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1、甘肃畜牧工程职业技术学院毕业设计（论文）题目对接接头中I型坡口研究学生姓名： 张根根 系 别： 机 械 工 程 系 专 业： 材料成型与控制技术 学 号： 0903310209 班 级： 09.1 指导教师： 摘 要本文基于非线性有限元分析软件MSC.MARC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MSC.MARC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件对I型坡口平板对接焊的变形和残余应力影响因
2、素最小，从而指导实际工作。关键词：焊接模拟，MSC.MARC，约束条件，残余应力，焊后变形ABSTRACTBased on the nonlinear finite element analysis software MSC. MARC simulation platform, the article has simulated the joint of 5mm thick medium-carbon steel plate type, in different welding process parameters of the temperature field and stress fie
3、ld of the welding deformation and results. Using MSC. MARC 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 and the welding deformation in d
4、ifferent 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, MSC. MARC, Constraint conditions, the residual stress, welding deforma
5、tion.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MSC.MARC焊接模拟过程52.1 MSC.MARC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103.1 焊接工艺方案的确定103.2 温度场的模拟及分析113.2.1
6、 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
7、。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
8、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，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
9、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，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
10、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
11、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
12、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
13、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。在焊接领域，有限元法已经广泛的用于焊接热传导、焊接热弹塑性应力和变形分析、焊接结构的断裂力学分析等。经过多年的发展，有限元数值模拟技术已经成为焊接数值仿真的主流方法，因为焊接最为关心的是变形和残余应力的控制，而有限元方法在这方面有着明显的优势。近年来各种焊接模拟软件和有限元分析软件如ESI SysWeld 2009、SYSWELD、MSC.MARC等常用于焊接模拟分析中。其中，本文是基于MSC.MARC的研究。1.3.2 焊接模拟技术发展现状在计算机技术日益发展的今天，计算机模拟方法为焊接科学技术的发展提供了有利的途径。199
14、3年，美国能源部组织美国、加拿大、日本、瑞典等25为专家对21世纪焊接科学技术的发展动向作出预测，其中焊接基本现象的模拟和仿真被列为最重要的研究方向之一。我国国家自热科学基金委员会制定的学科发展战略也将计算机模拟确定为机械热加工的发展方向之一。近二十几年来，国内外都对焊接模拟技术在焊接中的应用进行了许多的研究，取得了不少的成果。如日本大阪大学的上田幸雄教授长期以来从事焊接热弹塑性的研究，创建了“计算焊接力学”的新型学科，并出版了焊接力学专著。焊接数值模拟主要是通过焊接热过程，焊接冶金和焊接应力应变三方面进行分析。焊接热过程分析包括焊接热源的大小和分布形式分析、热物理性能随温度变化的影响分析，焊
15、接熔池中的流体动力学和传热分析，焊接电弧的传热传质分析，以及各种实际焊接接头形式、焊接程序、焊接工艺方法的边界条件处理等。焊接热过程的数值分析开始于 20 世纪 70年代，1985 年樊丁和 M.Ushio 在假定电流为高斯分布的条件下，计算了电弧的压力场分布规律，建立了较完善的电弧传热传质数值模型。焊接热过程与熔池形态对焊接热过程和熔池形态有具体的分析和总结。焊接过程冶金分析包括焊接熔池中的化学反应和气体吸收、焊缝金属的结晶、溶质的再分配和显微偏析、气孔、夹渣和热裂纹的形成、热影响区在焊接热循环作用下发生的相变和组织性能变化，以及氢扩散和冷裂纹等的预测。 1.3.3 焊接模拟技术发展趋势目前，采用数值方法来模拟复杂的焊接现象已经取得了很大的进展，模拟技术已经渗透到焊接的各个领域，主要研究内容有：（1）焊接热传导分析（2）焊接熔池流体动力学（3）电弧物理（4）焊接冶金和焊接接头组织性能的预测（5）焊接应力与变形（6）焊接过
