摘要中文摘要焊接是一个涉及到电弧物理、传热、冶金和力学等学科的复杂的物理化学过程焊接现象包括焊接时的电磁、传热过程、金属的熔化和凝固以及冷却时的相变、焊接应力和变形等等因为焊接过程的复杂性，所以很难通过实验的方法对焊接过程产热和应力分布进行研究借用计算机技术，对焊接现象进行数值模拟，是国内外焊接工作者的热门研究课题，并且得到了越来越广泛的应用本文运用有限元法( F E M ) ，对铝合金筒体结构的焊接过程进行研究，分析了焊接过程的热、力行为；探讨了结构焊接温度场、应力场的分布规律在阐述有限单元法基本理论和基本推导方程的基础上，以大型有限元分析软件A N S Y S 作为分析手段，建立全位置焊接移动热源的三维有限元计算模型，对筒体结构的焊接温度场进行动态模拟，并以瞬态温度场分析为基础，进行焊接残余应力的热弹塑性分析计算结果表明，简体内侧焊缝和近缝区的环向和轴向残余应力均为拉应力，随着离开焊缝距离的增加，由拉应力逐渐过渡到压应力在筒体外表面焊缝中心处的轴向残余应力为压应力，而环向残余应力为拉应力关键字：数值模拟；有限单元法；简体结构；温度场；应力应变；残余应力；残余变形A b s t r a c tA b s t r a c tW e l d i n gi sac o m p l i c a t e dp h y s i c o c h e m i c a lp r o c e s sw h i c hi n v o l v e si ne l e c t r o m a g n e t i s m ，h e a tt r a n s f e r r i n g ，m e t a lm e l t i n ga n df r e e z i n g ，p h a s e - c h a n g e ，w e l d i n gs t r e s sa n dd e f o r m a t i o na n dS Oo n ．B e c a u s eo ft h ec o m p l e x i t yo fw e l d i n gp r o c e s s ，t h er e s e a r c ho fw e l dp r o c e s sp r o d u c eh o ta n ds t r e s st h r o u g hm e t h o do fe x p e r i m e n ti sv e r yd i f f i c u l t y ．W i t ht h ed e v e l o p m e n to fc o m p m e rs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y , n u m e r i c a ls i m u l a t i o no fw e l d i n gp h e n o m e n ah a sb e c o m eah o tr e s e a r c ht o p i cd o m e s t i c a l l ya n da b r o a da n dh a sa l s ob e e np u ti n t ow i d eu s e ．F i n i t eE l e m e mM e t h o d ( F E l V Oi su s e dh e r et os i m u l a t et h et e m p e r a t u r ef i e l da n dt h er e s i d u a ls t r e s sf i e l di nt h eC a n i s t e rs t r u c t u r e s ，t oa n a l y s i st h eh o t ，s t r e s sb e h a v i o ri nw e l dp r o c e s s ．P r o b et h ed i s t r i b u t i o nm l eo fs t r e s sf i e l da n dt e m p e r a t u r ef i e l d ．O nt h eb a s i so ff i n i t ee l e m e n tt h e o r ya n df u n d a m e n t a le q u a t i o n ，A N S Y S ，a sal a r g eF E Ma n a l y s i ss o f t w a r eu s e dh e r e ，at h r e e - d i m e n s i o n a lf i n i t ee l e m e mn u m e r i c a ls i m u l a t i o ni sf o u n d e d ，t os i m u l a t et h et e m p e r a t u r ea n ds t r e s sf i e l do ft h i sk i n do fc a n i s t e rs t r u c t u r e s ．D i s t r i b u t i o n so fa x i a la n dh o o pr e s i d u a ls t r e s s e sa tt h ew e l da n dw e l dv i c i n i t yo ni n n e rs u r f a c eo fc a n i s t e ra r et e n s i l e ，a n dt h e ya r eg r a d u a l l yt r a n s f e r r e di n t oc o m p r e s s i v e 晰t l li n c r e a s eo fd i s t a n c ea w a yf r o mt h ew e l dj o i n t ．T h ea x i a lr e s i d u a ls t r e s s e sa tt h ew e l da n dw e l dv i c i n i t yo no u t e rs u r f a c eo fc a n i s t e ri sc o m p r e s s i v ew h i l et h eh o o po n ei st e n s i l e ．S o m ee x p e r i m e n t sw e r ec a r r i e do u tt ov e r i f yt h es i m u l a t i o nr e s u l t s ．K e yW o r d s ：n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ；F i n i t eE l e m e mM e t h o d ；c a n i s t e rs t r u c t u r e s ；t e m p e r a t u r ef i e l d ；s t r e s s —t r a i n ；r e s i d u a ls t r e s s ；r e s i d u a ld e f o r m a t i o nI I主要符号表主要符号表C p 定压比热，J I K g ‘。
CQ 焊接热源输入功率，WK 导热系数∥导热系数C ，液相比热，J ／K g ’固相比热，J I K g C，焊接电流，彳 K 热源集中系数 U 焊接电压，yg 重力加速度，．m l s 2h ，对流换热系数，W ／m 2 ．o C埘相变潜热J ／K gh 显热，J ／磁日混合焓，J I K g，电流密度矢量，A i m 3K 固体热导率，W i r e ‘C三熔化潜热，J I K gn 法向单位矢量P 压力，n￡电弧压力，ⅣI L tg 电弧热流密度，W I m 2，半径，m mJ ，s y s ：体积力，N丁温度，C瓦环境温度，cL 液相线温度，cZ 固相线温度，Cf ，X 方向切向单位矢量r Y 方向切向单位矢量a ∥a T 表面张力温度系数N I m ．Cf 辐射因子矿电弧热效率4 ，或，芝节点距离，m mA 拉格朗日修正因子缸，匈，止网格尺寸，m mx ，Y ，z 直角坐标独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤鲞盘堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。
与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意学位论文作者签名：1 讼弘多-签字日期：勿衍年／月哆日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解叁鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定 特授权鑫鲞盘茔可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘 保密的学位论文在解密后适用本授权说明)学位论文作者签名：) 讧≯专、签字日期：歹口移歹年r 月，哆日导师躲潭喜磷签字目期：夕9 艿年／，月fj 日第一章绪论1 ．1选题背景及意义第一章绪论筒体结构是一种广泛应用于石油、化工、能源和市政建设等国民经济的重要部门的结构件，属于一种典型的焊接结构筒体结构往往承担着传输石油、天然气以及易燃、易爆、有毒和具有腐蚀性酸、碱介质等任务，而且常常处在高温、高压、严寒等恶劣的服役条件下，因此筒体结构的安全运行与发展是关系到国计民生的大事，国内外都十分注重简体结构筒体结构普遍存在于管道、压力容器的工件中自7 0 年代以来世界管道工业发展十分迅速我国管道工业随着东西部油田的开发和利用，7 0 年代初期形成一个发展的高潮。
中间虽有若干年的停顿，但自9 0 年代以来，我国管道工业再次兴起，近几年先后建成陕京、库鄯、鄯乌、塔中至轮南的油气管道以及轮南至库尔勒的管线等在未来的5 ～1 0 年内还将建4 0 余条石油、天然气及煤粉浆长距离传输管线，敷设管道总厂度2 7 0 0 0 K m [ 1 1 为满足管道工业的快速发展，一方面，随着管道朝着长距离、大口径、高压力等方向的发展：另一方面随着近海和寒冷地区石油、天然气资源的开发，对其传送管道的安全可靠性和使用寿命也提出了更高的要求为此，要求制作管道的材料强度高、韧性好，具有良好的焊接性、抗断裂性和抗腐蚀性另外，对管道工业的工程质量要求也更加严格【2 J 管道结构在焊接生产、制造过程中，由于不均匀加热、冷却、相变、拘束条件和现场作业等原因，会在焊接接头内产生瞬态热应力以及残余应力和残余变形他们的存在，往往是形成焊接裂纹的重要因素，又是造成热( 动) 应变时效脆化的根源【3 1 ，在一定条件下会影响结构的强度、刚度及其使用寿命更为严重的是在某些情况下，他们可能导致管道的应力腐蚀开裂、早期疲劳失效和脆性断裂等突发性、灾难性事故，从而给生产、人身安全及社会带来巨大的损失。
例如，1 9 8 9 年前苏联的一条管线爆炸造成3 0 0 余人死亡，8 0 0 多人受伤的重大事故据美国统计，在1 9 7 0 “ - - - - 1 9 7 5 年间运行的管线共发生过2 5 4 9 次事故在我国也曾发生过多起事故6 0 年代，四川石油局一条1 4 K m 的天然气输送管线在3 ．9 M P a 内压仅1 ．5 小时就沿焊缝发生三次断裂1 9 7 4 年大庆至铁岭复线嫩江穿越段上，规格为G ' 7 2 0 x 9 m m ，2 K m 长的一段管线在试压至4 ．4 M P a 时，整个管线全部破裂、1 9 8 8 年9 月，新疆克拉玛依油田火一山输油管线，全长1 9 6 K m ，试压时发生多处渗漏，并伴有一处断裂估计在其他工业上广泛使用的各种筒体结构也曾发生过第一章绪论1 ．1选。