q235厚板焊接残余应力数值模拟_毕业设计(编辑修改稿)

q235厚板焊接残余应力数值模拟_毕业设计(编辑修改稿)内容摘要：

类型为瞬态分析，求解方式为完全法，对焊件的底边和侧边分别约束 Y 向与 X 向位移并施加初始温度荷载。 施加约束后的模型如图所示。 图 施加约束后的模型 其具体步骤是： （ 1）设定分析类型，选择瞬态分析； （ 2）选择左边节点； （ 3）施加约束； （ 4）选择左右两边的节点； （ 5）施加温度约束； （ 6）选择所有实体。 载荷的施加 对于焊接热源载荷，在 ANSYS 中可以热流密度或生热率两种形式施加。 对于开坡口的对接焊缝或填角焊缝等，应将热源作为焊缝单 元内部生热处理，以生热率的形式施加载荷，同时考虑金属的填充作用，运用生死单元的方法，逐步将填充焊缝转化为生单元参与计算中。 图 施加约束后的第一级显示图 图 施加约束后的第二级焊缝显示图 对本课题研究模型加载过程具体步骤是： （ 1）设置输出选项； （ 2）对整体施加初始温度值（ 20℃ ）； （ 3）设置时间积分控制； （ 4）杀死焊缝上半部单元； （ 5）选择焊缝处的激活的单元和节点； （ 6）对焊缝处施加温度约束（ 1500℃ ）； （ 7）设置时间步选项并按步骤写入载荷，结构如图所示。 载荷 步的确定 在进行非线性的瞬态分析过程中，我们要设置载荷步。 载荷步是为了表达随时间变化的载荷，也就是说把载荷 —时间曲线分成载荷步，分析时对于每一个载荷步都要定义载荷值和对应的时间值，每计算一个载荷步时，都要删掉上一个载荷步的温度，每个载荷步需要多个载荷子步。 时间步长的大小关系到计算的精度。 步长越小，计算精度越高，同时计算的时间越长。 根据线性传导热传递，可以按如下公式估计初始时间步长： ITS  2 4 其中  为沿热流方向热梯度最大处的单元的长度，  为导温系数，它等于导热系数除以密度与比热的乘积（  k c )。 在本课题，受到硬件条件的限制，简化将焊接过程设置为 7 个载荷步。 单元的生死 大型构件的焊接常用手工电弧，若焊接方法为多道焊，因为焊接过程中，焊缝金属是随层逐渐熔敷上去的，熔池区金属处与融化状态，既进入零力学性能状态，其所有应力应变将消失，这时就需要采用生死单元技术 [25]。 在 ANSYS 软件中，并不是将“ 钉死 ‖的单元从模型中删除而达到 “ 单元死 ” 的效果，而是将其刚度矩阵乘 以一个很小的因子。 同样，单元的 “ 出生 ” 也不是将其加入到模型中，而是先生成再全部杀死，然后在合适的载荷步中重新激活它。 这又涉及到单元的 “ 杀死 ” 或 “ 出生 ” 的指定准则问题及相关问题。 为了模拟多层焊缝的焊接过程，本课题采用两级焊缝，建模时已经以圆弧形式将各级焊缝区分，当第一层焊缝开始焊接时，该层单元处于 “ 活 ” 的状态，其余焊缝则处于 “ 死 ” 的状 态，对温度场和应力场的计算不起作用，第 2 层焊缝开始焊接时，该层焊缝的单元 “ 复活 ”。 焊接热源随着焊缝单元的 “ 复活 ” 逐渐加到焊缝单元上。 本课题将第二层焊缝杀死后的效果如下图所示： 图 一级焊缝效果图 分析选项的确定 焊接温度场的分析是典型的非线性瞬态热传导问题，如果分析选项设置不当，通常会导致计算难收敛。 为此，需作如下设置 :采用 Full Newton Raphson(牛顿 拉普森 )方法，每进行一次平衡迭代，就修正一次刚度矩阵，同时激活自适应下降功能 ； 打开自动时间步长；打开时间步长预测 ； 时间步长的设置通常对计算精度产生很大的影响，步长越小，计算越精确，但过小的时间步长需要很大的计算机容量和很长的计算时间。 在焊接过程中一般时间步长应控制在 左右，在冷却过程中 ，可逐步增大时间步长。 本文在确保焊缝处单元网格足够细小的情况下，试选几个时间步长进行计算。 每次计算将前一次的时间步长逐步减小的方法进行，当相邻两次计算结果的温度场相筹不大时可以认为时间步长足够小 [26]。 ANSYS 中提供了 5 种求解器，选用哪种求解器可依据求解的自由度数量、所花费的时间和要求的内存而定。 对于焊接一般采用程序自动选择求解器的方法可得到比较好的计算效果。 ANSYS 的方程求解器计算多个联立线性方程来预测工程系统的响应，然而非线性结构的行为不能直接用多个线性方程表示，而需要多个带校正的线性近似求解。 3 模拟结果及 分析 ANSYS 后处理就是查询计算结果并对计算结果进行处理，用以判断网格是否精确、分析结果是否正确。 ANSYS 软件的后处理包括通用后处理 POSTI 和时间历程后处理 POST26 两大模块。 在后处理中，可查看整个模型在某一载荷步或子步的计算值，如某一时间点焊件上各点的各种应力、应变值和温度值。 而时间历程后处理则查看某点的值随时间变化的状况，如整个焊接过程中，某点的应力、应变值和温度随时间如何变化。 若要查看整个焊件在整个焊接过程中温度和应力的动态变化，可用 ANSYS中的动画显示技术。 在后处理中可通 过列表和绘图的形式显示查询结果。 ANSYS中的误差估计是基于能量分布的，它主要考虑了单元网格的尺寸精度。 一般计算结果中能量误差值应低于 10%，否则需将网格进行细化 [27]。 图 t= 时的温度场 图 t= s 时的温度场 图 t= 时的温度场 图 t=10s 时的温度场 图 冷却 5000 秒后的的温度场 温度场的数值模拟是应力应变数值模拟的基础，同时温度场的分布对应力应变的分布有着极大的影响。 图 ()图（ ） 是各个温度的瞬态变化图，依次描绘了各个关键时刻的温度场，能够反映在焊接过程中焊缝的融合区的金属通过加热，然后熔化和 随后冷却凝固的全部的过程。 可以说明焊接热过程具有的基本特点（ 1）加热区域小，加热温度高。 它造成焊件上各个点间出现很大的温度梯度，这可以从图片中两种的颜色的突变看出。 （ 2）加热时间短，温度分布不稳定；对于焊件的某一点而言，受到的加热作用时间极短，可视为一个瞬间 [28]。 即当焊接热源接近焊件上某一点的时候，热源的热量将使该点迅速加热升温，随着热源的离去，热量将导出而使其温度降低。 可见，焊件上的传热过 程是一个非稳定状态的传热过程。 图 ()和图（ ）是进行一级焊时候的温度场，可以看见焊缝区及其附近已达到融化状态；图 ()二级焊时的瞬态温度场，焊缝区的温度都已达到 1500℃ ，这是温度梯度比较大，可以很明显看出焊件正在加热，因为离焊缝远的部位还处于室温状态；图（ ）是焊件的冷却过程中的温度，可以看到焊缝区的温度逐渐降低，非焊缝区的温度逐渐上升，而且，随离焊缝的距离增大而减少，这表明焊接是热传导过程 .由于是同种材料的焊接过程则通过图 ()和图（ ）可以发现，在焊缝两侧温度分布是一样的。 应力场的模拟 图 t= 时的应力场 图 t= 时的应力场 图 t= 时的应力场 图 t=10s 时的应力场 图 冷却 5000 秒后的应力场 图 沿 X轴横向应力分布情况 图 沿厚度方向应力分布情况 应力场显示如上图（ ）至图（ ）：从图中可以看到各个点的某一时刻的瞬态内应力图，还可以看到一些应力集中的点（如图片中红色的位置），因为这些地方的内应力比较大，而且比较集中。 还可以看见焊件受温差作用而引起的热应力，这种瞬时热应力随时间急剧变化，当温度梯度较大、随时间的变化率较大时，这种瞬态内应力作用在焊件的内部。 对比温度场图（ ）、图（ ）和应力场图（ ）、图（ ）可以看出，此时第一层焊缝中心部位温度已 1200 度以上，其焊缝中心区金属钢受热不均匀所引起的热应力在焊缝中心区达到或超过了钢的屈服强度，则焊缝中心区域产生塑性变形 ，并且焊缝周围钢的受热膨胀受到两侧母材的拘束 ， 所以在焊缝周围也产生热应力；随着第二道焊的进行，由于对第一道焊加热，使得第一道焊的残余应力基本上被消除；在焊缝冷却过程中，由于焊缝的收缩，在接近焊缝的一个较窄的区域产生了拉伸应力，如图（ ）和（ ）所示；而通过图（ ）则可以发现，焊接残余应力分布是不均匀的，并且残余应力只是存在焊缝和近焊缝区 ， 则最大残余应力出现在熔化区附近，随着离焊缝的距离增大，残余应力逐渐变为零。 图 ()和图 ()分别表示 沿 X 轴方向的横向应力分布情况和沿厚度方向的应力 分布情况 ， 通过图可以得出 :焊接残余应力分布是不均匀的，焊后收缩趋势愈大的区域应力值愈大，既是在接近焊缝的一个很窄的区域内产生了拉应力 ， 其最大值可达到材料的屈服强度值；在其相邻区域产生压应力。 图 焊件铜上层表面的等效应力分布 图 焊件中间层的横向应力和等效应力分布图 图 焊缝钢下层表面的等效应力分布图 从图（ ）可以看出在曲线横坐标 X=（ ）这个区间为焊缝所在位置，其应力也最大，通过这个区间的应力峰值比较及图 ()与图（ ）两表面层应力分布可 以发现焊缝钢的上下层得残余应力是一样的，通过横向应力分布图（ ）还可以看出在焊缝区其应力值为正，表现为拉应力，在其他区域正为负，表现为压应力。 理论上在焊接过程中，焊接区以远高于周围区域的速度被急剧加热并局部熔化。 焊接区材料受热膨胀，热膨胀受到周围较冷的区域的约束，并造成热应力，受热区域温度升高后屈服强度极限下降，热应力可部分超过该屈服极限，这样焊接区形成了塑性的热压缩。 冷却后，焊接区比周围区域相对缩短，变窄或减小，因此，这个区域就呈现拉伸残余应力，周围区域承受压缩残余应力。 由图 ()至图 ()， 可看出应力变化规律和理论上基本上是一致的。 4 全文总结与展望 全文总结 本文对 Q235 钢 对接 接头焊接过程产生的温度场、应力场及焊后的残余应力进行了模拟研究，提出了基于 ANSYS 软件的焊接温度场 和 应力的模拟分析方法，通过本文研究，可以得出以下结论。 （ 1） 通过本文的实例的数值模拟，得出该种接头的温度场和焊缝应力的分布情况，得到残余应力在试件上的连续分布规律：在接近焊缝一个较窄的区域产生了拉应力，在其相邻区域产生压应力。 （ 2） 本文应用弹塑性热应力理论，并且考虑材料 热物理性能及力学性能随温度变化，用 ANSYS 软件分析 Q235 钢、钢的对接焊缝的残余应力，掌握影响接头残余应力的主要因素。 并提出了一些预防和减小残余应力的措施。 本文的工作还存在以下几点不足，有待于今后进一步改进 ： （ 1）受到硬件条件的限制，本文采用的是二维模拟，不能够完全真实的反映各个方向的温度分布和应力分布 ； （ 2）由于材料物理性能数据的缺乏，本文认为两种材料的线膨胀系数、热导率和比热容是定值，这给最后分析结果带来一定的误差 ； （ 3）没有考虑热源问题，在某一层施焊时，即认为给该层施加温度约束，而不是以热流 密度加载热量，这也会给结果带来一定误差 ； （ 4）本文的方法还没有很好的解决计算时间、存储空间与计算精度的矛盾； （ 5）本文的方法没有考虑高温蠕变和辐射； （ 6）本文的方法没有考虑熔池的流动对焊接温度场和应力的影响； （ 7）本文没有考虑对接接头的焊接顺序，认为是在正反两面同时施焊 ； （ 8）本文的实例计算结果没有进行实验验证。 未来的展望 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 [29][30]。 但是目前对焊接的残余应力的研究还不是很多，国内外 许多学者都越来越关注在焊接过程中所产生的残余应力的研究。 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。 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。