉伸控制焊接残余应力及变形效果，利用APDL语言编制了具有一定通用性的参数化模拟分析程序，通过改变模拟参数可以模拟分析不同条件下的焊接与预拉伸处理。模拟结果显示，预拉伸焊接可以有效控制铝合金的焊接变形及残余应力，随着预拉伸应力的增大，其控制效果愈加明显。通过对计算结果进行分析及与实验结果的对比发现，模拟计算结果与实验测定结果基本吻合，从而证明了模拟途径的正确性及模拟结果的有效性。分析认为，预拉伸焊接法控制焊接残余应力及变形的主要机理为：在预加应力作用下进行焊接时，高温状态下的塑性变形区向远离焊缝中心方向扩展，从而减小了由周围较冷金属对由焊接

8、热输入引起的焊缝及近缝区金属热膨胀的纵向塑性挤压程度，进而减小了焊接加热过程中在焊缝及近缝区形成的纵向塑性压应变。在随后焊缝冷却过程中该部位因热收缩受到限制及预拉伸