钢管相贯线焊接残余应力的有限元计算

1 前言焊接在工业中的应用是不言而喻的，但同时焊接过程中产生的残余应力往往又会导致焊接失效。

因此，在工业中一般都要对残余应力进行消除，但这种消应力处理往往在实际结构或环境中难以实现，就必须进行破坏性分析。

随着我国核反应堆的建设及运行，核级设备及管道会出现较多的缺陷，有的缺陷必须进行打磨后焊接修复，同时要进行力学分析评价，此时，力学分析就必须考虑由焊接而产生的残余应力。

对于焊接后结构中的残余应力大小及分布，会因结构形式、焊接方式及材料特性的不同而不同。

某核电站控制棒驱动机构（CRDM ）耐压壳上部Ω环连续两年都出现了泄漏，并在检修期间进行焊接修复。

焊接公司委托美国公司对修复后的结构进行了力学分析和评定。

焊接残余应力的有限元计算是关键技术之一，也是难点。

通过本课题的研究，掌握有限元模拟焊接过程及残余应力计算，能够提高我国焊接修复工程缺陷的分析能力，优化不符合项的处理程序，达到既节约时间和资金又满足工作性能和安全性能的目的。

因此，进行焊接残余应力有限元分析技术的研究是非常有必要的。

2 焊接实例本文以某核电站CRDM 耐压壳Ω焊接为研究对象，分析研究焊接后的残余应力分布。

CRDM 耐压壳包括上段是驱动杆行程套管和下段的密封壳。

驱动杆行程套管与密封壳采用螺纹连接，Ω焊接密封的结构进行连接和密封。

驱动杆行程套管的上端采用端塞，通过螺纹连接，Ω焊接密封的结构进行密封。

CRDM 耐压壳采用的这种密封结构形式是一种便于拆装的焊接密封结构，由于其内力的整体平衡主要由连接螺纹承担，Ω焊缝功能上主要起密封作用。

其结构及尺寸见图1 和图2。

图1 辐照监督管位置图图2 密封焊缝的结构尺寸图对CRDM 耐压壳上的Ω密封焊缝的修复采用OVERLAY 修复技术。

即在出现泄漏的Ω密封焊缝（CSW ）处，经打磨后用GTAW 方法堆焊INCONEL 52 。

从采用OVERLAY 技术修复CRDM Ω密封焊缝的总报告[1]可知：（1）堆焊两层，每层厚度为2.032mm（0.08in ），总厚度为4.064mm（0.16in ）。

建筑钢结构焊接残余应力的有限元预测与控制3篇建筑钢结构焊接残余应力的有限元预测与控制1建筑钢结构焊接残余应力的有限元预测与控制建筑钢结构作为施工中常用的一种结构材料，在工程中扮演着至关重要的角色。

随着工程结构的不断复杂化和精度的提高，建筑钢结构在建设中所遭受的挑战也越来越多。

其中，建筑钢结构焊接残余应力的问题已经成为制约其使用的重要性问题之一。

焊接残余应力会导致结构失去平衡、刚度降低、易发生疲劳断裂和变形，甚至引发塑性坍塌等重大事故，因此建筑钢结构焊接残余应力的预测与控制显得十分必要。

有限元方法是当下理论分析的一种重要方法，它将一个复杂的结构分割成有限个单元，用数学模型对每一个单元进行分析。

通过运用计算机模拟技术，可以对建筑钢结构焊接残余应力进行有限元模型计算，既能够确定焊接残余应力的大小和分布情况，也可通过改变焊接工艺和条件的相应参数，从而实现焊接残余应力的控制的目的。

建筑钢结构焊接残余应力的预测与控制，离不开正确的计算方法和理论支持。

首先需要标准化设计和施工操作，遵守焊接规范和标准，保证焊接工艺符合设计和建设要求。

同时还应根据工程实际情况进行参数分析和优化设计，确保结构牢固、稳定，最大程度地减少焊接残余应力对建筑钢结构的危害。

对于建筑钢结构的设计者和工人而言，掌握一定的实际技能及理论知识显得尤为重要。

他们需要对材料的物理特性和焊接工艺进行充分了解，熟练掌握相关的计算方法和理论，从而能在实践中发挥更大的作用。

在建筑钢结构施工过程中，应配备专业焊接技术人员，使用适当的材料和设备，采用有效的检测和控制措施，来降低建筑钢结构焊接残余应力的风险。

总之，建筑钢结构焊接残余应力的有限元预测和控制是现代建筑工程中一项非常重要的技术，它对于保障人民生命财产安全起到了至关重要的作用。

随着建筑行业的不断发展，有限元方法也将不断完善，我们有理由相信，通过我们的不懈努力，建筑结构焊接技术必将取得更好的发展与应用在建筑钢结构焊接工程中，焊接残余应力是一个非常重要的问题。

文章编号:1003-4722(2009)04-0028-04钢桥整体节点焊接残余应力三维有限元分析瞿伟廉,何　杰(武汉理工大学道路桥梁与结构工程湖北省重点实验室,湖北武汉430070)摘　要:钢桥整体节点最常见的问题是焊缝处出现疲劳裂纹,焊接残余应力是重要影响因素之一。

在大型有限元软件ANS YS 的基础上,开发了相应的焊接程序,选用三维实体单元,考虑材料物理性能随温度和相变的影响,采用内部生热的加载方法模拟焊接热源的移动,运用单元生死技术模拟多道焊过程,获得了焊接温度场和应力场的动态变化过程,并对计算结果进行了分析。

关键词:钢桥;桁架桥;整体节点;焊接残余应力;温度场;应力场;有限元分析中图分类号:U448.38文献标志码:AThree 2Dimensional Finite E lement Analysis of Welding R esidu al Stress in Integral Panel Point of Steel B ridgeQU Wei 2lia n ,He J ie(Key Laboratory of Roadway Bridges and Structural Engineering of Hubei Province ,Wuhan University of Technology ,Wuhan 430070,China )Abstract :The most common p roblem of t he integral panel point of a steel bridge is t he fa 2tigue cracks occurring at t he welding seams of t he point and t he welding residual st ress is deemed as one of t he important influential factors t hat causes t he cracks.On t he basis of t he large 2scale finite element software ANS YS ,a corresponding welding program was developed.The internal heat generation loading met hod was first used to simulate t he moving of t he welding heat source t hrough selecting t he t hree 2dimensional solid element s and taking into account of t he p hysical properties of materials changing wit h t he temperat ures and p hase t ransformation.The birt h and deat h technique was t hen used to simulate t he p rocess of t he multi 2pass welding and t he dynamic change p rocess of t he welding temperat ure field and st ress field were obtained.Finally ,t he re 2sult s of t he calculation were analyzed.K ey w ords :steel bridge ;t russ bridge ;integral panel point ;welding residual st ress ;temper 2at ure field ;st ress field ;finite element analysis 收稿日期:2009-05-05基金项目:国家高技术研究发展计划863项目资助(2007AA11Z119)作者简介:瞿伟廉(1946-),男,教授,博士生导师,1967年毕业于同济大学应用力学专业,1981年毕业于武汉工业大学工民建专业,工学硕士(qwlian @ )。

玻璃与金属焊接残余应力有限元模型模拟计算分析董为勇;倪嘉;吴可凡;彭小波【摘要】为获得焊接接头中的残余应力,该文利用有限元软件ABAQUS模拟了玻璃-金属焊接过程,进一步分析了接头长度、角度及焊接夹具压力对玻璃与金属焊接性能的影响.通过模拟焊接后的残余应力,分析焊接接头微观组织及宏观力学的性能,对玻璃—金属焊接工艺参数进行了优化.【期刊名称】《建材世界》【年(卷),期】2016(037)005【总页数】5页(P35-39)【关键词】残余应力;玻璃与金属;有限元模型【作者】董为勇;倪嘉;吴可凡;彭小波【作者单位】浮法玻璃新技术国家重点实验室,蚌埠 233000;浮法玻璃新技术国家重点实验室,蚌埠 233000;蚌埠市第二中学,蚌埠 233000;浮法玻璃新技术国家重点实验室,蚌埠 233000【正文语种】中文玻璃浮球是一种独特的、可靠的、经济的可在海洋环境下为电子设备提供存储介质以及浮力的产品。

先进的装配技术和真空封闭方法可以保证深海玻璃浮球的高品质和更长的使用寿命。

对于频繁打开的浮球需要在玻璃表面安装金属真空接口用于打开或者关闭球体。

但玻璃与金属的焊接还存在许多问题，主要是由于玻璃与金属之间物理、化学性能差异较大；特别是两者之间热膨胀系数的差异，导致接头处力学性能不合理、易产生较大的残余应力、接头的强度也会下降，从而影响了焊接接头材料的机械性能[1]。

为了防止焊接裂纹的出现、保证结构的安全使用、准确地了解焊接残余应力的大小和分布规律，以便调控残余应力和减少变形，这已成为了一个极为重要的课题。

因此，我们采用了热弹塑性分析方法来计算热应力和应变。

热弹塑性分析是通过借助有限元法，紧密跟踪整个焊接过程的热应变历史，以计算材料的热应力和应变[2]。

采用此方法，可详细掌握整个钎焊过程中残余应力演变的规律、熟悉残余应力形成机理，从而控制和降低残余应力、优化焊接结构。

该文利用有限元软件ABAQUS，对高硼硅玻璃与可伐金属的真空钎焊残余应力进行热弹塑性分析研究。

第37卷　第2期2004年2月天　津　大　学　学　报Journal of Tianjin U niversityVol.37　No.2Feb.2004双相不锈钢管道焊接残余应力参数的数值模拟Ξ金晓军1,霍立兴1,余昊明1,白秉仁2,李晓巍2,曹　军2(1.天津大学材料科学与工程学院,天津300072;2.中国海洋石油股份有限公司,天津300452)摘　要:焊接残余应力一直为人们所关注,其大小和分布与焊接热源、接头形式和材料性能等多种因素有关.作者利用热弹塑性理论为基础的有限元数值模拟技术,对SAF2205双相不锈钢管道接头环焊缝残余应力进行有限元数值模拟,得到了管道内外表面残余应力的分布规律,即,在管道的焊缝及近缝区,内表面轴向残余应力是拉伸应力,外表面轴向残余应力是压缩应力,而内外表面环向残余应力都是拉应力;研究了不同的焊接线能量、管内径与壁厚比值R i/d和多层焊对焊接残余应力的影响.结果表明,残余应力受焊接能量变化的影响不大,外表面残余应力和内表面轴向残余应力都随着壁厚增大而增大,多层焊的残余应力有不同程度降低.关键词:双相不锈钢;残余应力;有限元;数值模拟中图分类号:TG404 文献标志码:A 文章编号:049322137(2004)022*******Numerical Simulation of Parameter of R esidual Stresses onButt2Welded Duplex Stainless Steel PipesJ IN Xiao2jun1,HUO Li2xing1,YU Hao2ming1,BA I Bing2ren2,L I Xiao2wei2,CAO J un2(1.School of Materials Science and Technology,Tianjin University,Tianjin300072,China;2.China Offshore Oil Engineering Limited Company,Tianjin300452,China)Abstract:The problem of the welding residual stresses always draw wide attention.The distribution and mag2 nitude of residual stresses relate to several factors such as thermal source,joint shape and material property,etc.In this paper,circumferential bett2welding of SAF2205duplex stainless steel pipe was simulated numerically based on a non2linear thermo2mechanical finite element2analysis.The residual stress distributions were obtained.The axial and the hoop residual stresses at the weld and weld vicinity on inner surface of pipes are tensile,while those on outer surface of pipes are compressive and the hoop one is tensil.Effects of weld line energy,ratio of in2 ner radius to wall thickness and multi2pass weld on residual stresses were further investigated.The results show that the line energy has small influence upon the residual stresses within practical applications.The thicker walled pipes have more residual axial stress and a larger zone of tensile pared with single pass,the peak value of residual stress by multi2pass welding decreases to different extent.K eyw ords:duplex stainless steel;residual stress;finite element;numerical simulation 双相不锈钢具有奥氏体和铁素体混合组织.奥氏体的存在降低了高铬铁素体的脆性、氢脆和晶粒长大倾向,提高了可焊性和韧度.而富铬铁素体则又提高了奥氏体的屈服强度、抗晶间腐蚀和应力腐蚀能力[1].因其具有良好的综合性能,故被广泛用于近海结构、石油和天然气的管道输送.管道结构在焊接生产中,由于不均匀加热、冷却、相变和拘束等原因,会在焊接接头内产生瞬态热应力以及残余应力的变形,往往形成焊接裂纹,又造成热(动)应变时效脆化[2].这将严重降低结构的强度和疲劳寿命,并加速裂纹的扩展破坏,所以焊接残余应力一直为人们所关注. 根据实际焊接工程的设计要求,希望得到比较理想的焊接残余应力和所能承受的变形结果.同样可以借助有限元数值模拟技术预测结果,并与设计要求进行比较.如果符合设计要求,证明所制定的焊接工艺参数和工艺规程等合理,可以投入实际生产;否则,可以Ξ 收稿日期:2002210215;修回日期:2002212231. 作者简介:金晓军(1978— ),男,博士研究生.通过修改有关工艺参数和采取特别措施等,重新进行“数值实验”,为寻求更合理的焊接工艺参数和相关的材料及性能设计等提供可靠的理论依据.1　基本理论1.1　温度场计算 在进行温度场有限元分析中,首先把求解域离散化,即把求解域分割为有限个多边形(称之为单元),在每个单元上选择某些节点.以节点的温度作为基本未知量,建立起单元温度插值函数,并以单元的节点温度来表示单元内任意点处的温度.整个求解域由有限个离散单元来代替,而在整个求解区域上连续的温度函数θ(x,y,z,t)也将由有限个单元的温度插值函数所取代.这样就把求解整个区域上连续分布的温度函数问题转化为求解有限个单元节点的温度问题. 假设由一封闭曲面S所围成的物体,初始温度为θ(x,y,z),在其曲面各部分上,分别承受对流、辐射、热流输入和表面温度已知的边界条件,则求解该物体的温度场可以归结为寻找满足下列微分方程和定解条件的温度分布函数θ.其控制方程为 99x(k x 9θ9x)+99y(k y9θ9y)+99z(k z9θ9z)=-q B式中:k x、k y和k z为对应x、y和z方向的导热系数; q B为热流强度,也就是用内部热源所表示的每单位体积的热生成率.1.1.1　自然边界条件 考虑自然边界条件如下所述. 1)在对流边界S c上,有 k n 9θ9n=h(θe-θs)(1)式中:h———对流系数,它与温度有关;θe———流体的平均温度;θs———固体表面的温度. 2)在辐射边界S r上,有 k n 9θ9n=k(θr-θs)(2)式中:k———辐射系数;θr———辐射流的温度. 3)在热流边界S z上 k n 9θ9n=q s z(3)1.1.2　初始条件 在瞬态分析中必须给出初始时刻的温度分布,即 θ|t=0=θ(x,y,z)(4)当进行稳态分析时,q B=q B表示单位体积的热生成率;当进行瞬态分析时,q B=q B-C(9θ9t)表示包括比热影响在内的单位体积的热生成率.1.2　热应力基本理论 材料性能依赖于温度的应力2应变关系式为 d{σ}=D{dε}-{C}d T(5)考虑构成整个物体的某一单元,在时间τ的温度为T,节点外力为{F}e,节点位移为{δ},应变为{ε},应力为{σ},在时间τ+dτ时,分别变为T+d T,{F+d F}e, {δ+dδ},{ε+dε},{σ+dσ},应用虚位移原理可得 {d F}e+{d R}e=K e{dδ}(6)这里初应变等效节点力为 {d R}e=κΔV B T{C}d T d V(7)单元刚度矩阵为 K e=κΔV B T DB d V(8)按单元是处于弹性还是塑性状态,代入不同的{C}和D,形成单元等效节点载荷及刚度矩阵,然后置入总刚度矩阵及总载荷列向量中去,便形成了可以求得结点位移的代数方程组 K{dδ}={d F}(9)其中: K=6K e K=6({d F}e+{d R}e)考虑到与焊接有关的问题,6{d F}e常常为零,故 {d F}=6{d R}e解该方程组,求得节点位移后可求出单元节点应力.2　有限元模型的建立2.1　温度场计算模型 要准确预测焊接残余应力,首先要对焊接热循环进行准确的计算.本研究对象是壁厚d为6mm和20 mm和管内半径R i=90mm的管道结构,采用Q1= 610J/mm和Q2=840J/mm两种线能量来焊接.焊接速度都为3mm/s. 由于管道接头的对称性,从焊缝中心开始取其一侧作为研究对象,其几何形状和划分的有限元网格如图1所示. 由于焊接热源附近温度梯度大,在焊缝及其附近采用细分的网格,而在远离焊缝处网格较粗.二维模型由230个4结点轴对称等参传热单元和表面轴对称对・711・　2004年2月 金晓军等:双相不锈钢管道焊接残余应力参数的数值模拟流单元组成.假设焊接热源为高速移动热源,在焊接时,可认为整个环焊缝是同时加热,同时焊完.因此,热传导是在管壁平面内随离开焊缝中心向两侧进行.分图1　管道有限元网格划分Fig.1　Mesh of f inite element model析计算中可假设焊件受到内部热源的作用.这种方法曾被Carlsson [3]和Hibbert [4]等采用. 焊接热源是通过假设焊缝所在单元具有内部热生成来模拟.内部热生成以热生成强度表示,就是将有效的焊接热输入量换算成每道焊缝单元在单位体积、单位时间内的热生成强度供给热能.当所有焊接热能都加到焊缝上以后,内部热停止生成.焊接热源热效率取75%[5],不计材料熔化潜热的影响. 本研究所用母材为SAF2205双相不锈钢,为简化问题,假设焊缝金属和母材的热物理性能参数相同,其依赖于温度而变化的比热c 、导热系数u 和热交换系数αc 根据文献[7]选择,对于缺乏的高温数据,进行合理的拟合.如图2所示.图2　SAF2205钢热物理性能参数Fig.2　Thermal properties of SAF2205steel2.2　应力场计算模型 为了研究不同热输入和焊管壁厚在管道环焊缝接头上产生焊接应力应变场和残余应力的分布规律,建立了二维轴对称热弹塑性有限元模型.有限元网格和单元组划分与温度场计算完全相同,以便将瞬态温度场(热载荷)按单元节点一一对应施加于热应力计算过程中,实现温度场和应力应变场的弱耦合算法. 在使用ANSYS 非线性分析有限元程序进行计算时,由于焊接过程的复杂性,采用小位移和小应变.材料模式选为热弹塑性,屈服遵循Mises 屈服条件,塑性区内的行为服从流变法则,显示出各向同性硬化.本构关系为线性硬化模式,材料的力学性能依赖于温度的变化而变化,属于材料非线性.认为焊缝金属和母材的弹性模量E 、泊松比ν、屈服应力σs 、应变硬化模量H 和线膨胀系数均相同.其力学性能参数随温度而改变.在400℃时的变化根据文献[6]选择,对温度超过600℃以上的高温性能参数则依据文献[7]中给定的曲线趋势并采用内外插值法进行了合理的假设确定.如图3所示.对于双相不锈钢来说,由于奥氏体(A )ϖ铁素体(F )相变发生在较高温度,此时材料几乎处于弹性的状态,屈服应力很低,塑性较好,因此对最终残余应力状态影响甚微,不考虑相变对残余应力的影响.图3　SAF2205钢力学性能参数Fig.3　Mechanical properties of SAF2205steel3　温度场计算结果与分析 采用相同壁厚d =6mm ,在不同线能量下的热循环曲线如图4所示.图4　焊接热循环曲线Fig.4　Weld thermal cycle・811・天 津 大 学 学 报 第37卷　第2期　 由图4可见,不同的焊接线能量Q 下,在管道外表面焊缝中心线(CL )和离开焊缝一定距离处所受的焊接热循环不同.由于热输入Q 1与Q 2不同,在管道外表面焊缝中心所达到的最高温度和随后的冷却速度有所差别,Q 1和Q 2工艺的峰值温度分别为1574.9℃和1868.3℃,相应地从800℃冷却到500℃所用时间为7.5s 和12s.可见,焊接热输入越高,加热的峰值温度越高,冷却速度越小.这与焊接实际情况是一致的.通过调整热输入来保证合适的熔化区尺寸,可得到合理的焊接温度场,为计算焊接应力场奠定基础.4　焊接残余应力结果与分析4.1　管道环焊缝残余应力的分布规律 由于壁厚较薄,所以对管道壁厚方向的径向应力不予讨论.所关心的是轴向应力和环向应力.在此,定义管道轴线方向(与环焊缝方向垂直)简称为轴向,而沿着环焊缝圆周的方向(与环焊缝方向平行)简称为环向.图5给出了不同壁厚、不同线能量下内表面轴向残余应力分布.图6给出了不同壁厚、不同线能量下内表面环向残余应力分布.图7和图8分别是外表面轴向和环向残余应力.R i /d 为管内半径与壁厚的比值. 由于不同工艺参数的残余应力分布规律都相似,所以取Q 1和R i /d =15为典型进行分析. 从图5中可见,在管道内表面的焊缝及近缝区,轴向残余应力都是拉伸应力.随着离开焊缝中心,拉伸应力逐渐达到峰值350MPa 左右,之后又逐渐降低并转化为压缩应力,离开焊缝中心处32mm 处,轴向最大压缩应力达到-133MPa. 从图6看出,在管道内表面的焊缝及近缝区,环向残余应力也是拉伸应力,随着离开焊缝中心,拉应力由图5　内表面轴向残余应力分布Fig.5　Axial residu al stresses on inner surface焊缝中心的410MPa 逐渐升高到470MPa 左右,与母图6　内表面环向残余应力分布Fig.6　H oop residu al stresses on innersurface图7　外表面轴向残余应力分布Fig.7　Axial residu al stresses on outersurface图8　外表面环向残余应力分布Fig.8　H oop residu al stresses on outer surface材室温时的屈服应力500MPa 接近.随离开焊缝中心距离的增加,拉应力逐渐降低并转化为压缩应力,在距焊缝中心18mm 处,环向残余应力峰值为-250MPa. 由图7显示,在管道外表面的焊缝及近缝区,轴向残余应力是压缩应力,其峰值在-440MPa 左右.随着离开焊缝中心,轴向残余应力逐渐转化为拉伸应力,远离焊缝处,残余应力进一步降低. 从图8可见,在管道外表面的焊缝及近缝区,环向残余应力是拉伸应力,其峰值在310MPa 左右.随着离开焊缝中心,环向残余应力逐渐转化为压缩应力,在・911・　2004年2月 金晓军等:双相不锈钢管道焊接残余应力参数的数值模拟距焊缝中心18mm 处,最大压缩应力为-244MPa. 综上所述,在管道内表面焊缝及近缝区,其轴向残余应力是拉伸应力,而在管道外表面焊缝及近缝区,轴向残余应力是压缩应力.出现这种应力分布的原因在于焊接后焊缝环向收缩(相当于平板的纵向)使环焊缝沿径向收缩.因环焊缝在直径方向收缩具有较大的自由度,能够同时沿径向收缩,即在焊缝及近缝区域形成了内凹的收缩残余变形,焊缝中心的残余变形量较大.这种弯曲变形使得管道相对于原始形状外表面向轴线方向凹进,而内表面则凸出,从而在管道轴线方向引起一定的“附加(弯曲)应力”.这样就在焊缝及其附近外表面形成轴向压缩应力,内表面为轴向拉伸应力.4.2　焊接线能量对残余应力的影响 由于本文相变对残余应力的影响甚微,因此,在一定的实际应用范围内焊接线能量的大小对残余应力的影响不大.在各图中也可以看出,不同线能量下的残余应力的最大值和分布趋势是相近的.4.3　R i /d 对残余应力的影响 由于不变的管内半径和不同的壁厚,对于相同的线能量,从图5可看出,内表面轴向残余应力随着R i /d 比值增大而增大.而图6中内表面环向残余应力对于不同的R i /d 变化不大.图7和图8外表面残余应力都随着R i /d 比值增大而增大,即随着壁厚增大而减少.4.4　多层焊对残余应力的影响 为了研究多层焊对残余应力的影响,本文拟3层焊缝,通过调整热输入大小和时间来满足150℃层间温度的要求,保证正确的温度场分布.并用ANSYS 中图9　多层焊内表面残余应力分布Fig.9　R esidu al stresses on inner surface for multi 2pass w eld单元的死活来模拟3层焊缝的施焊过程.从图9和图10的残余应力分布可以看出,对于多层焊内、外表面残余应力的峰值都有不同程度的降低,这是因为下一层焊接对上一层焊缝的热处理作用,使其内应力得到缓和,其最终的残余应力也得到了进一步的降低.而且采用多层焊时,板厚方向上不会产生明显的残余应力,因而可增强其抗脆断能力.图10　多层焊外表面残余应力分布Fig.10　R esidu al stresses on outersurface for multi 2pass w eld5　结　论 1)建立焊接温度场和应力场二维轴对称有限元分析模型,考虑材料的非线性,模拟计算出实际焊接过程中的瞬态温度场和残余应力的分布.大致分布为,在管道内表面焊缝及近缝区,其轴向残余应力是拉伸应力,而在管道外表面焊缝及近缝区,轴向残余应力是压缩应力.管道内外表面焊缝和近缝区的环向残余应力都是拉应力. 2)随着焊接线能量的增加,即热输入的增加,残余应力峰值变化不大. 3)内表面轴向残余应力随着R i /d 比值增大而减少,外表面残余应力都随着R i /d 比值增大而减少,即随着壁厚的增大而增大. 4)对于多层焊内、外表面残余应力的峰值都有不同程度的降低.参考文献:[1]　张京海.双相不锈钢焊接技术状况[J ].材料开发与应用,1995,10(5):25—26.[2]　霍立兴.焊接结构工程强度[M ].北京:机械工业出版社,1995.23—45.[3]　K arlsson R I ,Josefson B L.Three dimensional finite ele 2ment analysis of temperatures and stresses in a single 2pass butt 2welded pipe [J ].A S M E Journal of Pressure V essel Technology ,1990,112:76—84.(下转第125页)・021・天 津 大 学 学 报 第37卷　第2期　以求出不同受力情况下允许的裂纹临界尺寸,结果见表4.将裂纹深度方向的扩展量Δa 平均分为8段,通过下式估算每一段的循环次数N j ,即 N j =a j -a j -1(d a/d N )j(11)式中:裂纹扩展速率(d a/d N )j 根据Paris 公式进行计算,即d a/d N =C (ΔK )m .在疲劳裂纹估算中,应力强度因子范围ΔK 根据下式进行计算,即ΔK =M m Δσπa (12)式中:M m 为材料系数;Δσ为应力变化;a 为裂纹长度. N =∑8j =1N j(13)按式(13)将每一段得到的循环次数进行累加得到总的循环次数N.因为波浪周期T =7s ,所以每年的循环数为n =365×24×3600/7=4.5×106次.N /n 可得到最终的疲劳寿命.不同受力情况下的疲劳寿命见表4.表4　不同受力情况下的临界裂纹尺寸及疲劳寿命T ab.4　C ritical fla w size and fatigue life under thedifferent loading conditions膜应力/MPa 弯曲应力/MPa 残余应力/MPa 临界裂纹尺寸/mma2c 疲劳寿命/a411280478.4 6.4014.550.12641190478.47.5517.160.1365　结　论 1)采用欧共体提出的SIN TAP 方法建立了X65管线钢母材和焊缝的一级及三级评定曲线.对给定原始裂纹尺寸及载荷条件下焊接接头焊趾处的表面裂纹进行了评估.结果表明,不论是采用一级或是三级评定,各评定点均在评定曲线定义的范围内,说明该结构是安全的. 2)根据上述一级评定曲线计算得到残余应力取最大值时的极限裂纹尺寸,假设裂纹在长轴和短轴方向成比例扩展,则根据上述原始裂纹尺寸扩展允许的极限裂纹尺寸为a =6.4mm ,2c =14.55mm. 3)根据上述评定结果对结构进行疲劳寿命估算.结果表明,在上述原始裂纹尺寸及载荷条件下,结构的寿命为0.126a ,通过比较不同弯曲应力载荷条件可知,弯曲应力的大小对疲劳寿命的影响不大.参考文献:[1]　Stephen Webster ,Adam Bannister.Structural integrity as 2sessment procedure for Europe of the SIN TAP programme overview[J ].Engineering Fracture Mechanics ,2000,67(6):481—514.[2]　BS 7448(Part 1):Method for Determination of K IC ,CriticalCTOD and Critical J Values of Metallic Materials[S].1991.[3]　BS 7448(Part 2):Method for Determination of K IC ,CriticalCTOD and Critical J Values of Welds in Metallic Materials [S].1997.[4]　Stacey A ,Barthelemy J Y ,Leggatt R H ,et al.Incorporationof residual stresses into the SIN TAP defect assessment pro 2cedure[J ].Engineering Fracture Mechanics ,2000,67(6):573—611.[5]　霍立兴.焊接结构的断裂行为及评定[M ].北京:机械工业出版社,2000.(上接第120页)[4]　Paley Z ,Hibbert H putation of temperatures in actu 2al weld design[J ].Welding Journal ,1975,54:385—392.[5]　拉达伊D.焊接热效应[M ].熊第京等译.北京:机械工业出版社,1997.[6]　冈毅民.中国不锈钢腐蚀手册[M ].北京:冶金工业出版社,1992.[7]　Rybicki E putation of residual stresses due to multi 2pass welds in piping systems [J ].Journal of Pressure V essel Technology ,1979,101:149—154.・521・　2004年2月 邓彩艳等:海底管线用钢焊接接头的安全评定及寿命预测。

残余应力是指材料内部的剩余应力，它可以在材料制备、加工或应力加载后形成。

残余应力的计算通常需要考虑材料的特性、加载条件以及材料的历史处理过程。

下面是一些常见的残余应力计算公式：
材料膨胀应力：
残余膨胀应力= 热膨胀系数×温度变化
加工引起的塑性应变应力：
残余塑性应变应力= 弹性模量×塑性应变
焊接残余应力：
残余焊接应力= 焊接热循环引起的温度变化×焊接材料的线膨胀系数
热处理引起的应力：
残余热处理应力= 材料的弹性模量×热处理温度差
这些公式只是常见的计算残余应力的方法之一，实际应用中可能需要考虑更多的因素和特定的情况。

残余应力的计算可以采用理论模型、数值模拟或实验测量等方法进行，具体的选择取决于应用的需求和可行性。

需要注意的是，残余应力的计算通常是复杂且具有挑战性的，因为它受到多个因素的影响，并且可能需要考虑材料的非线性、温度梯度、材料的组织结构等。

爆炸消除焊接残余应力的数值模拟爆炸消除焊接残余应力的数值模拟焊接残余应力是一个常见的问题。

在焊接过程中，高温物质的热膨胀和收缩会导致材料的形状发生变化，进而产生残余应力，这将会影响机械性能和耐用性。

而解决残余应力的方法之一就是爆炸消除技术。

本文将介绍通过数值模拟爆炸消除焊接残余应力的方法。

首先，我们需要建立一个三维的有限元模型。

这个模型应该和我们想要焊接的实际工件尽可能接近。

我们可以使用数值计算软件或者有限元分析软件来构建这个模型。

在建模的过程中，我们需要考虑焊接热源、导热、冷却和热膨胀等因素。

然后，我们需要确定爆炸消除技术的参数。

爆炸消除包括激波、爆炸和喷射等过程。

我们需要考虑爆炸药的种类、粒度和密度、爆炸药与工件之间的距离、爆炸的时间、爆炸的方向和强度等因素。

这些参数的确定需要基于实验和经验，并结合实际情况进行调整。

接下来，我们需要进行数值模拟。

我们将爆炸消除过程和焊接过程连接在一起进行模拟，同时考虑材料的耐热性，热膨胀系数以及变形发生的顺序等因素。

在数值模拟的过程中，我们需要对边界条件进行适当的设定，如限制边界和速度边界。

同时，我们还需要考虑计算时间和内存的限制，保证计算的收敛性和稳定性。

最后，我们需要对模型进行结果分析和数据处理。

我们可以通过结果图表来直观地展现残余应力的分布和变化情况，并进行相关数据的分析和处理。

我们还可以通过比较实验结果和数值模拟结果来验证模型的准确度和可靠性。

总之，数值模拟是一种有效的解决焊接残余应力问题的方法。

通过建立合适的模型，确定正确的参数和进行精确的计算和分析，我们可以更好地掌握焊接残余应力的变化规律，并采取有效的措施来解决这个问题。

对于焊接残余应力的数值模拟分析，我们需要进行相关数据分析，以确定残余应力分布的规律和变化趋势。

首先，我们需要收集和分析关于焊接材料的相关数据，如热膨胀系数、热导率、比热容、密度、杨氏模量和泊松比等。

这些参数对于确定焊接过程中热膨胀和冷却的效应非常重要，尤其是在数值模拟中。

残余应力测试与计算残余应力是指在物体内部存在的一种剩余应力，它是在外部应力去除后，物体内部仍然保留的应力状态。

残余应力的产生是由于物体在受力作用下发生了塑性变形，而在外力解除后，由于内部应力的分布不均匀，导致部分应力得不到释放而形成的。

残余应力的测试与计算是研究材料力学性能的重要手段之一。

通过对材料的残余应力进行测试，可以了解材料的内部应力分布情况，进而对材料的使用性能和寿命进行预测和评估。

残余应力测试与计算可以应用于各种材料的研究领域，如金属材料、陶瓷材料、复合材料等。

残余应力的测试方法有多种，常用的有X射线衍射法、中子衍射法、光学法等。

其中，X射线衍射法是最常用的残余应力测试方法之一。

通过测量材料表面或内部的X射线衍射图样，可以计算出材料的残余应力分布情况。

残余应力的计算是通过数学模型和计算方法来估算材料的残余应力分布。

常用的计算方法有有限元方法、解析法等。

有限元方法是一种基于数值计算的方法，通过将材料划分为有限个小区域，建立数学模型，利用计算机进行模拟计算，从而得到材料的残余应力分布情况。

解析法是一种基于解析数学方法的计算方法，通过对材料的力学性质进行分析和推导，得到材料的残余应力分布情况。

残余应力的测试与计算在材料科学和工程领域具有重要的应用价值。

首先，残余应力的测试与计算可以为材料的设计和制造提供重要的参考依据。

通过了解材料的残余应力分布情况，可以对材料的使用性能和寿命进行预测和评估，从而指导材料的设计和制造。

其次，残余应力的测试与计算可以用于材料的质量控制和缺陷检测。

残余应力是材料内部存在的一种应力状态，它与材料的质量和缺陷密切相关。

通过对材料的残余应力进行测试和计算，可以发现材料中的缺陷和问题，并及时采取相应的措施进行修复和改进。

最后，残余应力的测试与计算可以为材料的应用和改进提供理论指导和技术支持。

通过深入研究材料的残余应力分布情况，可以揭示材料的内部机制和性能特点，为材料的应用和改进提供理论指导和技术支持。

用有限元法预测焊接变形和残余应力的开题报告
题目：用有限元法预测焊接变形和残余应力
摘要：随着现代制造业的发展，焊接技术在数控机床、航空航天、
汽车制造等领域都得到了广泛应用。

然而，焊接过程中产生的变形和残
余应力对于产品的质量、使用寿命和安全性都具有极大的影响。

因此，
为了预测并减少焊接变形和残余应力，需要采用精确的计算方法。

有限元法是目前预测焊接变形和残余应力最常用的计算方法之一。

它可以将焊接结构简化为许多小的有限元素，然后通过求解矩阵方程组
来得到焊接变形和残余应力的分布图。

该方法具有精度高、计算时间短、可重复性好等优点，已成为焊接工程师和研究人员进行分析和设计的重
要工具。

本课题的研究目的是：通过对有限元法在预测焊接变形和残余应力
方面的研究和分析，探讨该方法在实践中的应用和发展趋势，为焊接设
计工作提供可靠的理论支持。

具体研究内容包括：
1. 焊接变形和残余应力的基本概念和计算方法；
2. 有限元法的原理和建模步骤；
3. 实例研究，包括焊接板材、焊接接头等结构的变形和残余应力预测；
4. 焊接变形和残余应力的优化控制方法。

预期研究结果为：
1. 系统地介绍了焊接变形和残余应力的计算和控制方法，为提高焊
接结构的设计和制造水平提供了理论基础；
2. 探究了有限元法在预测焊接变形和残余应力方面的优势和局限性，为该方法的优化和改进提供了思路；
3. 提出了针对焊接变形和残余应力控制的方案和方法，为实际工程
应用提供了参考。

通过本研究，可以为相关学科领域人士提供一定的学习和参考价值，加强焊接工程的质量控制和实用性，推动焊接技术的发展。

焊接接头残余应力数值模拟赵尚超;李晓苏;靳丽莉【摘要】Welding calculation software is widely used. Factors involved in less and then the results lack accuracy. In this paper,by finite element analysis software ANSYS.the size and distribution of residual stress of welded joints is program simulated. Simulation results and test results are more consistent, practical value of this method is proved. Finally, the formation block of macro file format is embedded into the software,to facilitate the calculation and application.%焊接计算软件盛行,然因其考虑因素不够全面,结果缺乏准确性.本文用有限元分析软件AN-SYS,编程模拟焊接接头的残余应力的大小和分布.模拟结果和试验结果比较吻合,证明了方法的实用价值.最后以宏文件形式形成程序块内嵌到软件中,便于计算和应用.【期刊名称】《低温建筑技术》【年(卷),期】2012(034)005【总页数】3页(P75-77)【关键词】残余应力;有限元;数值模拟【作者】赵尚超;李晓苏;靳丽莉【作者单位】大连交通大学土木与安全工程学院,辽宁大连116028;大连交通大学土木与安全工程学院,辽宁大连116028;广西大学土木建筑工程学院,南宁530004【正文语种】中文【中图分类】TU391随着我国机械制造业的迅猛发展，开拓了焊接结构的应用与设计的新阶段。

[x 1,x 2]=[90.6938,17.9316]T fval =589.9764exitflang =1output =iterations :4;funcCount :19;stepsize :1;algorit hm :’medium 2scale :SQ P ,Quasi 2New 2ton ,line 2search ’3.3　优化结果比较据文献[11]圆整得到d =95mm ,N =18。

相比常规设计结果d o =105mm ,N o =20,F (d N )值减少的比率η=(F o -F )/F o ≈0123。

由此看出,在满足可靠度要求前提下,通过优化设计可使密封螺栓的结构尺寸和数量明显减少,总体质量至少减轻20%。

此外,采用可靠的MA TL AB 优化算法,也极大提高了双锥密封螺栓的设计精度。

4　结语(1)以双锥密封螺栓为对象所采用的可靠性优化设计方法,不仅改变了常规设计与普通优化设计将设计变量处理成确定型变量的概念,而且在优化设计的基础上,综合考虑了每个约束的可靠性,使结果既满足可靠性和强度要求,同时又比单一使用优化方法或可靠性设计在结构尺寸上更为经济合理,更加符合工程实际。

(2)利用可靠性优化计算,一方面可以对双锥密封螺栓组的主要参数进行优化,从而获得更为理想的结构参数,同时还能准确地预测螺栓组联结的可靠度水平,这对高压容器密封结构的可靠运行显得特别重要。

(3)应用MA TL AB 优化工具箱对所建数学模型进行优化求解,不需要编写大量程序,其算法简单、容易理解,因此提高了可靠性优化设计的实用性和效率。

参考文献:[1]　丁伯民,黄正林.化工设备设计全书———高压容器[M ].北京:化学工业出版社,2003.[2]　刘惟信.机械可靠性设计[M ].北京:清华大学出版社,1996.[3]　王　启.常用机械零部件可靠性设计[M ].北京:机械工业出版社,1996.[4]　陈立周.机械优化设计方法[M ].北京:冶金工业出版社,2005.[5]　徐梓斌,闵剑青.基于MA TL AB 的螺栓组联接的可靠性优化设计[J ].机械设计与研究,2006,22(3):54256.[6]　G B 150—1998,钢制压力容器[S].[7]　王志文,蔡仁良.化工容器设计[M ].北京:化学工业出版社,2005.[8]　吴宗泽.机械设计[M ].北京:高等教育出版社,2001.[9]　苏金明.MA TLAB6.1应用指南(下册)[M ].北京:电子工业出版社,2002.[10]王正林.精通MA TLAB 7[M ].北京:电子工业出版社,2006.[11]G B 196—2003,普通螺纹基本尺寸[S].(张编) 收稿日期:2008205229作者简介:何天平(19642),男,江苏常州人,高级工程师,硕士,从事化工设备的安全研究。

2017年第02期工业技术创新Industrial Technology Innovation 2.3 材料属性焊接母材X60钢的屈服强度为415 MPa ，极限强度为521 MPa 。

表2中给出了部分具体力学性能参数。

由于焊接模拟属于典型的非线性瞬态分析，有些参数会随着温度的变化而变化，因此采用插值的方式确定未知温度处的参数。

2.4 工况及边界条件对X60钢管道焊接进行模拟的过程中，热源以20mm/min 的速度从焊接接头表面0°处逆时针焊接一圈，然后冷却1 h ，得到最终结果。

在温度场分析中，设置环境温度为25℃。

考虑到结构的对称性，对焊缝平面施加对称约束。

焊接过程中的热传递主要需要考虑热源辐射和管道表面的对流换热。

这里为了简化计算，将两者的作用合并，以热对流系数的方式施加于管道表面，设定值为30 W/m 2。

在应力场分析中，同样对焊缝平面施加对称约束。

为了防止模型发生刚性位移，对母材焊缝的另一端施加固定约束。

2.5 温度场模拟结果由于迭代过程时间步长的非均匀性，未计算出整数秒的结果。

图3（a ）和图3（b ）分别给出了计算时间101.178 s 和199.866 s 时的结果，可以清晰看出，在焊接熔池和焊接热源移动的过程中，热源最高温度为1 715℃。

图3（c ）给出了焊接冷却1h 后（计算时间对应4 014.83s ）的温度场，温度为28℃左右，接近常温。

为了更加直观地表现焊接温度场的模拟结果，在焊缝表面一周角度分别为60°、120°、180°、240°、300°、360°选取6个测量点，选取时间段0~820 s 绘制温度—时间曲线，分别对应图4所示的K1~K6。

曲线图表明，这些测量点先后升温至1 700℃左右，再逐渐冷却到常温。

值得一提的是60°处的测量点，在冷却过程（400 s 起）中有一个稳定上升的过程。

钢管相贯节点焊接残余应力与热损伤的非线性有限元分析罗永赤
【期刊名称】《焊接学报》
【年(卷),期】2007(028)003
【摘要】分析钢管相贯节点的残余应力是研究其极限承载力和疲劳寿命不能回避的问题.针对K形钢管相贯节点焊接时的热作用特点,通过对焊接过程中加热与冷却温度场的正确描述,并采用相应的热传导数学和物理模型,进行温度场和应力场的耦合计算,考虑钢材热物理、力学参数随温度变化的非线性性能,得出的残余应力分布规律与残余变形,比较理想地与节点试验的破坏模式相吻合.针对相贯节点试验中支管屈曲的破坏形式,提出了焊接热损伤的概念和机理.
【总页数】4页(P65-68)
【作者】罗永赤
【作者单位】长江大学,城市建设学院,湖北,荆州,434023
【正文语种】中文
【中图分类】TG404
【相关文献】
1.插板加强K型间隙圆钢管相贯节点的极限承载能力非线性有限元分析 [J], 张巧珍;周洪彬;张明莉
2.空间XK型圆钢管相贯节点极限承载力非线性有限元分析 [J], 张君;武秀丽;白桂南
3.钢管相贯节点焊接残余应力分析 [J], 剧冠军;武秀丽
4.空间KK型圆钢管相贯节点极限承载力非线性有限元分析 [J], 朱邵宁;舒兴平
5.空间XK形圆钢管相贯节点极限承载力非线性有限元分析 [J], 张君;武秀丽因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

基于有限元的多次补焊焊接残余应力的数值模拟
朱援祥;张小飞;杨兵;李晓梅
【期刊名称】《焊接学报》
【年(卷),期】2002(023)001
【摘要】应用有限元方法建立了补焊温度场的数学模型,并对温度场进行一定的简化.焊接应力分为热应力和组织应力两部分,分别给出了热应力和组织应力的计算模型.利用ANSYS有限元软件以BHW35钢补焊为例进行数值模拟,给出了有限元的实现过程.并分别给出了一次、三次、五次补焊的模拟结果.并将计算模拟值与实际测量数值比较.计算结果和实际测量数值基本吻合.并根据应力分布情况,得到一些结论,焊缝中心的残余应力变化不大;热影响区存在较高的残余拉应力,且同一位置,随修复次数的增加,应力值逐步提高;残余拉应力区宽度变大.文中还给出了焊后热处理后的应力大小情况,以证明焊后热处理能改善应力分布.
【总页数】4页(P65-68)
【作者】朱援祥;张小飞;杨兵;李晓梅
【作者单位】武汉大学,动力与机械学院,武汉,430072;武汉大学,动力与机械学院,武汉,430072;武汉大学,动力与机械学院,武汉,430072;武汉大学,动力与机械学院,武汉,430072
【正文语种】中文
【中图分类】TG404
【相关文献】
1.异种钢管接头焊接残余应力有限元数值模拟现状及发展 [J], 张赢
2.16MnR钢焊接接头多次补焊残余应力数值模拟 [J], 汤洁;巩建鸣;蒋文春
3.Q345R钢焊接接头不同部位补焊残余应力的有限元分析 [J], 沈利民;巩建鸣;余正刚;涂善东
4.反应堆压力容器内壁环形锻件焊接残余应力三维有限元数值模拟 [J], 付强;罗英;谢国福;杨敏
5.16MnR钢焊接接头补焊残余应力有限元分析 [J], 丁桂泉
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