低碳钢t型接头焊接残余应力和变形数值模拟(附件)【字数：11388】
摘 要摘 要T型焊接接头在各大工程领域得到广泛的应用，因此对T型接头性能的测试以及模拟计算显得尤为重要。本文采用小孔法测试T型接头的残余应力，得出实际应力分布曲线图。利用ANSYS有限元软件建立T型接头的模型，对T型接头的焊接温度场、应力场进行数值模拟计算，对焊接变形进行初步的模拟分析，碳弧气刨的模拟也在该软件中实现。通过本文模拟试验表明随着焊缝数目的增加，等温线之间距离变大，最高加热温度也变大；正反面的应力分布类似，横向应力都表现为拉应力并且呈“M”状分布，纵向应力呈“W”状分布；在焊缝中心位置纵向拉应力达到最大，为230MPa；距离焊缝中心左右2.5mm处横向拉应力达到最大值；距离焊缝中心左右5mm处纵向压应力达到最大值。关键词:T型接头；有限元模型；残余应力和变形；碳弧气刨；数值模拟
目 录
第一章 绪论 1
1.1 研究背景及意义 1
1.2 国内外研究现状 2
1.2.1 国外研究进展 3
1.2.2 国内研究进展 4
1.3 数值模拟的难点 5
1.4 课题的研究内容 6
第二章 试验材料设备及测量 8
2.1 试件结构及焊接参数 8
2.1.1 试件结构 8
2.1.2 焊接参数 8
2.2 焊接残余应力测试及结果分析 9
2.2.1 小孔法测试原理 9
2.2.2 应力测试步骤 9
2.2.3 试验结果分析 10
第三章 有限元模型的建立 13
3.1 有限元法简介 13
3.2 ANSYS软件介绍 14
3.3 几何模型的建立及网格划分 14
3.4 模型焊道划分 16
3.5 边界条件及焊道生成 16
3.6 热源模型的选择 18
3.7 计算过程 18
3.8 材料参数 19
第四章 模拟计算结果分析 21
4.1 焊缝的生成 21
4.2 焊接温度场的计算分析 23
4.2.1 温度场的分布 23
4.2.2 焊件上的点温度 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: *351916072*
随时间的变化 25
4.3 应力模拟结果分析 26
结 论 30
致 谢 31
参考文献 32
第一章 绪论
1.1 研究背景及意义
焊接是一种用加热或高压使两个分离的表面形成不可拆接头的制造工艺及技术，常用来连接金属材料跟金属结构。焊接具有效率高、连接性能好、适应性强、焊接结构有较强的刚度等优点。因此，焊接被广泛运用于工业生产的各个部门以及众多高新技术产品的制造中，例如，船舶、车辆、锅炉、压力容器、桥梁工程、电力设备、核能设施、海洋工程、石油化工、航空航天以及高层建筑等众多领域[1]。焊接技术在推动工业生产的发展以及国家经济建设中发挥了至关重要的作用。世界工程技术界用焊接加工的钢材量来衡量国家的工业发达程度，一些经济发达国家的焊接结构用钢量已经超过钢材产量的50%[2]。
随着经济的飞速发展和现代科学技术的进步，我国焊接结构用钢量的比例也大幅提高。钢按照化学成分可以分为两大类：碳素钢、合金钢，碳素钢又可以由含碳量的多少分为低碳钢、中碳钢和高碳钢[3]。T型接头是焊接结构中常见的一种接头形式，焊接过程中产生的焊接变形和残余应力不仅影响了焊接构件的制造还在很大程度上导致到T型接头的装配精度降低。焊接热输入是指焊接能源传给单位长度焊缝的热能，也就是电弧电压、焊接电流以及热效率的乘积跟焊接速度的比例的大小。焊接过程中高度集中的瞬时热输入导致焊件上的温度分布不均匀，焊缝金属冷却时无法自由收缩，整个热过程中产生的动态应力很大，焊接后构件中将产生很大的焊接残余应力和变形。比如焊件的翘曲变形、角变形、波浪变形、焊接横纵向收缩变形等。
焊接是一个对构件局部瞬时加热继而快速冷却的过程，不均匀的热输入将使构件各部分发生不均匀的变形，从而产生焊接残余应力。焊接残余应力大大降低了接头材料的有效比例极限使结构发生脆断。焊接结构中残余拉应力会降低结构耐腐蚀和抗疲劳的能力；焊接残余压应力还会降低受压结构的刚度，从而失去稳定承载力。焊接后的残余应力和变形会降低构件的疲劳强度以及断裂强度，在一定程度上还会影响焊件及其尺寸的稳定性，影响焊件的加工精度。影响焊接质量跟焊接效率的一个主要问题就是焊接残余应力及焊接变形，不仅减慢焊接结构的制造过程，同时也影响其使用性能，存在很多因素影响到焊接变形，因此准确掌握影响焊接变形的规律相当困难，所以对焊接应力场和变形的定量分析、预测模拟有重要的理论和工程意义。到目前为止，焊接工作者在焊接变形问题的处理上，往往还是以经验为主。因此需要寻找一种数值模拟的方法，既能解决复杂问题，又能够比较经济的预测焊接变形和焊接残余应力。
传统的预测与计算焊接应力应变场和焊接变形的方法主要是依靠试验和经验曲线或者统计计基础上的公式。但仅仅从依赖实验方法研究焊接变形和焊后残余应力有很大的难度，不能从各方面分析和预测焊接热过程对整个焊接结构力学性能的影响程度大小，也不能客观评价焊接结构的质量，没有可靠的预见性。在焊接生产技术的研究过程，常常采用试验方法计算分析各个工艺参数对焊接变形和焊接残余应力的影响，鉴定焊接结构的质量，大量的实验会消耗不少人力财力进而导致生产成本的增加，有的实验不仅会增加成本还存在安全问题，威胁到员工的生命安全，例如核能、航空航天等方面的大型焊接结构。
随着近年来计算机技术的飞速发展，计算机技术也广泛渗透到焊接中的各个方面，焊接残余应力和变形以及碳弧气刨的数值模拟计算技术也因有限元法的不断完善得到相应的发展，计算机系统对不同焊接方法的数值模拟技术得以实现。在使用计算机系统对焊接过程进行数值模拟的过程中，计算机可以筛选出最好的工艺方法、合适的焊接工艺参数、合理的装配顺序。本文以碳弧气刨过程的特点为基础，运用生死单元技术，建立一个既考虑材料去除又包括电弧热作用的碳弧气刨三维有限元模型，可以更好地分析碳弧气刨对构件焊接残余应力的影响，只要用少量的实验数据来验证数值模拟的可靠性，不需要在实验室做繁多的实验，这样就很大程度上节省了财力物力以及时间，节约生产成本的投入，具有可观的经济效益[4]。
目 录
第一章 绪论 1
1.1 研究背景及意义 1
1.2 国内外研究现状 2
1.2.1 国外研究进展 3
1.2.2 国内研究进展 4
1.3 数值模拟的难点 5
1.4 课题的研究内容 6
第二章 试验材料设备及测量 8
2.1 试件结构及焊接参数 8
2.1.1 试件结构 8
2.1.2 焊接参数 8
2.2 焊接残余应力测试及结果分析 9
2.2.1 小孔法测试原理 9
2.2.2 应力测试步骤 9
2.2.3 试验结果分析 10
第三章 有限元模型的建立 13
3.1 有限元法简介 13
3.2 ANSYS软件介绍 14
3.3 几何模型的建立及网格划分 14
3.4 模型焊道划分 16
3.5 边界条件及焊道生成 16
3.6 热源模型的选择 18
3.7 计算过程 18
3.8 材料参数 19
第四章 模拟计算结果分析 21
4.1 焊缝的生成 21
4.2 焊接温度场的计算分析 23
4.2.1 温度场的分布 23
4.2.2 焊件上的点温度 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: *351916072*
随时间的变化 25
4.3 应力模拟结果分析 26
结 论 30
致 谢 31
参考文献 32
第一章 绪论
1.1 研究背景及意义
焊接是一种用加热或高压使两个分离的表面形成不可拆接头的制造工艺及技术，常用来连接金属材料跟金属结构。焊接具有效率高、连接性能好、适应性强、焊接结构有较强的刚度等优点。因此，焊接被广泛运用于工业生产的各个部门以及众多高新技术产品的制造中，例如，船舶、车辆、锅炉、压力容器、桥梁工程、电力设备、核能设施、海洋工程、石油化工、航空航天以及高层建筑等众多领域[1]。焊接技术在推动工业生产的发展以及国家经济建设中发挥了至关重要的作用。世界工程技术界用焊接加工的钢材量来衡量国家的工业发达程度，一些经济发达国家的焊接结构用钢量已经超过钢材产量的50%[2]。
随着经济的飞速发展和现代科学技术的进步，我国焊接结构用钢量的比例也大幅提高。钢按照化学成分可以分为两大类：碳素钢、合金钢，碳素钢又可以由含碳量的多少分为低碳钢、中碳钢和高碳钢[3]。T型接头是焊接结构中常见的一种接头形式，焊接过程中产生的焊接变形和残余应力不仅影响了焊接构件的制造还在很大程度上导致到T型接头的装配精度降低。焊接热输入是指焊接能源传给单位长度焊缝的热能，也就是电弧电压、焊接电流以及热效率的乘积跟焊接速度的比例的大小。焊接过程中高度集中的瞬时热输入导致焊件上的温度分布不均匀，焊缝金属冷却时无法自由收缩，整个热过程中产生的动态应力很大，焊接后构件中将产生很大的焊接残余应力和变形。比如焊件的翘曲变形、角变形、波浪变形、焊接横纵向收缩变形等。
焊接是一个对构件局部瞬时加热继而快速冷却的过程，不均匀的热输入将使构件各部分发生不均匀的变形，从而产生焊接残余应力。焊接残余应力大大降低了接头材料的有效比例极限使结构发生脆断。焊接结构中残余拉应力会降低结构耐腐蚀和抗疲劳的能力；焊接残余压应力还会降低受压结构的刚度，从而失去稳定承载力。焊接后的残余应力和变形会降低构件的疲劳强度以及断裂强度，在一定程度上还会影响焊件及其尺寸的稳定性，影响焊件的加工精度。影响焊接质量跟焊接效率的一个主要问题就是焊接残余应力及焊接变形，不仅减慢焊接结构的制造过程，同时也影响其使用性能，存在很多因素影响到焊接变形，因此准确掌握影响焊接变形的规律相当困难，所以对焊接应力场和变形的定量分析、预测模拟有重要的理论和工程意义。到目前为止，焊接工作者在焊接变形问题的处理上，往往还是以经验为主。因此需要寻找一种数值模拟的方法，既能解决复杂问题，又能够比较经济的预测焊接变形和焊接残余应力。
传统的预测与计算焊接应力应变场和焊接变形的方法主要是依靠试验和经验曲线或者统计计基础上的公式。但仅仅从依赖实验方法研究焊接变形和焊后残余应力有很大的难度，不能从各方面分析和预测焊接热过程对整个焊接结构力学性能的影响程度大小，也不能客观评价焊接结构的质量，没有可靠的预见性。在焊接生产技术的研究过程，常常采用试验方法计算分析各个工艺参数对焊接变形和焊接残余应力的影响，鉴定焊接结构的质量，大量的实验会消耗不少人力财力进而导致生产成本的增加，有的实验不仅会增加成本还存在安全问题，威胁到员工的生命安全，例如核能、航空航天等方面的大型焊接结构。
随着近年来计算机技术的飞速发展，计算机技术也广泛渗透到焊接中的各个方面，焊接残余应力和变形以及碳弧气刨的数值模拟计算技术也因有限元法的不断完善得到相应的发展，计算机系统对不同焊接方法的数值模拟技术得以实现。在使用计算机系统对焊接过程进行数值模拟的过程中，计算机可以筛选出最好的工艺方法、合适的焊接工艺参数、合理的装配顺序。本文以碳弧气刨过程的特点为基础，运用生死单元技术，建立一个既考虑材料去除又包括电弧热作用的碳弧气刨三维有限元模型，可以更好地分析碳弧气刨对构件焊接残余应力的影响，只要用少量的实验数据来验证数值模拟的可靠性，不需要在实验室做繁多的实验，这样就很大程度上节省了财力物力以及时间，节约生产成本的投入，具有可观的经济效益[4]。
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