焊接单元网格精度

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1、由于钛合金低重量、强度高、耐腐蚀性优异，又具有与先进复合材料在热学、电化学方面 的相容性，一直是航空、宇航工业上应用的重要结构材料。焊接作为钛合金加工中的重要 手段，在提高材料利用率、减轻结构重量、降低成本等方面有独特的优势，因此有必要研 究飞机结构修理中的钛合金焊接技术。 关键词：焊接、疲劳性能、残余应力、疲劳寿命 一、钛合金焊接的重要性疲劳断裂是材料在交变载荷（或应力）作用下发生的破损断裂。国内外研究表明，飞机结 构疲劳破坏是飞机主要破坏形式。早期设计的飞机只考虑静强度问题，直到上个世纪五十 年代，随着航空事业的不断发展，飞机性能不断提高，飞机的使用要求不断严格，飞机在 使用过程中疲劳破坏

2、与安全可靠性之间的矛盾逐渐暴露出来。焊接是一种运用（多种情况下为局部）加热或加压手段、添加或不添加填充材料将构件不 可拆卸的连接在一起，或在基材表面堆敷覆盖层的加工工艺。焊接技术广泛的应用于国民 经济的各个部门，如机械工程、桥梁工程、压力容器船舶工程、航空航天等领域。焊接结 构在现代工业中应用越来越广泛，无论是在航天领域还是在一般的工程领域，无论是小部 件还是大型结构，都在不断扩大焊接结构的比重。例如，飞机中央翼焊接下壁板是关键承 力构件，承受机翼传来的弯矩、扭矩、剪力和油箱压力的作用；在国外第四代战斗机中钛 合金含量已达到 40%左右。而对于钛合金焊接结构疲劳特性与寿命评估技术的研究则是为

3、实现钛合金结构在先进飞机上的合理使用，所必不可少的前提条件之一。二、焊接区域材料性能的确定焊接接头由焊缝、热影响区、母材组成，是一种非均质材料，各向异性。热影响区是焊缝 到母材的过渡区域，其材料性能也介于焊缝和母材之间。在焊接结构分析过程中，焊接接头材料性能的确定是一个很重要的问题，直接影响到分析 结果。从严格意义上讲，焊缝、热影响区都是各向异性的，但在现阶段的研究中，几乎全 将这两个区域材料看作各向同性材料来处理，这种方法虽然能够满足工程需要，但以理论 的眼光看显得相当粗略。在实际工作中，通常将焊接接头看作分块均匀介质。具体做法无外乎以下几种：（1）母材、 热影响区、焊缝具有相同的材料性能；

4、（2）母材和热影响区具有相同的材料性能，而焊缝 具有不同的材料性能；（3）母材、热影响区、焊缝具有不同的材料性能；（4）母材和焊 缝具有相同的材料性能，而热影响区具有不同的材料性能；（5）焊缝和热影响区具有相同 的材料性能，而母材具有不同的材料性能。国内外研究者采用上述方法对不同的焊接件进 行了研究。Z.L.Zhang，M.Hauge 等人在确定带缺口焊接件真实应力-应变曲线的拉伸试验方 法的研究中，将焊接接头看作由母材、热影响区和焊缝三个不同区域组成的各向异性体， 这三个不同区域的材料都为各向同性材料。国外研究者 M.C.BURSTOW 和 I.C.HOWARD 在焊 接件延性裂纹扩张的损伤

5、力学模型研究过程中，假设焊接接头由母材和焊缝两部分组成， 且这两个区域材料性能为各向同性体，取得了令人满意的结果。国内也有学者采用同样的 假设方法，对关于非均质焊接接头中 J 积分断裂判据进行研究，将有限元计算结果与实测 值进行了比较，并分析了产生误差的原因。国外的研究者曾经同时用上述几种方法对点焊接头进行了分析，显示了不同的材料区域分块方法对计算结果的影响，并讲计算结果与试 验所得真实数据进行了比较，结果表明对于此种材料在一定的焊接参数下所得到的点焊接 头,方法（4）的误差最小。三、焊接件疲劳性能的研究对焊接接头疲劳性能的研究是对焊接件性能进行评估的一个重要方面。这是由于应力集中 和具有较差

6、的材料性能，焊接接头经常是焊接结构中的最薄弱区域，此外，很难精确的确 定焊缝区和热影响区材料的性能。疲劳性能评估的方法总的来说可以分为两类：名义应力法和断裂力学的方法，由于焊接件 本身的结构特点，下面对适合于焊接件的评估方法进行了简单介绍。当前焊接件疲劳性能的评估方法基于经验和结构特征，即根据不同的焊接结构几何形当前焊接件疲劳性能的评估方法基于经验和结构特征，即根据不同的焊接结构几何形 状和加载状况，将焊接件进行分类。疲劳寿命用名义应力法进行评估，现阶段对于名义应状和加载状况，将焊接件进行分类。疲劳寿命用名义应力法进行评估，现阶段对于名义应 力的获得，大都采用结构应力或热点应力的方法，此种方法

7、简单的说就是通过焊趾附近距力的获得，大都采用结构应力或热点应力的方法，此种方法简单的说就是通过焊趾附近距 离焊趾不同长度处两点的应力值线性推广得到热点应力值。线性推广的方法有很多种，在离焊趾不同长度处两点的应力值线性推广得到热点应力值。线性推广的方法有很多种，在 用此方法时应该注意：用此方法时应该注意：（1）一般用没有偏移的理想的焊接接头进行有限元分析，应该用最）一般用没有偏移的理想的焊接接头进行有限元分析，应该用最 大主应力来表达热点应力；（大主应力来表达热点应力；（2）计算热点应力时，单元网格应足够精细，网格长度比不大）计算热点应力时，单元网格应足够精细，网格长度比不大 于于 3。用。用

8、20 节点块元时，单元大小为节点块元时，单元大小为 ttt（t 为板厚）为板厚） ，用，用 8 节点和节点和 4 节点板壳元时，节点板壳元时， 取取 tt 和和 0.5t0.5t；（；（3）用板壳元的表面应力作为热点应力。也有许多人采用由）用板壳元的表面应力作为热点应力。也有许多人采用由 0.4t 和和 1t 处的应力值进行线性推广的方法。处的应力值进行线性推广的方法。热点应力法在现阶段得到了广泛的应用，非常适用于对某一类给定结构的焊接件进行评估， 这种方法当然也有其局限性，那就是很难精确确定焊接结构的结构应力，计算结果经常受 到单元尺寸和载荷类型的影响。国外研究者 G.Savaidis 和

9、M.Vormwald 运用热点应力法对客车底部焊接结构进行了数值模拟 和试验研究，研究表明国际焊接学会关于简化焊接结构有限单元网格的方法具有足够的精 确度，热点应力法计算结果表明失效一般发生在焊趾或热影响区，与试验结果完全吻合， 同时作者也指出由于分析结果依赖于热点应力的定义方法，并不能将本文的研究结果推广 到一般的工程应用中去。国外研究者 P.Dong 提出了一种与单元大小无关的热点应力定义方 法，并用此方法对焊接接头的疲劳性能进行数值了模拟,取得了较好的结果。由于焊接接头的特殊结构，我们也可以用断裂力学的方法对焊接结构进行研究。一些研究 者提出了假设半径的方法，认为具有相同深度和圆角半径的

10、裂纹和缺口具有相同的疲劳极 限，此种方法假设断裂处缺口半径为 1mm，缺点是有限元模型的建立比较困难，假设半径 的引进对于某些焊接件几何形状的影响比较显著；国外研究者 V Dattoma 和 C Pappalettere 用缺口应力强度因子的方法对焊接结构疲劳强度进行了研究。国外研究者 David Taylor 等分 别利用上述两种方法对焊接试件进行了研究，并将试验结果与理论计算结果进行比较。四、残余应力金属材料在焊接时，焊缝及其附近局部区域的金属在热循环作用下，产生了复杂的拘束和压缩塑性变形，在随后的冷却过程中难以恢复。当冷却到室温后，可能有一部分热应力被 保留在接头中成为残余应力，同时也可

11、能伴随着产生收缩和弯曲等残余变形。焊接残余应 力分为薄板和厚板两种情况，多年来人们对残余应力的研究主要集中在薄板残余应力的测 量和分布。在实际中残余应力的获得可以用应力释放法、X 射线法等方法测量得到；如果 对精确度要求不太高，可以用工程估算方法计算得到焊接残余应力及其分布；随着计算机 技术的发展，用有限元法对焊接残余应力进行模拟是一种很有前途的计算残余应力方法， 此种方法结果精度比较高，但是有限元模拟过程是一个很复杂的过程，在焊接力学界，对 焊接过程的热传导和力学过程进行三维仿真已成为当今最具有挑战性的课题。残余应力和 变形的存在是影响结构或构件脆性断裂强度、疲劳强度、结构稳定性等的重要因素

12、，尤其 是对疲劳寿命的影响得到了广泛的关注。随着人们对残余应力的研究，发现焊接残余应力对焊接件的疲劳有明显的影响，尤其是对 于高周疲劳性能的研究更为明显。以往研究残余应力对疲劳性能的影响有两种不同的处理 方法。一种是所谓的平均应力观点，即把残余应力作为平均应力来处理，通过古德曼关系 等来估算残余应力对疲劳寿命的影响,也有人认为焊接残余应力对疲劳寿命的影响只与外加 载荷的应力幅有关。另一种是断裂力学观点，即认为残余应力的存在降低了构件的应力强 度因子，通过所谓的有效强度因子来估算残余应力对裂纹扩展速率的影响，从而估算焊件 的疲劳寿命。现阶段的研究，大多只是说明了残余应力的存在使疲劳寿命增加或者减

13、少， 很少有人对残余应力和外加载荷作用下的焊接试件疲劳寿命进行定量的计算。残余应力的存在经常减少疲劳寿命，随之而产生了许多消除残余应力的方法。常用的消除 残余应力的方法有热处理方法、振动时效方法、锤击方法、爆炸处理等方法。国内研究者 分别测定了经过热处理和没有经过热处理的焊接件的残余应力，发现经过热处理焊接试件 的残余应力明显减小。国内研究者用振动处理技术消除大型储罐接管焊缝的残余焊接应力， 对该方法的处理效果进行了试验研究，并与传统的热处理方法进行了比较，说明了对于储 罐接管振动处理的方法优于热处理。国内研究者建立锤击作用的有限元数学模型，利用该 模型对白口铸铁焊补时锤击消除焊接残余应力进行

14、实例分析。结果表明，在合适的焊接规 范和工艺下，锤击不仅能消除白口铸铁焊缝部位的应力，而且能够促进热影响区拉伸残余 应力的释放，甚至可以获得一定压应力值。国内研究者对爆炸处理消除奥氏体不锈钢焊接 残余应力前后焊接接头常规机械性能进行对比试验研究，发现爆炸处理在显著消除焊接残 余应力的同时，对材料机械性能影响不大。五、结束语钛合金焊接件在加工完成之后，通过在真空炉中进行退火处理，很大程度上减小了焊接残 余应力，又由于焊接结构件存在应力集中，使残余应力对疲劳寿命的影响程度减小，因此 认为应力集中区域是焊接试件的危险区域。焊接结构材料的性能是变化的，严格的说焊缝 区、热影响区、母材处的材料具有不同的性能，热影响区材料的性能界于焊缝和母材之间， 是材料性能的一个过渡区域，由于自身结构的特殊性，出现了焊缝与焊缝的交叉，这个区 域的材料由于在加工过程中反复受热，此处的材料性能与焊缝处不同。