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基于ANSYS的焊接残余应力的有限元分析作者：余娟金建伟王光宋若愚
来源：《硅谷》2013年第19期
摘要焊接残余应力的降低了焊接件的刚度和稳定性，采用有限元分析软件ANSYS的热—结构耦合和单元生死分析功能对钢板焊接过程进行模拟仿真，分析焊接残余应力分布的规律，为复杂焊接结构的温度分析和应力分析提供一定的依据。
关键词焊接残余应力；热-结构耦合；单元生死；焊接结构
中图分类号：TG404 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2013）19-0068-01
焊接是现代工艺生产中广泛使用的一种金属连接的供应方法，它是利用加热和加压使分离的两部分金属靠的足够近，原子互相扩散，形成原子件的结合，这就是焊接的实质。焊接的优点是适用性广、工艺简单、可以生产有密封性要求的构件和可节约金属等。焊接后会产生变形和残余应力，产生的原因是焊接过程中进行了局部不均匀的加热。焊接残余应力的存在降低了焊件的载重能力，焊件变形则会改变结构尺寸和形状。因此，焊接变形和残余应力应该引起充分的重视。传统的焊接变形和残余应力的预测主要是采用试验和统计基础上的经验公式，不仅难度大和成本低，而且不能全面客观地模拟焊接过程。随着计算机仿真技术的发展，采用有限元分析法来模拟仿真焊接过程和分析焊接残余应力越来越方便准确。
有限元法不仅能用于结构分析，还能解决可归结为场问题的工程问题。它求解问题的基本步骤通常为：问题及求解域定义、求解域离散化、确定状态量及控制方法、单元推导、总装求解、联立方程组求解和结果解释。ANSYS是集结构、流体、磁场、电场、热分析、声场为一体的大型通用有限元分析软件。本文采用ANSYS软件的热分析功能中的热—结构功能。
1 焊接过程有限元分析理论
热分析计算的基本原理是把所处理的对象首先划分为有限个单元，然后根据能量守恒原理求解每一节点处的热平衡方程，由此计算出各节点温度值，继而进一步求解其他相关量。
2 有限元模型的建立
用坡口角度为60°的V型焊缝焊接两块钢板，钢板的尺寸为50 mm×30 mm×6 mm。焊接参数为：焊接电流为160 A，电压为26 V，速度为2 mm/s，有效加热半径为8 mm，有效加热系数为0.75。模型的初始温度设置为20℃，不同温度下的材料热物理性能参数如表1所示。
热单元类型选用Solid70，采用建立二维的映射网格，然后在通过拉伸建立三维有限元模型。由于焊缝处的温度变化较大，且是发生局部热塑性变形的区域，因此模型网格划分时焊缝