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1、第24卷 第3期焊接学报Vol.24No.32003年6月TRANSACTIONSOFTHECHINAWELDINGINSTITUTIONJune2003焊接变形预测技术研究进展薛忠明, 曲文卿, 柴 鹏, 张彦华(北京航空航天大学机械工程及自动化学院,100083)摘 要:焊接变形是影响焊接结构质量和生产率的主要问题之一,焊接变形的存在不仅影响着焊接结构的制造过程,而且影响着焊接结构的使用性能。一般认为,焊接过程中材料的不均匀受热、板厚方向的热梯度、材料的局部非协调塑性应变以及焊接残余应力的作用是产生各种焊
2、接变形的根本原因。焊接变形预测方法大都基于有限元分析。文中详述了国内外有关焊接变形预测技术的最新研究进展,具体介绍了热弹塑性有限单元法、固有应变法以及基于传统有限元的优化设计法与人工神经网络模型等先进的焊接变形预测方法。关键词:焊接变形;热弹塑性;固有应变;有限元;预测中图分类号:TG44文献标识码:A文章编号:0253-360X(2003)03-87-04薛忠明0 序 言 焊接变形预测技术的发展与焊接变形控制技术的发展密切相关,深入研究焊接变形的机理有助于焊接变形是焊接结构制造过程中最常见的问题实现对焊
3、接变形的精确控制。以下详细综述焊接变之一。焊接变形种类繁多,情况复杂,主要有横向收形预测技术的最新研究进展。缩、纵向收缩、弯曲变形、角变形及翘曲变形等。焊接变形的存在严重影响着焊接结构的制造过程和使1 焊接变形预测的发展用性能。焊接过程中材料的不均匀受热、板厚方向的热20世纪中叶以来,不少学者对薄壁结构焊接变梯度、材料的局部非协调塑性应变以及焊接残余应形问题进行了研究。20世纪50年代,WatanabeM和[2]力的作用是产生各种焊接变形的根本原因。具体来SatohK开始关注低碳钢薄板结构焊接变形的翘曲说,影
4、响焊接变形的因素大体可以分为两部分,即设现象,他们第一次提出了焊缝收缩的概念,并给出了计相关量和制造相关量。重要的设计相关量包括母一系列预测焊接变形的公式。20世纪70年代,[3]材性能、接头形式、根部间隙、板的厚度、加强筋间距TaniguchiC利用完整的数值分析和试验方法研究及约束情况等。重要的制造相关量包括热源形式、了铝板结构角接头的变形情况,得到了各种角焊缝焊接速度及焊接顺序等。的板厚与角变形之间的相互关系。PatteeFM对不焊接变形预测对焊接结构的生产和使用具有重同约束条件下铝板的翘曲情况进行了试
5、验研究,并[4]要意义,然而进行准确的焊接变形预测较为困难。得到相似的结论。1976年,SatohK在系统研究的导致焊接变形预测不准确的主要因素有:焊接变形基础上得出了低碳钢、高强钢、铝合金及不锈钢等不机理的复杂性;一些重要的物理数据在材料处于高同材料制造的焊接结构中残余应力、角变形、横向收温时难于测定;热力分析过程中的误差积累。缩与焊接热输入之间的简单关系式。[5][6]传统的焊接变形预测依赖于试验和统计基础上的多年来,KarlssonL、MasubuchiK与McDillJ[7]经验曲线或经验公式。近年来
6、,随着计算机技术的飞MJ等许多专家学者对大型复杂焊接结构进行三速发展,有限单元法成了研究复杂结构力学的主要维热弹塑性有限元分析,他们建立了很多复杂的数的数值方法,许多焊接残余应力和焊接变形的研究学模型。这些模型有助于认识焊接变形机理,能够[8]都采用计算机模拟技术。计算焊接力学的发展,热弹较为准确地预测焊接结构的变形。TengTL对T塑性有限单元法和固有应变法在焊接变形预测中的形接头角焊缝进行了热弹塑性有限元模拟,分析了[1]成功应用,使焊接变形预测有了坚实的理论基础。焊接过程的热力行为与焊接残余应力和角变形
7、问题,应用死活单元法模拟焊缝金属的填充过程,并讨收稿日期:2002-07-15基金项目:国家自然科学基金项目(59875003)论了法兰厚度、焊接穿透深度以及约束条件对焊接88焊 接 学 报第24卷残余应力和焊接变形的影响。计算,模拟焊接时结构的整体力学行为。焊接变形由于热弹塑性有限元分析计算复杂、收敛困难,的热弹塑性有限元模拟可以综合考虑焊接过程的几很难用于实际焊接结构的应力与变形分析。后来,何非线性、材料非线性和状态非线性,考虑显微组织UedaY[9]等发展了基于线弹性有限元的固有应变模转变与液固相转变对
8、热力过程的影响,研究移动热[10]源作用下的瞬态温度场、热应力场与变形场。型。DaniewiczSR对大型海洋船体结构进行了试2.1.1 几何方面的考虑验和数值模拟的研究,以试验方法确定焊缝的固有(1)进行热弹塑性焊接变形模拟首先需要考虑收缩值,并将其应用于有限元结构分析的模型中,利几何非线性。几何非线性主要体现在大应变的有限用线弹性有限元成功地预测了大形海洋船体结构的[11]变形分析,因为焊接变形
