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对接焊缝残余应力的有限元分析_图文

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文章编号: %$$"&$"#()"$$! ) $#&$$%’&$"

焊接技术

第 !" 卷第 # 期 "$$! 年 %$ 月

对接焊缝残余应力的有限元分析
赵学荣 %,朱援祥 ",孙秦明 %
( %B 武汉大学 动力与机械工程学院,湖北 武汉 ’!$$D" "B 华中科技大学 材料科学与工程学院, 湖北 武汉 ’!$$D" )
摘要:采用有限元方法数值模拟了对接焊缝残余应力大小和分布,计算结果与试验结果基本吻合,证明有限元方法是一种经济而有效 地预测焊接接头残余应力的方法,可以为制定正确的焊接工艺,改善接头性能提供理论依据。 关键词:对接焊缝;残余应力;有限元;数值模拟 中图分类号: W"’%B?"X YZ’$’ 文献标识码: I

在焊接结构生产过程中,由于不均匀热循环,必然要在 接头中产生残余应力,焊接残余应力是引起裂纹,导致接头 强度和韧性下降 的 重 要 原 因 *%+。 为 了 了 解 焊 接 结 构 中 残 余 应 力 的大小和分布,多年来,不少专家学者做了大量的试验和研究 工 作 。 ,-./-0 和 1-230/456 用 ( 射 线 衍 射 法 来 测 量 残 余 应 力 *"+,

向同性且均匀,其随温度而变化的热物理参数见图 ! ,高温时 的热物理参数可据此进行线形外推处理。
母材 焊 缝

75083 和 79:52 提出了小孔法来评估残余应力 *!+。随着计算机 和 有
限元技术的发展,采用有限元方法进行数值模拟焊接残余应 力已成为研究的热点。 笔者采用有限元方法数值模拟平板对接焊缝残余应力的 分布,计算模拟结果与试验测得的数据基本一致,证明该方 法可经济有效地预测焊接残余应力的分布和大小,可以为制 定正确的焊接工艺、改善接头性能提供一定的理论依据。 焊接试样 试 验 材 料 ;%$<" 钢 , 焊 接 性 较 好 。 试 件 尺 寸 为 % $$$
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有限元网格模型

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( P)比热

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( 5)热导率

==>;#$ ==>#? == ,试验用焊条 为 @ABC;$D1E, 焊 缝 坡 口 为
图 %) 。 焊 接 工 艺 参 数 : 预 热 温 度 %$$ F , 非对称 ( 形坡口 ( 道 间 温 度 %’$ F , 焊 接 电 流 G#H%G# I , 电 弧 电 压 "!H"? J , 焊接速度 %%;H""$ == K =L0 ,热输入 %%BDH!!B" :C K M= 。
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( M)热膨胀系数 图# 材料的热物理性能

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图! 坡口形式示意图

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有限元数学模型 焊接过程中,一般无外载荷作用,载荷条件为温度场,

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有限元力学模型 由于对接焊缝的对称性,从焊缝中心取一侧进行计算。

由于不均匀的局部加热,热循环温度变化范围大,材料的热 物理性能和力学性能随温度而变化,是非线形的。假设材料 与温度有关的力学性能、应力应变在微小的时间增量内线形 变化,则残余应力有限元计算方程建立如下 R

在划分网格时,考虑到焊接热源移动时,整个焊件在不同的 时刻和位置,温度和应力应变的分布极不均匀,为了节省计 算时间和存储空间 , 在 焊 缝 及 其 附 近 的 部 位 用 较 细 密 的 网 格 , 远离焊缝的区域采用较稀疏的网格,网格划分见图 " 。对所建 立的模型进行有限元计算可分为 ! 个方面:确定材料的热物 理参数、落实边界条件及区域离散化。假定所采用的材料各
收稿日期: "$$!&$!&%’

ST# U$V*% +$ST#U$,
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式中, ST# U 为由温度引起的单元初应变等效节点力增量, ST#U$为 单元节点位移增量, *% +$ 为单元刚度矩阵:

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结果与分析 对试板焊接区残余应力进行计算机数值模拟并用盲孔法

式 中 , 9 #: 为 联 系 单 元 中 应 变 向 量 与 节 点 位 移 向 量 的 矩 阵 ,

9’: 为弹性或弹塑性矩阵,6%7为与温度有关的向量,$$ 为单元
的温度增量。 求解过程为:将热分析中得到的各节点的温度增量逐步 加载到焊接结构中,由式 ( ;) 可 以 得 到 各 节 点 的 位 移 增 量 : 6$!7,代入式 ( 2 )和式 ( <)

测 定 , 测 定 仪 器 为 @C=DD 型 超 级 静 态 电 阻 应 变 仪 , 应 变 计 为

(E;05 =;.2 =$;.2 三 向 应 变 花 , 钻 孔 直 径 ;.2 FF, 孔 深 0.5 FF,严格遵守盲孔法的操作要求对残余应力进行了测量。
图 2 和图 < 分别是上表面 ( 大坡口侧)焊接区横向残余 应力 ") ( 垂直于焊缝方向)和纵向残余应力 "* ( 沿焊缝方向)
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6$!7 (9#:6$!7 ,
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( 2) ( <)

在不同位置的分布图,数值模拟的结果与实测的数据进行比 较可以发现,两者的分布和大小比较吻合,焊接热影响区附 近存在拉应力,而远离焊缝,逐渐变为压应力直到 5 。 因为焊接熔合区附近存在的杂质和微观缺陷,是潜在的 裂纹源,在横向拉 应 力 的 作 用 下 , 促 使 缺 陷 扩 展 而 形 成 裂 纹 。 从图 2 横向残余应力的分布可以看出,熔合区附近存在较大 的拉应力,这是焊接熔合区产生冷裂纹的重要原因,通过控 制焊接热输入则可以减小应力而避免裂纹是重要的途径。 从图 < 可看出,纵向残余应力和横向残余应力有相同的 分布规律,在热影响区附近,产生残余拉应力,随距焊缝中 心距离的增加,逐渐变为压应力,直至为 5 ,熔合区附近出现 最大拉应力,其最大计算值为 /05 GBH 。
255 A55
应力 I GBH 应力 I GBH

6$"789’:6$#7=6%7$$,
中应力应变的变化过程和最终的残余应力和变形的状态。

则可求得各单元的应力增量 6$"7 ,这样就可了解整个焊接过程

!

实现过程 笔 者 采 用 大 型 通 用 有 限 元 分 析 软 件 >1?@?9A:来 实 现 残 余 应

力的计算,计算中只考虑温度场对应力场的耦合作用,而不 考虑应力场对温 度 场 的 耦 合 作 用 92:。 采 用 间 接 法 进 行 计 算 , 先 进行温度场的计算,划分网格,输入各热物理参数,在每一 时 间 步 上 用 修 正 的 牛 顿 —拉 普 松 方 法 进 行 热 平 衡 迭 代 。 将 计 算得到的温度场保存下来,然后进行结构应力分析。先将热 分析单元转换为结构分析单元 ( 在 >1?@? 中 可 以 非 常 方 便 地 实现单元转换) ,输入 力 学 性 能 参 数 ( 弹性摸量、泊松比等) , 再将热分析得到的各节点温度作为体载荷 ( 即结构分析中给 实体施加的温度)施加在结构应力分析中,求解并进入时间 历 程 后 处 理 器 B3?(0< , 显 示 等 效 节 点 应 力 。 其 实 现 流 程 图 如 图 A 所示。
开始 前处理

255
实测残余应力 计算残余应力

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实测残余应力 计算残余应力

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距焊缝中心距离 I FF 横向残余应力分布图

距焊缝中心距离 I FF 纵向残余应力分布图

#
热物理参数输入

结论 ( ;) 应 用 有 限 元 法 模 拟 了 金 属 焊 接 残 余 应 力 的 大 小 , 数

建模, 划分网络

值模拟结果和实测数据比较吻合,说明这是一种经济而有效 的焊接残余应力预测方法。 ( 0) 计 算 结 果 表 明 , 熔 合 区 附 近 较 大 的 残 余 拉 应 力 是 焊 接熔合区容易产生冷裂纹的重要原因,可以通过调控焊接热 输入来减小残余应力而防止焊接裂纹的产生。

计算温度场 热结构耦合

单元转换

力学参数输入

参考文献: 机械工业出版社, 9;: 陈丙森 . 计算机辅助焊接技术 9G:. 北京: ;JJJ.

应力场求解 后处理 图! 有限分析实现流程图

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北京大学出版社, 9A: 谭建国 . 使用 >1?@?<.5 进行有限元分析 9G:. 北京:

因为焊接过程中,焊缝金属是随层逐渐熔敷上去的,为 了 模 拟 多 层 焊 缝 的 焊 接 过 程 , 笔 者 采 用 了 >1?@? 的 单 元 “ 死 活”技术,当第 ; 层焊缝开始焊接时,该层单元处于 “ 活” 的状态,其余焊缝则处于 “ 死”的状态,对温度场和应力场 的计算不起作用,第 0 层焊缝开始焊接时,该层焊缝的单元 “ 复活” 。焊接热源随着焊缝单元的 “ 复活”逐渐加到焊缝单 元上,上面步骤通过编程在 >1?@? 中自动实现。

0550. 92:?L_G ‘@ @, aT1b c, [TT ? ,"4). C"4"KF%&H4%+& +S K"N%$OH# N4K"NN"N %& ;JJ0 , WJXY/52=/;0. 4*%)\RN")4%+& ]"#$F"&4N9E:. !"#$%&’ M"N"HK)* ,

作者简介:赵学荣 ( ,男,武汉大学动力与机械工程学院在 ;JZD —) 读硕士研究生,主要研究方向为计算机在材料加工工程中的应用 .

! ? 英文标题、摘要及关键词 ?

焊接技术

第 !" 卷第 # 期 "$$! 年 %$ 月

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