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]。
1 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。
焊接残余应力场在交变载荷作用下的特性研究的开题报告
一、选题背景和意义
焊接作为一种常见的加工工艺，被广泛应用于机械结构、航空航天、能源等领域。但在焊接过程中，由于热影响区的存在，焊件内部会产生残余应力。这种应力场的存在会对焊件的稳定性、耐久性产生负面影响。特别是在交变载荷作用下，焊接残余应力场会导致焊接件的疲劳寿命降低，甚至导致焊接件的断裂、塑性变形等事故。因此，探究焊接残余应力场在交变载荷作用下的特性，对于提高焊接件的耐久性、确保焊接结构的安全具有重要意义。
二、研究内容和思路
本研究旨在探究焊接残余应力场在交变载荷作用下的特性。具体研究内容如下：
1. 焊接残余应力场的数值模拟
利用有限元分析软件，建立焊接模型，模拟其焊接过程并分析残余应力场分布情况。
2. 焊接件的疲劳试验
利用交变载荷试验机对焊接件进行疲劳试验，并记录其应力-应变曲线和疲劳寿命。
3. 应力场与疲劳寿命的关系
将数值模拟得到的焊接残余应力场与实际试验结果进行对比，探究焊接残余应力场对焊接件疲劳寿命的影响。
三、研究意义和预期结果
本研究将有助于深入了解焊接残余应力场在交变载荷作用下的特性，为提高焊接件的耐久性、确保焊接结构的安全提供理论依据。预期结果为，通过数值模拟分析和疲劳试验，揭示焊接残余应力场在焊接件疲劳寿命中的作用机理，为焊接结构的设计和优化提供科学依据。
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。
