大厚度焊接接头残余应力和变形数值模拟(附件)【字数：12122】
摘 要摘 要焊接残余应力和变形的存在严重影响焊接质量，测试工件焊后的残余应力和变形对提高焊接质量有着重要意义。本文采用小孔法对Q345钢大厚板焊接接头残余应力进行了测量，并采用ANSYS软件对焊接残余应力和变形进行有限元模拟计算，分析了三维模型计算结果和试验结果的异同，比较了二维模型和三维模型的应力分布特征。研究结果表明二维模型和三维模型上下表面的残余应力模拟结果吻合；在接头上表面，纵向残余应力三维模型模拟结果和试验结果整体吻合；横向残余应力三维模拟结果和试验结果在焊缝区及附近吻合较好，两者均在焊趾附近出现最大拉应力。在接头下表面，纵向残余应力的三维模拟结果和试验结果在拉应力区吻合情况较好，母材部分的压应力模拟值偏小；横向残余应力数值差异较大，但应力变化趋势一致。变形的三维模拟结果与试验结果存在偏差。关键词数值模拟；大厚板；多道焊；小孔法；残余应力和变形Abstract
目 录
第一章 绪论 1
1.1 课题的研究背景及意义 1
1.2 厚板数值模拟研究进展 2
1.2.1 国外厚板数值模拟研究进展 2
1.2.2 国内厚板数值模拟研究进展 3
1.3 厚板多道焊数值模拟的难点 4
1.4 主要研究内容 4
第二章 材料设备和试验测量 5
2.1 材料及焊接方法 5
2.1.1 试验材料 5
2.1.2 焊接方法 5
2.2 焊接温度和变形测量 8
2.2.1 焊接温度测量 9
2.2.2 焊接变形测量 9
2.3焊接残余应力测量 10
2.4 试验结果分析 12
2.4.1 残余应力结果分析 12
2.4.2 角变形结果分析 13
第三章 有限元模型的建立 15
3.1 ANSYS有限元软件 15
3.2 有限元法简介 15
3.3 选择热源模型 16
3.4 建立几何模型 17
3.4.1 划分网格 18
3.4.2 边界条件 19
3.5 计算流程图 20
3.6 材料参 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
数 21
第四章 模拟结果及分析 22
4.1 温度场模拟结果 22
4.2 二维模型计算结果 25
4.3 三维模型结果与试验结果比较 26
4.4 二维与三维模型应力云图比较 29
4.5 变形模拟结果 31
结 论 33
致 谢 34
参考文献 35
第一章 绪论
1.1 课题的研究背景及意义
焊接最大的特点是局部从低温快速加热到高温，之后快速冷却。焊接过程中的物理现象包括焊接时的金属的熔化和凝固、焊接应力和变形、传热、电磁、冷却时的相变等，在控制好所有这些因素的情况下，可以得到一个高质量的焊缝。厚板是焊接结构生产中不可缺少的重要材料，广泛应用在火电，水利，造船，桥梁等行业的大型焊接结构中。近些年来，我国在大型焊接钢结构的开发与应用方面达到了较高的水平，例如在水电建设方面，长江三峡水电站建立了世界最大的水轮机转轮；在建筑方面，上海的摩天大楼金茂大厦采用了焊接钢结构框架[1]；在航空航天方面，由大型不锈钢整体焊接结构建成了国内最大的空间环境模拟装置等等。
在建造大厚板焊接结构的过程中焊接过程是必不可少的。然而在焊接过程中，由于构件局部不均匀的热输入，将可能会导致严重的焊接残余应力与变形。
焊接时产生的焊接变形的会造成构件形状的变异，承载能力降低和尺寸精度下降，如果变形处在工作载荷作用下，所引起的应力集中现象和附加弯矩可能会导致焊接结构早期失效[2]。焊接变形的产生是不可避免的，不过可以通过相关的措施来降低焊接的变形量。在结构设计上可以通过合理布置焊缝的位置、尽量减少焊缝的数量、选用最小的焊缝尺寸来减小焊接变形；在工艺上可以采用刚性固定法、预留收缩余量法、反变形法等来降低焊接变形。焊接变形的影响因素非常复杂，因此很难准确的掌握其中的规律，目前为止，焊接工作者在对焊接变形问题的处理上，通常还是以经验为主[3]。
残余应力的存在可能直接或间接地降低构件的承载能力，还将影响到结构的加工精度和尺寸的稳定性。降低焊接残余应力的方法可分为焊前采取措施和焊后处理两类。焊前可以优化设计，在结构设计方面，结构尽量简单、尺寸合理、材料厚薄变化均匀等；在工艺设计方面，尽量减少焊接接头数量、焊缝间保留足够距离、避免焊缝交叉、焊缝要尽量远离高应力区、焊前预热等都可以有效降低残余应力。焊后可以通过热处理消除法、拉伸消除法、机械振动法和爆炸消除法等来消除残余应力[4]。工程生产中焊接残余应力的控制与消除通常需要花费大量工时，如果可以系统的掌握焊接残余应力的规律，就可以在设计加工时合理地控制，从而避免有害残余应力的存在，这具有重要工程意义[5]。
计算机技术日益发展，数值模拟技术也逐渐完善，一旦焊接结构焊接现象能够实现计算机模拟，计算机模拟将发挥它强大的计算分析优势，在模拟过程中，如果通过少量的验证试验可以证明数值模拟方法在处理某一问题上的适用性，那么其他大量的最佳设计、最佳工艺方法和焊接参数的分析筛选工作便可由计算机完成，这样一来就节省了大量的人力、物力和时间，具有很大的经济效益。
1.2 厚板数值模拟研究进展
1.2.1 国外厚板数值模拟研究进展
在焊接数值模拟中的应用始于20世纪70年代，日本大阪大学的上田幸雄[6]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，从而可以分析复杂的动态焊接应力过程。当时运用有限元法成功模拟了大厚度深坡口的多道焊接头的残余应力分布形态，发现在最后一层焊道表面的下方出现最大残余应力。Iwaki编制了可用于分析板平面堆焊热应力的二维有限元程序，之后Muraki对它进行了突破性改进，使用改进后的程序，可以对对接焊和平板堆焊过程进行热应力分析。Ueda[7]等在研究厚板多层多道焊使用了简化模型研究发现，只要分析最后几道焊道便可以计算出较为准确的残余应力和分布。有限元技术在八十年代发展完善，对焊接残余应力的分布规律和焊接变形人们有了更加深入的认识。九十年代，S.Murugan[8]等人对厚板多层多道焊接板厚不同时焊后温度分布情况作了研究，可以准确的预测出多个焊道时构件多处的最高温度值。Y.Shim[9]建立了厚板多层多道焊模型研究了沿厚度方向上的应力分布情况，模拟结果和试验数据非常吻合。进入二十一世纪，Palumbo、L.Tricarico等[10]通过二维和三维模型模拟了弯曲成形和矫正之后的管线钢变形和应力分布，模拟结果和试验结果较为吻合。丹麦的Lars Fuglsang Andersen[11]在研究残余应力时采用了基于增量的钻孔技术试验方法，估算了厚板焊接残余应力沿厚度方向的分布情况。2011年，Myong[12]等人考虑了结构临界失稳状态下的特征值，建立了高温应力应变效应的热弹塑性本构模型，对焊接构件进行了全面系统性的机理研究和分析。
目 录
第一章 绪论 1
1.1 课题的研究背景及意义 1
1.2 厚板数值模拟研究进展 2
1.2.1 国外厚板数值模拟研究进展 2
1.2.2 国内厚板数值模拟研究进展 3
1.3 厚板多道焊数值模拟的难点 4
1.4 主要研究内容 4
第二章 材料设备和试验测量 5
2.1 材料及焊接方法 5
2.1.1 试验材料 5
2.1.2 焊接方法 5
2.2 焊接温度和变形测量 8
2.2.1 焊接温度测量 9
2.2.2 焊接变形测量 9
2.3焊接残余应力测量 10
2.4 试验结果分析 12
2.4.1 残余应力结果分析 12
2.4.2 角变形结果分析 13
第三章 有限元模型的建立 15
3.1 ANSYS有限元软件 15
3.2 有限元法简介 15
3.3 选择热源模型 16
3.4 建立几何模型 17
3.4.1 划分网格 18
3.4.2 边界条件 19
3.5 计算流程图 20
3.6 材料参 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
数 21
第四章 模拟结果及分析 22
4.1 温度场模拟结果 22
4.2 二维模型计算结果 25
4.3 三维模型结果与试验结果比较 26
4.4 二维与三维模型应力云图比较 29
4.5 变形模拟结果 31
结 论 33
致 谢 34
参考文献 35
第一章 绪论
1.1 课题的研究背景及意义
焊接最大的特点是局部从低温快速加热到高温，之后快速冷却。焊接过程中的物理现象包括焊接时的金属的熔化和凝固、焊接应力和变形、传热、电磁、冷却时的相变等，在控制好所有这些因素的情况下，可以得到一个高质量的焊缝。厚板是焊接结构生产中不可缺少的重要材料，广泛应用在火电，水利，造船，桥梁等行业的大型焊接结构中。近些年来，我国在大型焊接钢结构的开发与应用方面达到了较高的水平，例如在水电建设方面，长江三峡水电站建立了世界最大的水轮机转轮；在建筑方面，上海的摩天大楼金茂大厦采用了焊接钢结构框架[1]；在航空航天方面，由大型不锈钢整体焊接结构建成了国内最大的空间环境模拟装置等等。
在建造大厚板焊接结构的过程中焊接过程是必不可少的。然而在焊接过程中，由于构件局部不均匀的热输入，将可能会导致严重的焊接残余应力与变形。
焊接时产生的焊接变形的会造成构件形状的变异，承载能力降低和尺寸精度下降，如果变形处在工作载荷作用下，所引起的应力集中现象和附加弯矩可能会导致焊接结构早期失效[2]。焊接变形的产生是不可避免的，不过可以通过相关的措施来降低焊接的变形量。在结构设计上可以通过合理布置焊缝的位置、尽量减少焊缝的数量、选用最小的焊缝尺寸来减小焊接变形；在工艺上可以采用刚性固定法、预留收缩余量法、反变形法等来降低焊接变形。焊接变形的影响因素非常复杂，因此很难准确的掌握其中的规律，目前为止，焊接工作者在对焊接变形问题的处理上，通常还是以经验为主[3]。
残余应力的存在可能直接或间接地降低构件的承载能力，还将影响到结构的加工精度和尺寸的稳定性。降低焊接残余应力的方法可分为焊前采取措施和焊后处理两类。焊前可以优化设计，在结构设计方面，结构尽量简单、尺寸合理、材料厚薄变化均匀等；在工艺设计方面，尽量减少焊接接头数量、焊缝间保留足够距离、避免焊缝交叉、焊缝要尽量远离高应力区、焊前预热等都可以有效降低残余应力。焊后可以通过热处理消除法、拉伸消除法、机械振动法和爆炸消除法等来消除残余应力[4]。工程生产中焊接残余应力的控制与消除通常需要花费大量工时，如果可以系统的掌握焊接残余应力的规律，就可以在设计加工时合理地控制，从而避免有害残余应力的存在，这具有重要工程意义[5]。
计算机技术日益发展，数值模拟技术也逐渐完善，一旦焊接结构焊接现象能够实现计算机模拟，计算机模拟将发挥它强大的计算分析优势，在模拟过程中，如果通过少量的验证试验可以证明数值模拟方法在处理某一问题上的适用性，那么其他大量的最佳设计、最佳工艺方法和焊接参数的分析筛选工作便可由计算机完成，这样一来就节省了大量的人力、物力和时间，具有很大的经济效益。
1.2 厚板数值模拟研究进展
1.2.1 国外厚板数值模拟研究进展
在焊接数值模拟中的应用始于20世纪70年代，日本大阪大学的上田幸雄[6]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，从而可以分析复杂的动态焊接应力过程。当时运用有限元法成功模拟了大厚度深坡口的多道焊接头的残余应力分布形态，发现在最后一层焊道表面的下方出现最大残余应力。Iwaki编制了可用于分析板平面堆焊热应力的二维有限元程序，之后Muraki对它进行了突破性改进，使用改进后的程序，可以对对接焊和平板堆焊过程进行热应力分析。Ueda[7]等在研究厚板多层多道焊使用了简化模型研究发现，只要分析最后几道焊道便可以计算出较为准确的残余应力和分布。有限元技术在八十年代发展完善，对焊接残余应力的分布规律和焊接变形人们有了更加深入的认识。九十年代，S.Murugan[8]等人对厚板多层多道焊接板厚不同时焊后温度分布情况作了研究，可以准确的预测出多个焊道时构件多处的最高温度值。Y.Shim[9]建立了厚板多层多道焊模型研究了沿厚度方向上的应力分布情况，模拟结果和试验数据非常吻合。进入二十一世纪，Palumbo、L.Tricarico等[10]通过二维和三维模型模拟了弯曲成形和矫正之后的管线钢变形和应力分布，模拟结果和试验结果较为吻合。丹麦的Lars Fuglsang Andersen[11]在研究残余应力时采用了基于增量的钻孔技术试验方法，估算了厚板焊接残余应力沿厚度方向的分布情况。2011年，Myong[12]等人考虑了结构临界失稳状态下的特征值，建立了高温应力应变效应的热弹塑性本构模型，对焊接构件进行了全面系统性的机理研究和分析。
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