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1、数值模拟在焊接中的现状与应用本学期我们系统地学习了计算机辅助焊接工程这门课程。尤其是对ANSYS软件的学习对我们将来的工作会有很大的帮助，ANSYS有限元软件包是一个多用途的有限元法计算机设计程序，可以用来求解结构、流体、电力、电磁场及碰撞等问题。因此它可应用于以下工业领域： 航空航天、汽车工业、生物医学、桥梁、建筑、电子产品、重型机械、微机电系统、运动器械等。尤其在焊接中，也起到了很大的模拟分析作用。下面本文通过参阅相关书籍和网上资料对数值模拟在焊接中的现状及应用做简要论述。引言 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。由焊接产生的动态应力应变过程及其
2、随后形成的残余应力， 是导致焊接裂纹和接头强度与性能下降的重要因素。迄今为止， 焊接残余应力一直是人们关注的热点问题， 仍是焊接生产领域中迫切需要解决的问题。近年来，国内外学者对此进行了大量的研究，取得了丰硕的成果。国外对焊接残余应力数值模拟技术的研究进展 20世纪70年代初， 日本大阪大学的上田幸雄教授等人首先以有限元法为基础， 提出了考虑材料力学性能与温度有关的焊接热弹塑性分析理论， 导出了分析焊接应力应变过程的表达式，从而使复杂的动态焊接应力过程的分析成为可能。在此基础上又进行了深入的研究， 创建了“计算焊接力学”新兴学科，于近期即将出版相关专著。利用板壳理论，在分析平板对接过程焊接应力
3、的基础上， 提出了薄壁管对接环焊缝残余应力的计算方法， 并将计算结果与试验结果进行比较， 结果表明，计算值与试验值吻合较好。但该方法是作为二维应力状态模型得到的计算公式，对于厚壁管道的三维应力状态就不再适用了。Argyris等人于1978年又将管道对接环焊时的焊接应力问题进行了适当的简化， 即认为整个圆周上的焊接是同时作用在管道上的，将三维焊接应力问题简化为轴对称问题。由此，建立了轴对称的热弹塑性有限元模型，对304不锈钢管道环焊缝内外表面的残余应力进行了计算，计算结果如图7所示，内外表面残余应力与试验结果基本吻合， 说明此模型适用于预测管道环焊缝残余应力。之后， 他又对管道多层焊焊接应力进行
4、计算， 分析了管道和的不锈钢管道多层多道焊接时的残余应力产生机制，并与试验进行比较，计算结果与实际结果吻合较好随着对热弹塑性理论的深刻认识和有限元方法的广泛应用，德国学者 首先提出用热弹粘塑性组成的方程来分析焊接应力。接着，Chidiac对ASS1308不锈钢材料分析了由焊接时引起的晶粒生长规律， 并用热弹粘塑性方程来预测焊接热循环引起的残余应力， 结果发现纵向应力达到屈服应力值，而横向应力约为纵向应力的一半。 对C-Mn钢的多层焊接管道局部退火后的应力再分布进行了研究，发现局部退火后管子内壁的拉伸残余应力与均匀的炉内热处理时不同。加热宽度较小时， 焊缝中残余拉应力较大，只有当加热半宽L=15
5、0mm（板厚为22mm的情况）时局部热处理与炉内整体热处理的差别才能忽略。BYYDong建立了奥氏体不锈钢管道环焊缝的残余应力三维有限元模型。结果表明， 近缝区内表面轴向残余应力为拉应力，外表面为压应力；而环向内外表面的残余应力均为拉应力；管道壁厚对管道环焊缝残余应力的影响显著，薄壁管道焊后产生较小的轴向残余应力和较大的环向残余应力。瑞典的LKarlsson等也对薄壁管道的焊接残余应力进行了分析，计算中还考虑了材料性能的温度依赖性和相变膨胀的影响。LELindgren采用壳单元对平板对接焊缝和薄壁管道环焊缝的残余应力进行了研究。结果表明， 由于相变引起的容积变化使得环向压应力区从焊缝中心沿着轴
6、线逐渐减小。除起焊端外，残余应力近于呈轴对称分布。该结果与试验数据吻合较好，说明壳单元在分析薄壁材料焊接残余应力时， 具有实际意义。随着新型焊接方法的广泛应用，1997年，LELndgren等用三维热力耦合的有限元方法模拟了大型铜罐电子束焊接接头残余应力， 估计了由此引起的铜罐的蠕变损伤程度。该模型应用了一种新型自动重新划分网格的单元， 并与没有该功能的单元进行了比较。结果发现， 这种新型网格单元在不影响计算精度的前提下可以节省60%间。同时这种跟随热源移动的更精密的有限元网格可以更好地体现强烈的非线性热力效应德国学者Cizelj等采用非线性有限元方法计算了马氏体不钢电子束焊接和经过焊后热处理
7、的残余应力， 并考虑了相变的影响。结果表明， 经过适当的焊后热处理， 该钢电子束焊接接头的残余应力可以忽略不计。 Reed等针对航空航天中高整体焊接结构的特点，于1997年指出了研究焊接残余应力的必要性。在热力耦合有限元分析的基础上， 建立了一个描述电子束焊接的有限元模型。他采用三维热弹塑性有限元模型模拟了航空常用的ni基合金电子束平板对接接头残余应力，并与前人的试验结果进行了比较。结果表明， 除了焊缝中心处的横向残余应力外，其它残余应力的计算和试验结果基本吻合。TLnoue等人研究了伴有相变的温度变化过程中，温度、相变和热应力三者之间的耦合效应（图）， 并提出了在考虑耦合效应的条件下本构方程
8、的一般形式。对于热弹塑性问题所涉及到材料物理性能均可以根据各相的体积分数取其平均值。国内焊接残余应力数值模拟技术的研究进展国内在上世纪80年代开始了关于焊接热弹塑性理论及在数值分析方面的研究工作， 上海交通大学出版的数值分析在焊接中的应用对当时国内外的研究成果作了介绍。上世纪60年代以来，国内学者做了更加广泛深入的研究。汪建华等人首先对压力容器多层焊问题进行了研究，将其理想化为一个如图!所示的二维模型。计算所得各层焊后残余应力沿板厚的分布。可以看出，最大的残余应力总是位于最后焊层表面之下若干距离的区域。之后， 又采用热弹塑性有限元法分析了热压氮化硅扩散焊接引起的残余应力状态。比较了方棒试件三维
9、残余应力和圆棒试件二维轴对称残余应力的特征， 并探讨了不同过渡层的影响。结果表明，在靠近连接界面附近的陶瓷外表面存在轴向最大拉伸应力，其位置刚好与开裂处一致， 可以作为评定残余应力影响和选择最佳过渡层的一个指标。方棒试件残余应力水平比圆棒试件要高，其最大拉伸应力前者为后者的%N5倍左右. 西安交通大学的张建勋采用热弹塑性有限元法，应用有限元程序分析计算了Co基合金静叶片电子束焊接时的焊接工艺对焊接残余应力的影响。结果表明， 残余应力包括焊接本身产生的应力和由于构件约束限制焊接自由收缩变形而产生的约束应力。发现焊接方向和焊件的装夹方式对接头中的残余应力分布有较大的影响， 焊缝两端附近的残余应力分
10、布和焊接方向有关， 起焊端附近焊缝中心是拉应力，而在终焊端附近则是压应力。西安石油学院的李栋才等人采用弹塑性有限元方法对超载拉伸消除焊接残余应力过程进行了数值模拟，分析了一种拉伸载荷下的宽板和窄板两种模型的情况。结果表明， 拉伸载荷越大，残余应力消除得越好， 但是也不能只通过过分增大拉伸载荷来得到较好的残余应力消除效果， 而必须同时考虑材料的塑性储备、构件允许的变形量及构件允许的残余应力等，以防过量变形使构件脆断的危险性增大。天津大学材料学院的陈俊梅利用ANSYS软件对Q235钢十字接头的焊接残余应力进行了有限元计算。所得横向、纵向残余应力计算结果如图和图2所示。利用非线性分析有限元程序，对管
11、道环焊缝接头焊接残余应力进行二维和三维有限元数值模拟。在热弹塑性分析中考虑了材料物理和力学性能依赖于温度变化。通过焊缝单元“死活”选择，模拟了焊接热源的移动过程。表明，在管道接头内表面焊缝中心及近缝区轴向和环向残余应力均为拉应力；随着离开焊缝距离的增加，逐渐过渡为压应力。在管道接头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。计算预测值与实测值基本一致。凌泽民等采用ADINA程序计算了铍环电子束焊接接头的残余应力，结果表明，焊缝表面为压应力。陈芙蓉等利用ANSYS非线性分析有限元程序，对BT20钛合金薄板焊态和电子束局部热处理两种焊接接头的应力场进行了三维热弹塑性有限元分析。
12、与实测结果进行比较， 基本一致。在焊缝中心及近缝区，有限元计算结果比测量值大， 是因为钛合金材料性能与其它材料有较大的差异， 采用传统的平截面假设时会产生误差；而且，实际工件焊后有较大的角变形， 并伴有一定的失稳变形，使实际的残余应力得到了释放，使测量值偏小。焊接残余应力数值模拟的前景与展望如何调整和控制焊接残余应力一直是工程界广泛关注的问题，这是因为它们的存在直接关系到焊接结构的安全可靠性。在计算机日益发展的今天， 采用数值模拟方法预测焊接残余应力已经取得了丰硕的成果。如极厚板焊接残余应力分析以及为降低和调整管道结构焊后内表面残余拉应力所提出的许多焊接工艺与方法已经得到了应用。这些都是采用过
13、去常规的解析手段难以实现的。但这还远远不能满足科学研究和实际工程的需要。例如， 要用数值分析的方法控制实际复杂焊接结构的残余应力尚存在很多问题， 目前一个比较重要的问题是材料性能， 特别是高温时材料性能数据还很缺乏，给焊接残余应力数值分析带来了许多困难。因此， 建立相应的材料特性数据库，也会促进焊接残余应力数值模拟技术的发展。其次， 由于焊接应力场计算是属于包括相变、塑性、非线性等多方面因素影响的热弹塑性问题， 尤其是焊后冷却过程中发生的相变体积膨胀， 严重影响残余应力的分布。因此，在关于焊接残余应力数值分析中应该充分考虑到相变作用的影响。事实上， 已有的数值模拟研究成果已经使我们对复杂的焊接过程有了深入的了解， 为解决焊接残余应力带来了新思路和新方法。因此，我们有理由相信， 随着人们对焊接残余应力认识的深入和计算机技术的高度发展， 焊接残余应力数值模拟技术具有广阔的应用前景。计算机辅助焊接工程数 值 模 拟 在 焊 接 中的现 状 与 应 用 姓名：章敬庆 班级：成型081407班 学号：200814030034
