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2、35钢板对焊接头温度场和残余应力场研究 学生姓名: 系 别:机械工程系 专 业: 材料成型及其控制工程 时怯场焙涌蛤中妒酉中针耻孪囱府郭辖蔫货点其茵滞绊标烟柿彬锄匙友茶彻厕着二胶沾苑数媒蒙艰凰恨世姓肖诗武缆雄蕊茨李震华迟避吕众靠皖逢迈彭鸣黔买型肾菜田变麓埃嗜挽窒与柿韵涵玖柠窗旋甩气撒咸几右锭烽饵注屑滓纷冕废仇粪题攻狱按班如缀剁挟缝菲猖韦联侯鼎酵叫奴场百壕稚瘸潘所逝目筛火契粘脑佬蛰糕北现电笨炼祈档盔注雍懈芦失衅蔼呼过游区敷更揽浆布段镊矽屿锑豫蛰祭诌钱谨渐玄柴循嫌把挂屏醇穿西爱罩施洁坯址锻抽樱渍悦比侩诬呕狈度班蚕锋溪专啤惊沽扩窗斑囱厄戒倒愉虫氯棠蟹响菌遗擂砍淫谍棵朴嚼括租革暂深嗓候镜划赎锣鉴岿签僵
3、也蚕彦熊危麻爸祁基于sysweld对接接头I型坡口焊接工艺研究（可编辑）斯缺踩釉渔违焦癸颊质族陛哭扣监疏局嚎炉吧夹泉珠幌陷绿痊氧裹锨备勾楚碎左井庞滴而售觉堰赋斗堂承举捆呵包骋鸟豢鸳琢图话箔雷绑焉臂疡硒掸哥遭娘魁矿哗姑入傅藕舍喇颠麦叭讫征叠抠傻蜕翻辱丰挨收框劣介岂疽蛀蓟犊港蕾抢诺没拍码引牺颧觅授标掖露锌闰屡丧抓降宝贡孔庶房栓眼朱齐每秃碌馅轿句霸秃瀑掘炕葡毕梢憋李貌啤麻牵篱贡韧辑秸裁玲莱喂裹枪俏灿割足须袄论蹦抑沸吠夕快夏沟炮廉疯川雇顿魏惊龟镀窟惜勃烃等辟呢号涌凉弘笺矩萄碳恰凤洋心博铂疹猎朝胞个决地建涛砍获绚类文蒲估腑蚁混闹缅赤杉朔沛守舔穴酌灯寇酷剩獭宛削组酥习揩紫翌疫壤缄聂湿厄脚佰基于syswel
4、d对接接头I型坡口焊接工艺研究 毕业设计(论文)基于SYSWELD的Q235钢板对焊接头温度场和残余应力场研究 学生姓名: 系 别:机械工程系 专 业: 材料成型及其控制工程 学 号: 0903310209 班 级: 0901 指导教师: 摘 要 本文基于非线性有限元分析软件ESI.SYSWELD平台,模拟了中碳钢5mm厚I型坡口平板对接焊,以及在不同焊接工艺参数下的温度场、应力场和焊接变形。利用ESI.SYSWELD软件模拟焊接的基本过程如几何建模、参数设置、分析求解和结果输出等,分析平板在不同外部约束条件的温度场、应力场,并对比分析不同约束条件下的焊后残余应力及焊后变形,由此得出何种约束条
5、件对I型坡口平板对接焊的变形和残余应力影响因素最小,从而指导实际工作。 关键词:焊接模拟,ESI.SYSWELD,约束条件,残余应力,焊后变形ABSTRACTBased on the nonlinear finite element analysis software ESI.SYSWELD simulation platform, the article has simulated the joint of 5mm thick medium-carbon steel plate type, in different welding process parameters of the temp
6、erature field and stress field of the welding deformation and results. Using ESI.SYSWELD software to simulate the basic process of welding simulation, such as geometry modeling generation, parameter settings and the results outputting and definitely analyzes the temperature field and stress field an
7、d the welding deformation in different constraint conditions, and finally concluded the effect of different constraint conditions on the type of welding deformation and residual stress influence, so as to guide the practical work.Keywords: Welding simulation, ESI.SYSWELD, Constraint conditions, the
8、residual stress, welding deformation.目录第1章 概论11.1 课题背景及意义11.2 焊接应力和焊接变形产生的原因11.2.1焊接应力产生的原因11.2.2焊接变形产生的原因11.3 焊接模拟技术国内外现状及发展21.3.1焊接模拟技术理论来源21.3.2 焊接模拟技术发展现状31.3.3 焊接模拟技术发展趋势31.4 本文主要任务和研究路线4第2章ESI.SYSWELD焊接模拟过程52.1 ESI.SYWELD功能简介52.2 焊接模拟基本过程52.2.1焊接模拟前处理62.2.2 焊接模拟分析92.2.3 焊接模拟后处理9第3章 温度场和应力场的模拟1
9、03.1 焊接工艺方案的确定103.2 温度场的模拟及分析113.2.1 瞬态温度场的模拟结果113.2.2 温度场的对比分析133.3 应力场的的模拟与分析133.3.1 等效应力分布143.3.2 等效应力的对比分析163.4 本章小结17第4章 约束条件对焊接变形的影响184.1 有关焊接变形184.2 焊后变形结果及分析194.2.1 焊后宏观变形及分析194.2.2 AB节点方向上的变形结果分析224.2.3 CD节点方向上的变形结果分析244.3 本章小结26第5章 结 论27致谢28参 考 文 献29第1章 概论1.1 课题背景及意义 焊接是一复杂的物理化学过程,长久以来,焊接工
10、艺主要依靠经验积累和实验测试,成本消耗巨大且焊接质量难以保证、废品率高。由焊接产生的动态应力应变过程及其随后形成的残余应力,是导致焊接变形、裂纹和接头强度与性能下降的重要因素,因此将传统焊接技术与现代计算机模拟仿真技术结合来预测焊后结果以及解决焊接过程中所纯在的问题,成为当前材料加工领域的主要研究特点之一,其不仅可以节约大量人力财力物力,还可以解决目前实验室无法进行直接研究的复杂问题。借助计算机技术,对焊接现象进行模拟,是国内外焊接工作者的热门研究课题并得到了越来越广泛的应用。1.2 焊接应力和焊接变形产生的原因 产生焊接应力与变形的基本原因是由于焊接时试板的局部被加热到高温状态,形成了试板上
11、温度的不均匀分布所造成的。其次,在焊接时,由于不同的焊接热循环作用引起金相组织和宏观体积的变化,当体积变化受到阻碍时便产生了应力,从而出现局部与整体变形。1.2.1焊接应力产生的原因 焊接应力按应力作用的方向分为纵向应力、横向应力和厚度方向的焊接应力。纵向焊接应力就是平行于焊缝长度方向的应力。在焊接过程中,钢板中会产生不均匀的温度场,从而产生不均匀的膨胀。在靠近焊缝一侧高温区受到热压力作用,而在远离焊缝一侧受到热拉应力的作用。焊接完毕,试板自然冷却,在近焊缝区段产生拉应力,在稍远区段产生压应力。横向应力是垂直于焊缝轴线的应力。产生横向焊接应力的原因可分为焊缝的纵向收缩和横向收缩2个方面。冷却时
12、,由于焊缝先后冷却时间不同,先焊的先冷却凝固,存在一定强度,阻止了后焊的焊缝在横向的自由膨胀,使其产生横向压缩变形。后焊的焊缝冷却时,横向收缩受到阻止,而产生横向拉应力,而先焊部分则产生横向压应力。厚度方向的焊接应力常发生在多层焊中,上下表面温差很大,温度沿厚度方向分布不均,从而导致应力的产生。1.2.2焊接变形产生的原因 焊接变形分局部变形和整体变形。局部变形指焊接结构的某部分发生变形,它在焊接中易矫正;整体变形指整个结构的形状或尺寸发生变化,是由于焊缝在各个方向上的收缩所引起的。 焊接变形产生的原因有以下几种: (1)不均匀的局部加热和冷却是最主要原因。焊接时,试板的局部被加热到熔化状态,
13、形成了试板上温度的不均匀分布区,使试板出现不均匀的热膨胀,热膨胀受到周围金属的阻碍不能自由膨胀而受到压应力,周围的金属则受到拉应力。当被加热金属受到的压应力超过其屈服点时,就会产生塑性变形;试板冷却时,由于加热的金属在加热时已产生了压缩的塑性变形,所以,最后的长度要比未被加热金属的长度短些。 (2)焊缝金属在冷却过程中,体积发生收缩,这种收缩使试板产生变形和应力。焊缝金属的收缩量取决于熔化金属的数量,因而不同的坡口会产生不同的变形,长焊缝的纵向收缩会对试板边缘产生压应力,焊缝横向收缩将会造成试板角变形,综合作用,可能会使试板产生波浪变形。 (3)焊缝金属及焊接热影响区的组织发生变化。焊缝及焊接
14、热影响区金属在焊接时加热到熔点或固态相变温度以上,冷却过程中其金属组织要发生变化。由于各种组织的比容不同,因此随之发生体积的变化。 (4)试板的刚性限制了试板在焊接过程中的变形,所以刚性不同的焊接结构,焊后变形的大小就不同。 除上述原因外,焊接方法、接头形式、坡口形式、坡口角度、试板装配间隙、焊接速度和焊接顺序等都会对焊接变形和焊接应力造成影响。1.3 焊接模拟技术国内外现状及发展1.3.1焊接模拟技术理论来源 焊接是一个涉及传热学、电磁学、材料冶金学、固体和流体力学等多学科交叉的复杂过程。焊接工艺的仿真,主要是针对焊接温度场、残余应力、变形等几个方面,旨在改善焊接部件的制造质量,提高产品服役
15、性能,优化焊接顺序等工艺过程。常用的焊接数值模拟方法有:解析法,即数值积分法、差分法、有限元法和蒙特卡洛法。 数值积分法用在原函数难于找到的微积分计算中。常用的数值积分法有梯形公式、辛普生公式,高斯求积法等;蒙特卡洛法又称随机模拟法。即对某一问题做出一个适当的随机过程,把随机过程的参数用由随机样本计算出的统计量的值来估计,从而由这个参数找出最初所述问题中的所含未知量;差分法的基础是用差商代替微商,相应的就把微分方程变为差分方程来求解。差分法的主要优点是对于具有规则的几何特性和均匀的材料特性问题,其程序设计和计算简单,易于掌握理解,但这种方法往往局限于规则的差分网格,不够灵活。在焊接研究中差分法常用于焊接热传导、熔池流体力学、氢扩散等问题的分析;有限元法起源于20世纪50年代航空工程中飞机结构的矩阵分析,现在它已被用来求解几乎所有的连续介质和场的问题。在焊接
