船舶对接焊接工艺质量的分析与仿真
在船舶船体及其零件生产过程中，焊接是其最主要的工艺手段，它广泛应用在船舶的连接、固定等各个方面，而焊接过程往往伴随着焊接变形，残余应力等不良因素的影响。因此，要保证良好焊接质量，需要尽可能在减少板材变形量的同时减小残余应力对板材的影响。本文以平板对接为研究对象，通过SYSWELD有限元软件模拟焊接环境，通过改变不同的焊接参数对板材进行焊接模拟，再根据软件的后处理结果分析不同的焊接参数（焊接速度、坡口形式、焊丝材料、输入的线能量等）对焊接质量的影响情况。通过对比各组的分析结果，最终确认最为合理的参数，达到优化焊接工艺的目的。关键词：对接焊接；焊接质量；有限元 目录
第一章 绪论 1
1.1 概述 1
1.2 焊接应力与变形的国内外研究现状 2
1.2.1 国内外研究动态介绍 2
1.2.2 国内外有限元软件模拟的发展现状 2
1.2.3 焊接残余应力场数值模拟的国内外研究现状 3
1.3 主要研究内容 4
1.4 本章小结 4
第二章 焊接有限元数值模拟仿真的理论基础 5
2.1 焊接温度场模拟 5
2.1.1焊接温度场的概念和表征 5
2.1.2 焊接温度场的基本方程 5
2.2焊接应力场模拟 9
2.2.1屈服准则 10
2.2.2流动准则 11
2.2.3强化准则 11
2.2.4焊接热弹塑性理论 12
2.2.5热源模型的建立 15
2.3 SYSWELD软件工作原理 15
2.3.1 SYSWELD软件概述 15
2.3.2SYSWELD的理论基础 16
2.4焊接变形的形成 18
2.5本章小结 18
第三章 基于SYSWELD有限元模型的建立 19
3.1三维网格模型的建立 19
3.2实验的前处理过程 25
3.2.1 焊丝材料的选择 25
3.2.2 焊接速度的选择 27
3.3 本章小结 28
第四章 焊接的后处理过程及参数优化 29<
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接变形的形成 18
2.5本章小结 18
第三章 基于SYSWELD有限元模型的建立 19
3.1三维网格模型的建立 19
3.2实验的前处理过程 25
3.2.1 焊丝材料的选择 25
3.2.2 焊接速度的选择 27
3.3 本章小结 28
第四章 焊接的后处理过程及参数优化 29
4.1 焊接速度对焊接质量的影响 29
4.1.1焊接速度对温度场的影响 29
4.1.2焊接速度对应力影响 33
4.1.3焊接速度对板材变形的影响 36
4.2焊丝材料对焊接质量的影响 40
4.2.1焊丝对焊接温度场的影响 40
4.2.2焊丝对焊接应力场的影响 43
4.2.3焊接材料对板材变形的影响 46
4.3坡口形式对焊接质量的影响 50
4.4本章小结 52
第五章 总结及展望 53
致谢 54
参考文献 55
第一章 绪论
1.1 概述
随着科学技术日新月异的发展，焊接在船舶制造业的作用也越来越重要，它作为船舶建造的主要施工技术，广泛应用于船舶结构的制作和安装，以及船体各部分的连接。然而，中国的造船行业与欧美，日韩等国的差距还很明显，船舶的工艺设计也比较落后。
焊接质量往往影响着整艘船舶的质量，而焊接过程往往伴随着焊接变形、残余应力等不良因素的影响。焊接变形一方面会使得焊件的整体结构发生改变，因而导致其尺寸误差增大，不利于船舶整体的连接；而另一方面，焊接变形还会使得焊件的疲劳强度大大下降，降低了船舶的负载能力，这样会直接影响船舶的使用寿命。热源的注入不合理往往是发生焊接变形和残余应力的主要原因，由于瞬间有大量的热量注入焊缝，使得焊缝周围的金属融化，从而导致板材变形，而且在焊接过程中以及焊接之后还会产生很大的残余应力。因此，进行仿真模拟之前务必要充分了解焊接残余应力和塑性变形的特性，采取措施尽量在最大程度上减少这种不良因素的发生。板材发生塑性变形不但会影响构件的使用性能，还可能会降低它的生产率，大大增加了生产成本。因此对焊接参数的研究就是非常必要的，它是解决焊接问题的关键。
焊接是一门促进社会发展和国防现代化的重要科学技术领域之一，它涉及许多学科领域，例如：机械、电工电子、金属材料、控制工程等等。焊接是一个繁杂的物理化学过程，它包括热源加载时的热传导过程、金属的熔化和凝固过程、塑性变形等过程。在焊接领域，影响焊接质量的因素多种多样，只依靠前人多年的工作经验来进行船舶焊接不仅精确度低下，而且浪费人力物力财力。而计算机科学领域的兴起，可以把电子计算机当做媒介，以有限元软件为手段对需要焊接的项目先在计算机上进行仿真。在仿真过程中，只需要少量的改动焊接的模型和参数，其余大量的计算和最佳设计方案的确定等方面都可以由计算机独立的完成，如此一来就可以大大节约了生产成本，缩短了研究的时间周期，具有良好的经济性。
随着计算机领域的研究成果不断更新，如今的有限元软件分析技术已经进入到非常成熟的阶段，如今，随着大量的有限元软件被不断地开发出来，它们已经可以解决绝大多数的焊接问题。其中SYSWELD软件正是其中的代表。
如今，中国的国力越发强盛，科学研发水平也在稳步提高，有些方面的研究成果已经接近国际先进水平。虽然在很多方面和日韩、欧美等国家相比差距依旧明显，不过相信在不久的将来，这些差距将不再存在。一大批商业化有限元软件的开发给了我们很大的发挥空间，我们应该以此为依托，不断的发展进步。
1.2 焊接应力与变形的国内外研究现状
1.2.1 国内外研究动态介绍
随着有限元技术的日益成熟，现在焊接有限元软件已经应用在焊接研究的诸多方面，主要包括：
1)焊接热传导分析；
2)焊接过程中的氢扩散；
3)对焊接产品性能的测试；
4)电弧物理；
5)焊接应力与变形；
6)焊接熔池流体动力学；
7)焊接接头的力学行为等。
1.2.2 国内外有限元软件模拟的发展现状
有限元软件的研究方法是利用数学物理模型将一个实体分解分一个个小的单元，分别计算每个单元上的参数，就像数学模型中的积分的原理。1970年初，日本的一些科学家以该数学模型为基础，通过大量的理论研究和实践，总结出了有限元模拟分析公式，使得以前很难量化的焊接参数以及焊接过程可以用该数学公式形象的表现出来。在此之后，他们继续投身于有限元模拟仿真的研究之中，最终解决了焊接过程中比较复杂的应力应变数据的采集问题。美国的H.D. Hibbit和P.V. Marcal应用有限元软件对焊接的残余应力进行预测并控制，并取得了成功。其后H.D. Hibbit等人又将目光转向了焊接变形领域，并获得了的收获。
中国对有限元软件的分析和模拟是开始于1980年左右，现在中国对于焊接应力与应变数值模拟其趋势为：运用三维软件建立建立精确的三维模型，之后
第一章 绪论 1
1.1 概述 1
1.2 焊接应力与变形的国内外研究现状 2
1.2.1 国内外研究动态介绍 2
1.2.2 国内外有限元软件模拟的发展现状 2
1.2.3 焊接残余应力场数值模拟的国内外研究现状 3
1.3 主要研究内容 4
1.4 本章小结 4
第二章 焊接有限元数值模拟仿真的理论基础 5
2.1 焊接温度场模拟 5
2.1.1焊接温度场的概念和表征 5
2.1.2 焊接温度场的基本方程 5
2.2焊接应力场模拟 9
2.2.1屈服准则 10
2.2.2流动准则 11
2.2.3强化准则 11
2.2.4焊接热弹塑性理论 12
2.2.5热源模型的建立 15
2.3 SYSWELD软件工作原理 15
2.3.1 SYSWELD软件概述 15
2.3.2SYSWELD的理论基础 16
2.4焊接变形的形成 18
2.5本章小结 18
第三章 基于SYSWELD有限元模型的建立 19
3.1三维网格模型的建立 19
3.2实验的前处理过程 25
3.2.1 焊丝材料的选择 25
3.2.2 焊接速度的选择 27
3.3 本章小结 28
第四章 焊接的后处理过程及参数优化 29<
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接变形的形成 18
2.5本章小结 18
第三章 基于SYSWELD有限元模型的建立 19
3.1三维网格模型的建立 19
3.2实验的前处理过程 25
3.2.1 焊丝材料的选择 25
3.2.2 焊接速度的选择 27
3.3 本章小结 28
第四章 焊接的后处理过程及参数优化 29
4.1 焊接速度对焊接质量的影响 29
4.1.1焊接速度对温度场的影响 29
4.1.2焊接速度对应力影响 33
4.1.3焊接速度对板材变形的影响 36
4.2焊丝材料对焊接质量的影响 40
4.2.1焊丝对焊接温度场的影响 40
4.2.2焊丝对焊接应力场的影响 43
4.2.3焊接材料对板材变形的影响 46
4.3坡口形式对焊接质量的影响 50
4.4本章小结 52
第五章 总结及展望 53
致谢 54
参考文献 55
第一章 绪论
1.1 概述
随着科学技术日新月异的发展，焊接在船舶制造业的作用也越来越重要，它作为船舶建造的主要施工技术，广泛应用于船舶结构的制作和安装，以及船体各部分的连接。然而，中国的造船行业与欧美，日韩等国的差距还很明显，船舶的工艺设计也比较落后。
焊接质量往往影响着整艘船舶的质量，而焊接过程往往伴随着焊接变形、残余应力等不良因素的影响。焊接变形一方面会使得焊件的整体结构发生改变，因而导致其尺寸误差增大，不利于船舶整体的连接；而另一方面，焊接变形还会使得焊件的疲劳强度大大下降，降低了船舶的负载能力，这样会直接影响船舶的使用寿命。热源的注入不合理往往是发生焊接变形和残余应力的主要原因，由于瞬间有大量的热量注入焊缝，使得焊缝周围的金属融化，从而导致板材变形，而且在焊接过程中以及焊接之后还会产生很大的残余应力。因此，进行仿真模拟之前务必要充分了解焊接残余应力和塑性变形的特性，采取措施尽量在最大程度上减少这种不良因素的发生。板材发生塑性变形不但会影响构件的使用性能，还可能会降低它的生产率，大大增加了生产成本。因此对焊接参数的研究就是非常必要的，它是解决焊接问题的关键。
焊接是一门促进社会发展和国防现代化的重要科学技术领域之一，它涉及许多学科领域，例如：机械、电工电子、金属材料、控制工程等等。焊接是一个繁杂的物理化学过程，它包括热源加载时的热传导过程、金属的熔化和凝固过程、塑性变形等过程。在焊接领域，影响焊接质量的因素多种多样，只依靠前人多年的工作经验来进行船舶焊接不仅精确度低下，而且浪费人力物力财力。而计算机科学领域的兴起，可以把电子计算机当做媒介，以有限元软件为手段对需要焊接的项目先在计算机上进行仿真。在仿真过程中，只需要少量的改动焊接的模型和参数，其余大量的计算和最佳设计方案的确定等方面都可以由计算机独立的完成，如此一来就可以大大节约了生产成本，缩短了研究的时间周期，具有良好的经济性。
随着计算机领域的研究成果不断更新，如今的有限元软件分析技术已经进入到非常成熟的阶段，如今，随着大量的有限元软件被不断地开发出来，它们已经可以解决绝大多数的焊接问题。其中SYSWELD软件正是其中的代表。
如今，中国的国力越发强盛，科学研发水平也在稳步提高，有些方面的研究成果已经接近国际先进水平。虽然在很多方面和日韩、欧美等国家相比差距依旧明显，不过相信在不久的将来，这些差距将不再存在。一大批商业化有限元软件的开发给了我们很大的发挥空间，我们应该以此为依托，不断的发展进步。
1.2 焊接应力与变形的国内外研究现状
1.2.1 国内外研究动态介绍
随着有限元技术的日益成熟，现在焊接有限元软件已经应用在焊接研究的诸多方面，主要包括：
1)焊接热传导分析；
2)焊接过程中的氢扩散；
3)对焊接产品性能的测试；
4)电弧物理；
5)焊接应力与变形；
6)焊接熔池流体动力学；
7)焊接接头的力学行为等。
1.2.2 国内外有限元软件模拟的发展现状
有限元软件的研究方法是利用数学物理模型将一个实体分解分一个个小的单元，分别计算每个单元上的参数，就像数学模型中的积分的原理。1970年初，日本的一些科学家以该数学模型为基础，通过大量的理论研究和实践，总结出了有限元模拟分析公式，使得以前很难量化的焊接参数以及焊接过程可以用该数学公式形象的表现出来。在此之后，他们继续投身于有限元模拟仿真的研究之中，最终解决了焊接过程中比较复杂的应力应变数据的采集问题。美国的H.D. Hibbit和P.V. Marcal应用有限元软件对焊接的残余应力进行预测并控制，并取得了成功。其后H.D. Hibbit等人又将目光转向了焊接变形领域，并获得了的收获。
中国对有限元软件的分析和模拟是开始于1980年左右，现在中国对于焊接应力与应变数值模拟其趋势为：运用三维软件建立建立精确的三维模型，之后
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