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1、辽宁工程技术大学毕业设计（论文）前言焊接是被焊工件的材质（同种或异种），通过加热或加压或两者并用，并且用或不用填充材料，使工件的材质达到原子间的键和而形成永久性连接的工艺过程。它广泛应用于造船、压力容器制造、石油化工等钢结构制造领域1。焊接现象包括焊接时的电磁、传热过程、金属的熔化和凝固、冷却时的相变、焊接应力和变形等。铝合金由于具有质量轻、力学性能好、抗腐蚀等优点而得到广泛应用2。铝合金工字梁作为基本铝合金构件, 其受力特性研究具有十分重要意义。在焊接结构中主要特点之一是构件在焊接过程中和焊后容易产生应力和变形。焊接残余应力和焊接残余变形不但可能降低结构的抗脆断能力、疲劳强度、抗应力腐蚀性，
2、而且在一定条件下影响结构的承载能力和安全性。因此在设计和生产时必须充分考虑焊接应力和焊接变形问题。焊接温度场通常是一个动态温度场。弧焊热过程决定了焊缝的宏观质量与微观质量，在焊接质量控制的研究中，表征弧焊热过程温度场的实时检测具有重要的意义。如果能够对焊接的过程做一个动态的模拟分析，将对实际的焊接具有重要的参考意义。而近年来，焊接数值模拟技术的应用加快了研究的进程，利用有限元模拟的方法可以快速并准确的预测焊接残余应力和构件的变形3-6。有限元方法也叫“有限单元法”或“有限元素法”，英文是：“FiniteElementMethod”。这种方法最初起源于结构分析，由结构力学的位移法发展而来的，其核
3、心思想就是分片逼近7。有限元方法诞生于20世纪中叶，随着计算机技术和计算方法的不断发展，已成为计算力学和计算工程学领域里最有效的计算方法，经过40年的发展不仅使有限元方法的理论日趋完善，而且已经开发了一批通用和专用的有限元软件，使用这些软件已经成功地解决了众多领域的大型科学和工程计算难题，并且取得了巨大的经济效益以及社会效益8。随着力学理论、计算数学和计算机技术等相关学科的发展，有限元理论也得到不断完善，成为工程分析中应用十分广泛的数值分析工具，特别是在现代机械工程、车辆工程、航空航天工程、土建工程中发挥着越来越大的作用，是现代CAE技术的核心内容之一9。MARC软件具有较为先进的接触分析功能
4、。一方面，MARC仍保留了传统的间隙摩擦单元来模拟结构两点之间的接触，其接触约束是通过拉氏乘子或罚函数方法施加的。另一方面，MARC软件提供了基于直接约束法的接触迭代算法，可自动分析变形体之间、变形体与刚体以及变形体自身的接触。当发生接触时，使用边界条件直接约束运动体，两者的运动约束转化成了节点自由度的约束和节点力的约束。在MARC程序中，不用提前指定参考单元，可以模拟复杂的接触，特别是对大面积接触，以及事先无法预知接触发生区域的接触问题，程序能根据物体的运动约束和相互作用自动探测接触区域，施加接触约束10。 随着计算机及有限元软件技术的发展，焊接有限元模拟技术将不断完善，其模拟结构也向着三维
5、化、整体化、精密化方向发展，焊接有限元模拟技术，相当于一个虚拟焊接过程，可以优化结构设计和工艺设计，便于采取必要和合理的工艺措施来控制、调整和减小焊接残余应力以及变形，从而提高焊接接头的质量，也可省去费时耗资的焊后热处理以及变形矫正等工序，因此可降低生产成本，提高生产效率。一旦能够实现对各种焊接现象的计算机模拟，我们就可以通过计算机系统来确定焊接各种结构和材料的最佳设计、最佳工艺方法和焊接参数11。近几年来，随着经济的不断发展对桥梁等交通设施的需求以及钢材、焊接、计算机、施工和制造等技术水平的不断改进，大跨径钢桥在我国得到了高速的发展。根据国内外文献资料，在对接接头的应力集中系数的有限元分析方
6、面研究最多12-14。T型接头和十字型接头应力集中系数的有限元分析方面也有研究15-17。在建筑工程中，工字形钢板梁应用十分广泛，但焊接时由于加热冷却不均，应力状态发生改变，容易出现焊接残余应力的问题。焊接残余应力的存在，会直接影响到钢结构的承载能力，为了保证焊接的安全可靠，准确的推断焊接过程中的力学行为和残余应力是十分重要的课题，目前对残余应力的研究理论分析方法尚不成熟，对于焊接残余应力，以往多是采用切割、钻孔等试验测量方法，不但费时费力，还要受到许多条件的限制，结果数据误差也会很大，随着有限元计算技术的日趋完善，应用数值模拟方法计算焊接残余应力克服了试验测量方法等缺点，并且在结构的设计阶段
7、，则可以通过有限元方法来模拟结构的细部受力状态，研究结构几何参数对应力集中的影响，从而能更好地为技术人员设计焊接工艺参数。本课题设计在总结前人的工作基础上结合数值计算的方法，采用MSC.Marc软件对工字梁焊接进行了有限元模拟的研究。对工字梁焊接过程中的温度场变化问题、焊接应力以及残余应力问题、焊接变行问题进行模拟，并对这个模拟的结果进行分析。1 工字梁焊接有限元模拟的相关知识1.1 铝及铝合金的性能 铝属有色金属，比重小，约为钢的三分之一，而铝合金的比强度却很大；铝的熔点低，但导热性强，热容量与熔化潜热也较大故焊接时要求热源的热量集中，才能保证焊透；铝的线膨胀系数大，约为钢的2倍，焊接时易产
8、生焊接应力与变形；另外，铝的导电性好，与氧具有很强的亲合力，在空气中极易氧化。根据化学成分与加工方法的不同，纯铝可分为高纯铝、工业高纯铝和工业纯铝；铝合金可分为变形铝合金和铸造铝合金，而形变铝合金又可分为热处理可强化与热处理不可强化两类，前者如锻铝、硬铝和超硬铝，后者如铝锰合金、铝镁合金（通称防锈铝）18。1.2 铝及铝合金焊接时存在的主要问题和钢相比，铝的导热率高，焊接时就需要高的热量输入。对大型截面焊接时，需要进行预热。当使用电阻焊时，和焊钢件相比，因铝具有高的导电率，所以需要较大的电流和较短的焊接时间以精确地控制焊接参数。由于铝是无磁性的，当用直流电焊接时，电弧不会有吹偏。因此，它可以用
9、作焊接挡板和夹具。铝及铝合金，暴露在空气中时，会很快形成一种黏着力强且耐热的氧化薄膜，由于氧化膜密度与铝的密度接近，也可成为焊缝金属的夹杂物。同时，氧化膜（特别是有MgO存在的不很致密的氧化膜）可吸收较多水分成为焊缝气孔的重要原因之一。在焊接前，必须仔细清除这层氧化膜，才能在焊接时保证基体和填充金属熔合良好；在钎焊时，钎料有很好的流动性。氧化膜可用溶剂去除，也可在惰性气氛下，由焊接电弧的作用去除，或者用机械的或化学的方法去除。由于其线膨胀系数较大，焊接变形及裂纹倾向也较大，焊接时需采取相应的有效措施。由于焊铝时的温度变化不会引起焊件颜色的变化，故焊接时操作有一定难度，需提高焊工的技术熟练程度。
10、铝及多数防锈铝合金焊接性好，但不少高强度铝合金焊接性不良，特别是容易在焊接过程中产生焊接裂纹现象。一般铝及铝合金的焊接常采用钨极氩弧焊（TIG焊）以及熔化极氩弧焊（TIG焊、MIG焊）等19。1.3 钨极氩弧焊（TIG焊）1.3.1 钨极氩弧焊的原理TIG焊是在惰性气体的保护下，利用钨极与焊件间产生的电弧热熔化母材和填充焊丝（也可以不加填充焊丝），形成焊缝的焊接方法。焊接时保护气体从焊枪的喷嘴中连续喷出，在电弧周围形成保护层隔绝空气，保护电极和焊接熔池以及临近热影响区，以形成优质的焊接接头。TIG焊分为手工和自动两种。焊接时，用难熔金属钨或钨合金制成的电极基本上不熔化，故容易维持电弧长度的恒定
11、。填充焊丝在电弧前方添加，当焊接薄焊件时，一般不需开坡口和填充焊丝；还可采用脉冲电流以防止烧穿焊件。焊接厚大焊件时，也可以将焊丝预热后，再添加到熔池中去，以提高熔敷速度。TIG焊一般采用氩气作保护气体，称为钨极氩弧焊。在焊接厚板、高导热率或高熔点金属等情况下，也可采用氦气或氦氩混合气作保护气体。在焊接不锈钢、镍基合金和镍铜合金时可采用氩-氢混合气作保护气体。1.3.2 钨极氩弧焊的特点TIG焊与其他焊接方法相比有如下特点：1）可焊金属多 氩气能有效隔绝焊接区域周围的空气，它本身又不溶于金属，不和金属反应；TIG焊过程中电弧还有自动清除焊件表面氧化膜的作用。因此，可成功地焊接其他焊接方法不易焊接
12、的易氧化、氮化、化学活泼性强的有色金属、不锈钢和各种合金。2）适应能力强 钨极电弧稳定，即使在很小的焊接电流下也能稳定燃烧不会产生飞溅，焊缝成形美观；热源和焊丝可分别控制，因而热输入量容易调节，特别适合于薄件、超薄件的焊接；可进行各种位置的焊接，易于实现机械化和自动化焊接。3）焊接生产率低 钨极承载电流能力较差，过大的电流会引起钨极熔化和蒸发，其颗粒可能进入熔池，造成夹钨。因而TIG焊使用的电流小，焊缝熔深浅，熔敷速度小，生产率低。4）生产成本较高 由于惰性气体较贵，与其他焊接方法相比生产成本高，故主要用于要求较高产品的焊接。1.3.3 钨极氩弧焊的应用TIG焊几乎可用于所有钢材、有色金属及其
13、合金的焊接，特别适合于化学性质活泼的金属及其合金。常用于不锈钢、高温合金、铝、镁、钛及其合金以及难熔的活泼金属（如锆、钽、钼铌等）和异种金属的焊接。TIG焊容易控制焊缝成形，容易实现单面焊双面成形，主要用于薄件焊接或厚件的打底焊。脉冲TIG焊特别适宜于焊接薄板和全位置管道对接焊。1.4 有限元法1.4.1 有限元法的发展有限元方法也叫“有限单元法”或“有限元素法”，英文是：“Finite Element Method”。 是一种将连续体离散化为若干个有限大小的单元体的集合，以求解连续体力学问题的数值方法。1）有限元法原理将连续的求解域离散为一组单元的组合体，用在每个单元内假设的近似函数来分片的
14、表示求解域上待求的未知场函数，近似函数通常由未知场函数及其导数在单元各节点的数值插值函数来表达。从而使一个连续的无限自由度问题变成离散的有限自由度问题。2）有限元法的发展有限元分析法是对于结构力学分析迅速发展起来的一种现代计算方法。近50年来有限元方法已经有了巨大的发展，其应用领域已从单一的结构分析扩展到温度场分析、电磁场分析、流体流速场分析及声场分析等许多领域。其分析问题的类型已从最初的线性稳态问题，如：平衡问题、特征值问题等，发展到顺态响应问题、非线性问题及多介质的耦合问题，如：振动响应问题、碰撞问题、塑性成形问题、声固偶合问题及流体与固体偶合问题等等。有限元方法虽诞生于20世纪中叶，但随
15、着计算机技术和计算方法的不断发展，已成为计算力学和计算工程学领域里最有效的计算方法，经过40年的发展不仅使有限元方法的理论日趋完善，而且已经开发了一批通用和专用的有限元软件，使用这些软件已经成功地解决了众多领域的大型科学和工程计算难题，并且取得了巨大的经济效益和社会效益。但是有限元法也存在一些缺点，它的计算量很大，计算周期比较长20。1.4.2 有限元软件MSC.MarcMSC.Marc/Mentat是国际上通用最先进非线性有限元分析软件，它是MSC.Software Coordination（简称MSC）公司的产品。MSC公司创建于1963年，总部设在美国洛杉矶，是享誉全球最大的工程校验、有
16、限元分析和计算机方针预测应用软件（CAE）供应商，也是世界最著名、最权威、最可靠的大型通用有限元软件MSC.Nastran的开发者。30多年来，MSC公司始终领导着世界CAE领域的发展方向。其产品作为世界公认的CAE工业标准，覆盖了工程仿真分析的各个方面，用户遍及世界100多个国家和地区的主要设计制造工业公司和研究机构。Marc公司一贯倡导用非线性有限元技术更为准确的模拟真实自然现象，解决从简单到复杂的工程实际问题。自1971年推出第一个版本以来，在三十多年中，Marc公司产品已历经几十次的版本升级。每一次版本的更新都溶入了当时最先进的非线性有限元分析技术和成熟的工程经验，这使Marc软件具有强有力的竞争力。Marc公
