有限元分析模拟焊接过程中的变形和残余应力

焊接顺序对角接接头残余应力和变形的影响刘利明发布时间：2021-10-27T06:56:34.038Z 来源：《建筑学研究前沿》2021年15期作者：刘利明周飞[导读] 焊接是连接材料的重要方法。

焊接过程中加热和冷却不均匀导致工件焊接变形，是影响零件质量的最重要因素之一。

长期以来，研究人员和学者在焊接变形计算、变形控制和试验方面做了大量的工作。

中核工程咨询有限公司广东省阳江市 529500摘要：焊接是连接材料的重要方法。

焊接过程中加热和冷却不均匀导致工件焊接变形，是影响零件质量的最重要因素之一。

长期以来，研究人员和学者在焊接变形计算、变形控制和试验方面做了大量的工作。

根据目前的研究现状，主要研究对接接头和丁字接头的焊接部分。

在实际加工制造中，角接头广泛应用于一些特殊的焊接结构，如箱体结构，典型的是传动箱。

这类构件在焊接时的连接方式主要是角接。

采用有效的焊接工艺优化方案，减少焊后变形和焊接残余应力，对提高零件的质量、寿命和精度具有现实意义。

因此，本文以角节点为例，利用有限元软件进行数值模拟，一方面可以弥补试验的固有不足，另一方面可以节约成本，提高工作效率。

通过模拟不同工艺产生的焊接变形和残余应力，总结出焊接顺序对角焊缝焊接残余应力和变形的影响，对以角焊缝为主的构件的实际焊接具有一定的指导意义。

关键词：角接接头；热固耦合；焊接顺序；残余应力；变形1角节点的数值模拟方法基于有限元分析软件ABAQUS，对平板角焊缝的温度场和应力应变场进行了模拟计算。

其中，建立准确的板角焊缝有限元模型是模拟板角焊缝焊接的关键。

首先对模型进行简化，然后在ABAQUS软件中定义材料属性，根据实体模型划分网格，选择合适的单元类型，求解温度场。

其次，根据温度场设置应力场分析步骤和合适的边界条件求解应力应变场。

1.1有限元模型首先在Creo中建立三维几何模型和母件几何模型，板厚16mm，焊接坡口角度40°。

然后利用Hypermesh软件对几何模型进行网格划分。

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]。

钢桥焊缝残余应力与变形分析一、概述钢桥是指上部结构主要承重部分是用钢材制成的桥梁，它自重较轻，跨越能力大，抗拉、抗压、抗剪强度高，可用于复杂桥型和景观桥。

在工程中，经常能见到的钢桥类型有：梁桥（I型板梁、桁梁、箱梁），拱桥（系杆拱，箱形拱、桁架拱），索桥（悬索桥和斜拉桥）。

我国迄今已建造了3600余座各式钢桥。

仅在长江上已有各种型式的桥梁30余座，其中接近半数为钢桥。

关于焊接钢桥，可以公路桥为对象作比较，按大跨径悬索桥的跨径L≥600m，大跨径斜拉桥L≥400m，进行不完全统计。

90年代以来中国已建成大跨径悬索桥7座，大跨径斜拉桥10座；同时期国外建成的大跨径悬索桥有10座（其中日本6座），大跨径斜拉桥有15座（其中日本6座）。

按跨径大小排序，在世界上建成的全部悬索桥中排名前十位的焊接钢桥中，中国有2座：江阴长江大桥（L=1385m）排名第四，香港青马大桥（L=1377m）排名第五；斜拉桥排名前十位的焊接钢桥中，日本的多多罗大桥L=890m，居首位；中国有6座桥，排名第三、四、五、六、七和第九（南京长江二桥L=628m，排第三位；武汉长江三桥L=618m，排第四位）。

钢桥是由钢板、型钢等组合连接制成基本构件，如梁、柱、桁架杆件等，运到工地后再通过安装连接组成整体结构。

连接在钢桥中占有很重要的地位。

钢桥中部件的连接方法主要有铆钉连接、螺栓连接和焊接三类。

焊接是现代钢桥最主要的连接方法，它是对钢材从任何方位、角度和形状相交都能方便使用，一般不需要附加连接板、连接角钢等零件，也不需要在钢材上开孔，不使截面受到削弱。

因此，它的构造简单，节省钢材，制作方便，并易于采用自动化操作，生产效率高。

此外，焊接的刚度较大，密封性较好。

常见的焊接方法有电弧焊、栓钉焊，电弧焊又常分为手工电弧焊、埋弧焊和气体保护焊。

焊缝连接中按焊体钢材的连接方式可分为对接接头、搭接接头、T型接头、角接接头等形式。

但焊接也存在着它不足的一面，焊缝附近钢材因焊接的高温作用而形成热影响区，其金相组织和机械性能发生变化，某些部位材质变脆；焊接过程中钢材受到不均匀的高温和冷却，使结构产生焊接残余应力和残余变形，影响结构的承载力、刚度和使用性能；焊缝可能出现气孔、夹渣、咬边、弧坑裂纹、根部收缩、接头不良等影响结构疲劳强度的缺陷。

钢框架梁柱十字形节点抗震性能数值模拟与理论分析摘要：梁柱节点在钢框架结构中扮演着举足轻重的角色，因此研究钢框架节点的抗震性能具有重要的意义。

本文通过ABAQUS有限元分析软件对钢结构梁柱十字形节点进行了建模分析，考查了全焊接连接节点在地震波作用下的受力性能。

研究表明：全焊接连接节点具有较好的抗震性能。

关键词：钢框架结构；剪切变形；节点域模型；有限元；非线性分析NUMERICAL AND THEORETICAL ANAL YSIS ON SEISMICPERFORMANCEOF THE CROSS-TYPE JOINT OF STEEL STRUCTUREAbstract:The beam-column connections in steel frame structures play an important role. Therefore, studying the seismic performance of the connection in steel frame has a great significance. In order to investigate the seismic performance of the connection in steel frame, this paper presents the cross-type model using the software “ABAQUS”. The results show that the weld connection has a good performance in seismic behavior.Keywords: Steel Frame Structure; Shear Deformation; Panel Zone Model; Finite Element Method; Nonlinear Analysis0 前言有限单元法（或称有限元法）是在当今工程分析中获得最广泛应用的数值分析计算方法。

焊接结构残余应力分析摘要：焊接残余应力的存在，会直接影响到钢混结构的承载能力。

为了保证焊接结构的安全可靠，准确地推断焊接过程中的力学行为和残余应力是十分重要的。

对于焊接残余应力，以往多是采用切割、钻孔等试验测量方法，不但费时费力，而且受到许多条件的限制，结果数据误差也会很大。

关键词：焊接残余应力；有限元；对接焊缝一、焊接残余应力的概念焊接构件由焊接而产生的内应力称之为焊接应力，按作用时间可分为焊接瞬时应力和焊接残余应力。

焊接过程中，某一瞬时的焊接应力称之为焊接瞬时应力，它随时间而变化；焊后残留在焊件内的焊接应力称之为焊接残余应力。

焊接残余应力为热应力（主要为冷却应力），相变应力可再叠加其上。

在冷焊、扩散焊、滚轧敷层和爆炸敷层等情况下，冷加工作用力是残余应力的源泉，它可单独作用，也可能附加于上述热效应之上。

二、焊接残余应力产生的原因焊接过程是一个先局部加热，然后再冷却的过程。

焊件在焊接时产生的变形称为热变形，焊件冷却后产生的变形称为焊接残余变形，这时焊件中的应力称为焊接残余应力。

焊接应力包括沿焊缝长度方向的纵向焊接应力，垂直于焊缝长度方向的横向焊接应力和沿厚度方向的焊接应力。

焊接残余应力产生的主要原因是由焊接过程中不均匀加热所引起的。

焊接应力按其发生源来区分，有如下3种情况：（1）直接应力是进行不均匀加热和冷却的结果，它取决于加热和冷却时的温度梯度，是形成焊接残余应力的主要原因。

（2）间接应力是由焊前加工状况所造成的压力。

构件若经历过轧制或拉拔时，都会使之具有此类残余应力。

这种残余应力在某种场合下会叠加到焊接残余应力上去，而在焊后的变形过程中，往往也具有附加性的影响。

另外，焊件受外界约束产生的附加应力也属于此类应力。

（3）组织应力是由组织变化而产生的应力，也就是相变造成的比容变化而产生的应力。

它虽然因含碳量和材料其它成分不同而有异，但一般情况下，这种影响必须要加以考虑的是，发生相变的温度和平均冷却速度。

Abaqus是一款广泛应用于工程领域的有限元分析软件，它通过建立虚拟模型，模拟真实的物理过程来解决工程问题。

在焊接领域，Abaqus可以用来模拟多道焊接过程。

本文将对Abaqus中多道焊接程序进行解释与分析。

一、多道焊接概述多道焊接是指在焊缝内部进行多次焊接的过程，通常用于大型结构的焊接，比如船舶、桥梁等。

多道焊接能够降低焊接残余应力和变形，提高焊接质量。

二、Abaqus中多道焊接的模拟1. 模型建立在Abaqus中进行多道焊接的模拟，首先需要建立焊接模型。

这包括定义焊接工艺参数、材料性质、焊接接头几何形状等。

2. 材料本构在多道焊接模拟中，材料的本构关系是非常重要的。

Abaqus提供了多种材料本构模型，可以根据具体的焊接材料选择合适的本构模型。

3. 热分析在多道焊接的过程中，焊缝内部会产生大量的热量。

Abaqus可以通过热分析模块，模拟焊接过程中的温度场分布、热应力等。

4. 结构分析除了热分析，结构分析也是多道焊接模拟中的重要步骤。

通过结构分析，可以得到焊接过程中的应力、变形等信息。

三、多道焊接模拟的应用1. 优化焊接工艺通过Abaqus的多道焊接模拟，可以对焊接工艺进行优化。

比如确定合适的焊接顺序、焊接参数，以达到最佳的焊接质量。

2. 预测残余应力和变形多道焊接模拟可以预测焊接过程中产生的残余应力和变形，帮助工程师更好地设计焊接结构，减少后期修复工作。

3. 焊缝设计通过Abaqus的多道焊接模拟，可以对焊缝进行优化设计，提高焊接连接的强度和稳定性。

四、多道焊接模拟的局限性尽管Abaqus可以进行多道焊接模拟，但也存在一些局限性。

比如对于大型结构、复杂工艺的模拟需要计算资源较大，同时需要对模型的建立和参数选择有一定的专业知识。

总结起来，Abaqus多道焊接程序可以帮助工程师模拟多道焊接过程，优化焊接工艺，预测残余应力和变形，提高焊接结构的质量和可靠性。

然而，工程师在使用Abaqus进行多道焊接模拟时需要注意模型的建立和参数选择，以及计算资源的消耗。