单轴对称焊接工字梁残余应力研究毕业论文(编辑修改稿)

单轴对称焊接工字梁残余应力研究毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

Son 和 N icken 首次在固体的热传递中应用了有限元技术；随着时间的进一步的推移，有限元的方法的到了上田辛雄得应用，其比前人前进的方面在与他考虑了在焊接过程中十分重要的问题就是钢材材料在高温下的非线性的变化过程，从此焊接热分析被推进到了塑性分析的阶段，大大使动态过程由繁到简；随着加拿大的 Poley 和 Hibbert 论文的发表，对焊接热过程的分析由原来的单单有限元的理论分析，发展为可以编制简单的程序，可以对一些截面 (矩形外 )、单双焊缝、各种坡口焊进行焊接；接下来 TTnouce，考虑了一些对焊接过程产生影响的温度因素和焊接温度场、应力场及其焊接过程出现的金属相变潜热耦合作用，并且构件在上述考虑条件下的焊接过程热的本构方程，为以后在这方面的研究的各位研究人士提供了很好的可以参考的资料 [15～17]。 国内对于焊接热的研究开始于唐慕尧 (西安交通 )等人，他们对薄板的焊接热过程的温度场的进行了分析，得到了其的温度随着焊接过程的分布规律，此规律符合了，焊接过程中温度的基本假设，即准稳态分布，并和已有的试验的结果对比分析，证明了该方法的正确性，并以此编写了焊接热分析的程序 [18 ]。 上面提到的程序的编写还是局限在线性计算，非线性的有限元分析由陈楚 (上海交通 )等人进行研究，在焊接热过程分析上有了一定的突破，他们考虑了各种在对焊接过程产生影响的重点问题，并且编写了相应的可以应用在静态动态热源和薄厚板件分析当中，虽然对焊接过程分析有向前推进了一步，但分析还停留在二维阶段，对大型和复杂的结构模拟还是无法和实际结果相符合 [19]。 二维分析的局限性，推动了焊接热分析向三维方面发展，但是，三维分析也面临着各种难题，有待解决，这些难题都是基于焊接本身各种因素的非线性的特点产生的，而不管是几 维问题都要急需攻克的一个关键点，就是收敛和精度效率问题，由于大的非线性使得整个计算过程收敛十分困难，计算时间过长，王建华 (上海交通 )和日本大阪大学进行了三维问题的研究探讨，就三维分析中的关键问题，收敛和精度效率问题加已分析，提出了一些解决的方法，而且对一些实例进行了实际的模拟分析，对三维分析还有待进一步的研究，以能在保证又快又准确的条件下，更好的模拟复杂构件 [202 2]。 热源的选取是焊接模拟过程中的关键的问题， 在以往的二维问题中应用高斯热源就可以很好的模拟，但对于在三维条件下，高斯热源有些时候就不能很好 的进行模拟，蔡洪能等人提出了热源模型双椭球运动电弧作用，应用节点热烩的判断方法，进行低碳钢 (A3 钢 )板试验中的焊接温度场中的温度分布进行分析，最终和试验中的结果的数据符合 [1 6,18 ]。 国内外的焊接残余应力研究的现状 起始于 20 世纪 30 年代的一些简单的试验的测量和数据的整理，开始了人们对焊接应力应变进行分析和研究，然后 50～ 60 年代通过研究人员理论经验和数据的不断积累逐渐的形成了一些在理论方面的权威理论作品例如梅兰和帕尔库斯的《由于定常温度场而产生的热应力》 [22 23]和帕尔库斯单独写的《非 定常热应力》[24]，全面的总结当时人们在焊接应力应变方面取得的一些进展。 起初对焊接应力应变的分析从一维的问题开始，应用图解法分析焊接过程，其中奥凯尔布洛母等人 (前苏联学者 )在分析中加进了温度变化对于材料属性的影响 [13]。 对于尺寸稍大的构件，仅仅的解析方法无法满足分析的需求，人们开始向计算机程序编写的方面推进，首次应用编写的程序模拟一维板中堆焊由 Tall 等人完成 [14]。 随着一维焊接应力应变的发展和完善，人们把分析逐步的向二维领域发展，70 年代初，对接焊和平板堆焊的二维应力应变分析程序就由 Iwkai 和 Muraki 编制完善，二维分析成为了可能 [13]。 这一年代的又一个突破就是对焊接过程的另一个关键因素的考虑，就是焊接过程中金属的熔敷产生的相变组织变化 [27]。 随着焊接应力应变理论基础的不断的完善， 80 年代，人们开始注重更深层次的研究，开始研究更加准确的焊接应力应变在分布上的趋势，通过一些计算数据，如 Josefson 等人定位焊和薄壁管件等焊接应力过程研究数据的分析，提出了一些精度更高的焊接应力分布趋势和一些消减焊接应力应变的方法和措施 [28]。 焊接应力应变的研究与计算机的发展密切结合，向着更加精 确和细致的方面拓宽，对影响焊接应力应变的因素考虑越来越多， 90 年代，焊接应力应变开始考虑焊接过程当中热源的辐射问题、焊接过程中金属熔化产生的熔敷现象和焊接构件和空气之间的热传递的问题， Mahin 等人在考虑了以上的因素的条件下，还考虑了温度场和应力场的耦合关系，选用实验的方法来矫正热源的分布趋势，计算出的焊接应力和用衍射中子得到的实验结果很好的得到了吻合； 接下来TTnouce，考虑了一些对焊接过程产生影响的温度因素和焊接温度场、应力场及其焊接过程出现的金属相变潜热耦合作用，并且构件在上述考虑条件下的焊接过程 热的本构方程，为以后在这方面的研究的各位研究人士提供了很好的可以参考的资料；焊接应力应变的分析由薄板向着厚板，单层焊接向着双层焊接方向发展，Shim 等人 (美国 )就在热弹塑性平面应变有限元理论下对多层焊接的厚板件实行了计算，并且比较了不同的焊缝形式 (坡口 )下的焊接残余应力，以此为依据，提 取了关于厚板的焊接残余应力的分布的趋势 [29]。 科技的发展总是由简单到复杂，二维焊接应力应变的完善，使得三维分析初见端倪， Chidiac(加拿大 )首次在厚板的应力应变中建立了三维的有限元的温度场分析模型，考虑了焊接过程中，由 于高温熔化，而导致的材料本身显微晶体组织的变化和生长。 近年来， ， ， 点焊焊前和焊后的温度场和应力场进行了 ANSYS数值模拟，得到随着焊接时间加长，焊缝周围的拉伸残余应力有减小的趋势，而随着焊接电压的升高，拉伸残余应力有加强的趋势 [30 ]。 Cleition Carvalho S ilva,Jesualdo Pereira Farias 等人用手工电弧焊对小管进行了对接焊，并用 X射线测量仪器进行测量，发现在相似的焊接参数条件下，残余应力得到两种结果，即可能很大，也可能很小，但是他们还没有确定到底是哪种参数的小改变导致焊接残余应力的不一致性 [31]。 ，得到焊接速度对焊接残余应力的影响最大，提高焊接的速度有助于降低焊接残余应力 [32]，此外，激光能量大小对焊接残余应力有巨大的影响。 Dean Deng和 Hidekazu Murakawa的结论是在薄板焊接过程中厚度方向几乎不存在温度梯度，利用大变形理论数值模拟结果与实验值比较吻合，而利用小变形 理论数值模拟与实验结果相差较大 [33]。 二十世纪 九十 年代，汪建华等人对焊接过程应用三维数值模拟，认为焊接温度场均属于典型的非线性瞬态热传导，探讨了影响收敛进度的因素算，并提出了若干解决计算精度的问题。 1996年，顾强陈和绍蕃，应用热弹塑性应力分析理论，有限元法计算了厚板焊接箱型截面的残余应力分布 [34]。 20xx年， 陈丽敏和陈思作，根据热弹塑性应力理论、有限元理论 ,用大型有限元软件 ANSYS对焊接工字型截面梁进行残余应力分析 ， 分析结果表明 ， 焊接残余压应力的分布与截面几何参数有关 ,为用有限元分析焊接工字型截 面梁残余应力提供了一种方法 [3 5]。 20xx年，北京大学的杨娜，龙丽华等人以有限元分析软件 ANSYS为工作平台 ,基于非线性板壳有限元理论 ,采用壳单元对轻型门式刚架中 H型钢楔形薄壁梁进行考虑双重非线性的全过程分析 ,分析了残余应力，对变截面和等截面 H型钢梁的相关屈曲性能的影响 ,残余应力的存在与否对构件相关屈曲性能影响很大 ,因此 ,在 H型钢楔形梁的相关屈曲分析中必须考虑纵向残余应力的影响，残余应力峰值越大 ,构件延性越好 ,但是同时极限承载力越低 [3 6,37 ]。 20xx年清华大学的杨文等人 针对钢板对接焊缝及腹板与翼缘角 焊缝连接的工字型截面梁，研究了焊接的温度场，残余应力分布及残余变形，并且通过有限元计算进一步研究了由于焊接残余应力的存在，热影响区内钢材受力性能的变化 [38]。 同年哈尔滨工业大学的张壮南等人 通过比较试验和有限元分析 ,研究了焊接残余应力对单轴对称工字形悬伸梁和连续梁的整体稳定承载力影响，并在其博士论文 [39 ]中采用截面法对焊接单轴对称工字形截面的残余应力分布进行了测量，根据实测值，建立了接近试验情况的单轴对称工字形截面残余应力分布模型 [11 ]。 同济大学的吴芸和张其林焊接铝合金构件残余应力试验研究 , 通过对测试数 据的分析整理 ,得出纵向焊接工字型截面构件残余应力的分布情况 ,为进一步总结焊接铝合金构件残余应力的分布规律及研究残余应力对构件承载力的影响提供了基础。 20xx年，西安建筑大学的冯艳辉在其硕士论文中分析了残余应力对焊接梁的影响 [9]。 20xx年清华大学的 班慧勇等 在残余应力实验研究中 提出了适用于 Q420高强等边角钢的较为准确和安全的残余应力分布模型和计算公式 [40]。 焊接残余应力数值模拟的发展趋势 利用计算机研究焊接应力和变形问题始于 20 世纪 60 年代，主要研究一维焊接应力的产生机制 [41 ]。 20 世纪 70 年代以来由于有限元技术的发展，数值模拟方法在焊接应力变形中的研究和应用日益广泛，但基本上是针对二维问题 [424 3]。 在大多数情况下，焊接应力变形是三维问题，特别是现代焊接结构越来越大型复杂化，而且还存在许多不确定因素 ,虽然有些可以简化为二维问题分析 [4 445 ]，但是在实际工程中真正可以简化的例子并不多，因此三维焊接应力变形模拟是必然趋势。 由于焊接过程的复杂性以及焊接结构三维数值模拟中自由度大、计算效率低、计算精度难以保证等特征。 通过近年来三维焊接应力变形数值模拟研究现状，取得的进展和现有关键问题的 分析可知，提高模拟计算的精度和效率是今后焊机模拟的关键问题 [40]： (1)采用合适的热源模型和动态可逆自适应网格生成技术可以减少网格和结点数目，在保证计算精度的同时，可大大提高运算效率 ,但其技术细节及准确性等迄今尚无报道； (2)通过适当调整材料高温性能参数有利于有限元解的收敛性，提高计算效率。 利用单元“死活”技术描述多层焊及焊缝金属的熔敷； (3)利用并行计算技术可提高焊接数值模拟的计算效率 ,开发高性能的并行程序和分布处理系统，是今后发展的趋势。 并行操作和高性能数据交换开关是分布式并行系统的开中重要的两 个方面； (4)在焊接物理模拟过程中采用相似理论可以有效减小模拟件的几何尺寸，减少结构的自由度和计算工作量，尽管结构的尺寸被缩小，位移、温度应力的结果也很好吻合，节省计算时间的目的没有达到，所以还需要进一步的简化模型。 应用有限元进行三维模拟还存在着这样或那样的问题 ,将三维焊接过程数值模拟技术广泛运用于工程实际，仍然需要进一步提高计算效率和保证计算精度。 课题的研究内容 本课题是单轴对称焊接工字梁残余应力数值模拟及整体稳定性分析，采用理论和有限元分析相结合 ,循序渐进的技术路线和步骤，主要研究内容如下 ： (1)建立可行的焊接工字形梁焊接处的三维温度场及残余应力的动态模拟分析方法。 (2)通过变化参数对单轴对称焊接工字梁进行数值分析，分析参数变化对焊后残余应力的分布规律的影响。 课题研究技术路线 本课题是单轴对称焊接工字梁残余应力数值模拟，采用理论和有限元分析相结合 ,循序渐进的技术路线和步骤： 首先收集资料进行理论分析，结合已有实验模型对构件作初步设计，勾勒出具体的模型， 应用 Ansys 中的热分析和静力分析 ,对所建模型进行三维有限元模拟，求出模型焊接残余应力的分布与实验结果相比较，验证分析的正确性。 然 后建立单轴对称焊接工字梁模型，计算模型在不同参数下的焊接残余应力的分布规律。 第二章 焊接过程有限元分析理论 焊接过程有限元分析特点 采用时间和空间有限元法，相同程度构件细节采用弹性构件分析，探讨焊接过程中，焊料和焊件之间的热 力关系、焊接残余应力应变，以下为焊接过程中应用有限元分析的特点 : (1)建立三维数值模拟模型，至少焊缝和焊缝附件是如此，用来考虑表面和内部由于冷却产生的不用影响； (2)温度场模拟是典型的瞬态非线性，材料的热物理属性与温度有关， 产生的温度梯度与时间和位置相关，但又是极不相同； (3)局部热产生的历史和力学的应力应变历史将决定局部焊接过程中材料的瞬态行为； (4)焊接过程中材料将发生熔敷以及凝固，将改变材料的显微组织而且在焊后将会改变构件的连接； (5)连续介质的概念将受到怀疑，因为可能在临界点发生缺陷和裂纹； 即使是现在，也无法很好的解决收敛和误差估计困难的难题。 另一个工业和加工过程中存在的问题是，在分析前需要确定的很多材料随温度变化的性能参数，现在高温下的性能参数数据非常少，基本属于空白状态。 焊接有限元模型的简化 焊 接过程是一个涉及到多个学科共同作用和多个物理现象的复杂过程。 如图。 从图 中我们不难看出，在焊接有限元分析中所要输入和输出的基本的参数。 并在分析中突出了相变对焊接过程的影响，焊接温度场应力场及显微组织之间的影响。 图 也可以简化为 ，强烈影响用实箭头表示，较弱影响用虚线箭头表示。