焊接变形的数值模拟及优化

Ｗｅｌｄｉｎ￣Ｔｅｃｈｎｏｌｏ￣ｖ　Ｖｏ１．３７　Ｎｏ．１　Ｆｅｂ．２００８　・焊接质量控制与管理・　４３　

文章编号：１００２—０２５Ｘ（２００８）０１－００４３－０４　

基于“局部一整体＂映射法的焊接装配变形数值仿真　

李娅娜　，兆文忠　，崔晓芳　

（１．大连交通大学机械工程学院，辽宁大连１１６０２８；２．清华大学机械工程系。北京１０００８４）　

摘要：焊接的非平衡加热、冷却过程导致产生焊接应力与变形，而焊接残余变形是影响结构设计完整性、制造工艺合理性和结构使用　可靠性的关键因素。本文基于“局部一整体”映射法，模拟了局部模型为Ｔ形接头角焊缝的局部塑性应变，并把结果用于薄壁箱形梁的　焊接装配变形数值仿真．同时对不同焊接顺序产生的残余变形情况进行了分析和探讨，并将预测结果与焊接工艺试验结果进行了对比　验证，二者吻合很好．从而为研究焊接顺序对大型焊接结构变形的影响提供了一种方法。　关键词：残余变形；　“局部一整体”映射法；数值仿真；ＳＹＳＷＥＬＤ　中图分类号：ＴＧ４０４：ＴＰ１５　文献标识码：Ｂ　

焊接是一个牵涉到电弧物理、传热、冶金和力学　

的复杂过程，准确预知焊接应力和残余变形的分布规　

律并加以调节和控制相当困难。其中，焊接结构残余　

变形一直是困扰人们的重要问题，它的存在不仅造成　

了焊接结构形状变异，尺寸精度下降和承载能力降低，　

而且也是造成焊接结构疲劳强度降低的原因之一Ｅ１］。　

目前，预测结构的焊接变形方法主要有经验法、　

解析法、热弹塑性有限元法、固有应变法、线弹性体　

积收缩法等［　。其中经验法和解析法对一些简单的焊　

接构件较为适用，对复杂的构件，计算起来非常困难。　

热弹塑性有限元法从原理上可以解决复杂焊接结构的　

变形问题，但需要大容量的计算机，且花费很长的运　

算时问，因而对于大型复杂的焊接结构即使可能也是　

不经济的。固有应变法是一种能相对比较经济地预测　

大型复杂焊接结构变形的方法，但固有应变法是以在　

生产经验上建立的假设条件为基础，通过优化工艺来　

ｒ蜉掳　熔焊工艺及应用专题乃　锄　。　

火＋高温回火的焊缝组织晶粒度约８．５级，组织细小　

均匀；经历了一次及二次高温回火的焊缝组织晶粒度　

约７．５级；经历三次高温回火的焊缝组织的晶粒度约　６．５级。正火＋高温回火下的细小均匀焊缝组织使得接　

头的综合性能最佳。高温回火并没有使得接头奥氏体　

化，而是使得接头在快速冷却中残留的奥氏体转变得更　充分，随着回火次数的增加，焊缝组织晶界逐渐清晰，焊　

缝马氏体组织在回火中逐步分解成碳化物，并且逐渐长　大，使得焊缝组织晶界得到强化，组织本身的脆硬性降　

低。所以材料的塑性、韧性得到提高，强度降低。　

３　结　论　

（１）正火＋高温回火热处理使得接头的组织、性　能得到均匀化，接头得到较好的综合性能。　

（２）多次高温回火热处理对接头的影响更多地表　现在对接头塑性及韧性的提升，对接头的强度影响不　

大。熔合线及焊缝组织品界逐渐清晰。　

（３）接头整体正火＋高温回火及接头多次高温回　火热处理只是实验室的探究试验。接头整体正火＋高　

温回火在工程应用时受条件所限无法实现，只适合配　管厂等有整体热处理条件的机构采用；接头多次高温　

回火热处理受相关标准规范限制，在实际工程中应用　需经过严格的焊接工艺评定后方能实施。　

参考文献　

［１］　丛相州，徐广信，魏骁，等．超超临界机组Ｐ９２钢管件的　国产化研究［Ｊ］．中国电力，２００７，４０（７）：１７—２Ｏ．　［２］　李文彬，姜运建，张文建．Ｐ９２钢焊接接头存在的问题及防　范措施［Ｊ］．河北电力技术，２００８，２７（２）：３５—３７．　［３］　杨建平，郭军，乔亚霞．超超临界机组用Ｐ９２钢焊接技　术的研究［Ｊ］．中国电机工程学报，２００７，２７（２３）：５５—６Ｏ．　［４］王根士，栗卓新，魏福军，等．Ｐ９２钢焊接接头性能及其焊　接材料研究进展［Ｊ］．机械工程材料，２００８，３１（８）：１—４．　［５］　李新梅，张忠文，杜宝帅，等．Ｐ９２钢回火组织与韧性研究　［Ｊ］．热加工工艺，２０１２，４１（１４）：１９０—１９２．　［６］刘福广，李太江，王彩侠，等．焊后热处理温度对Ｐ９２钢焊　缝显微组织和力学性能的影响［Ｊ］．动力工程学报，２０１１，　３１（１０）：８０３—８０８．　［７］　崔忠圻，覃耀春．金属学与热处理［Ｍ］．北京：机械丁业　版社．２００８：２７８—３０４．　［８］　田锡唐．焊接结构［Ｍ］．北京：机械工业出版丰十，１９９７：４７—　６１．　

基于ANSYS的焊接温度场和应力的数值模拟研究

一、本文概述

随着现代工业技术的飞速发展，焊接作为一种重要的连接工艺，在航空、汽车、船舶、石油化工等领域的应用日益广泛。然而，焊接过程中产生的温度场和应力场对焊接结构的性能有着至关重要的影响。为了深入理解焊接过程中的热-力行为，预测焊接结构的变形和残余应力，进而优化焊接工艺参数和提高产品质量，本文旨在利用ANSYS有限元分析软件，对焊接过程中的温度场和应力场进行数值模拟研究。

本文首先简要介绍了焊接数值模拟的意义和现状，包括焊接数值模拟的重要性、国内外研究现状和存在的问题等。随后，详细阐述了ANSYS软件在焊接数值模拟中的应用，包括其基本原理、分析流程、模型建立、参数设置等方面。在此基础上，本文以某典型焊接结构为例，详细阐述了焊接温度场和应力场的数值模拟过程，包括模型的建立、边界条件的设定、求解参数的选择、结果的后处理等。对模拟结果进行了详细的分析和讨论，验证了数值模拟方法的准确性和可靠性，为实际工程应用提供了有益的参考。

本文的研究不仅有助于深入理解焊接过程中的热-力行为，为优化焊接工艺参数和提高产品质量提供理论支持，同时也为ANSYS软件在焊接数值模拟领域的应用推广和进一步发展奠定了基础。

二、焊接理论基础

焊接是一种通过加热、加压或两者并用，使两块或多块金属在原子层面结合形成永久性连接的工艺过程。焊接过程涉及复杂的物理和化学变化，包括金属的熔化、凝固、相变以及应力和变形的产生等。因此，深入了解焊接过程的理论基础对于准确模拟焊接过程中的温度场和应力分布至关重要。

焊接过程中，热源将能量传递给工件，导致工件局部快速升温并熔化。熔池形成后，随着热源的移动，熔池中的液态金属逐渐凝固形成焊缝。焊接热源的类型和移动速度、工件的材质和厚度等因素都会影响焊接过程的温度场分布。为了准确模拟这一过程，需要了解各种热源模型（如移动热源模型、体积热源模型等）及其适用范围，并选择合适的模型进行数值模拟。

多层多道焊接残余应力与变形三维数值模拟

蹤雪梅;张贵芝;黄松;张立平;占小红

【摘 要】大型复杂焊接结构件的主要接头形式为平板对接,开展对平板对接多层多道焊接三维数值模拟研究十分必要.通过控制网格尺寸和边界条件进行优化来平衡模拟精度和计算效率的问题,并采用试验测量和MSC.MARC有限元模拟相结合方法分析焊接残余应力与变形趋势.结果表明,该多层多道焊接数值模拟采用位移约束和弹簧约束混和边界条件,在焊缝最大网格尺寸为2 mm时,计算效率和精度匹配效果最佳,有限元计算结果与试验测量结果吻合良好,证明该有限元模型的合理性.

【期刊名称】《电焊机》

【年(卷),期】2016(046)003

【总页数】5页(P117-121)

【关键词】数值模拟;多层多道焊;残余应力;变形;弹簧约束

【作 者】蹤雪梅;张贵芝;黄松;张立平;占小红

【作者单位】徐工集团 江苏徐州工程机械研究院,江苏徐州221004;徐工集团 江苏徐州工程机械研究院,江苏徐州221004;徐工集团 江苏徐州工程机械研究院,江苏徐州221004;徐工集团 江苏徐州工程机械研究院,江苏徐州221004;南京航空航天大学,江苏南京211106

【正文语种】中 文

【中图分类】TG404 在中厚板焊接中，考虑到熔宽及熔深大小的局限性，一般采用多层多道焊，而多层多道焊的模拟涉及到金属的逐步填充问题，这在数学建模上比较难以实现，这种情况下一般采用将模型简化为二维或者不考虑逐步填充，材料一开始就全部填入焊道的方法[1]。这些方法从不同程度上降低了模拟精度，都不太理想。

有限元计算中的单元“生死”技术提供了解决这种问题的一种方法。其原理是：首先在前处理时将这些单元“杀死”，即将它们的热物性参数变为很小的值，在保证刚度矩阵稳定的前提下，将这部分单元的作用减至最小，这样在实际计算中就相当于这部分单元不存在。然后在焊接过程中再根据焊接速度逐步将这部分单元激活，即将它们的热物性参数恢复原值，相当于这部分材料被逐步填充入构件[2]。这种技术在中厚板焊接数值模拟中得到了广泛应用[3-6]。