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1、会计学1焊接焊接(hnji)结构残余应力及其数值模结构残余应力及其数值模拟拟第一页，共30页。1.焊接数值模拟研究焊接数值模拟研究(ynji)概况概况 n n焊接是一门古老而充满活力的学科，在材料加工领域中居于首要的地位，而随着工业的现代化，焊接过程的数值模拟在材料热加工领域数值模拟中具有很强的代表性。n n数值模拟技术是使热加工过程走向科学的重要手段，无论是在理论还是实际都有着极其重要的意义所以，在能源、动力、军工等领域的重要部位的焊接仿真的实现、优化工艺过程、提高产品质量、清除安全隐患等方面起着日益(ry)重要甚至不可替代的作用。第1页/共29页第二页，共30页。国外国外n n2020世纪
2、世纪7070年代初，日本大阪大学的上田幸雄教授等人年代初，日本大阪大学的上田幸雄教授等人,提出了考虑材料提出了考虑材料力学性能与温度有关的焊接热弹塑性分析理论，导出了分析焊接应力力学性能与温度有关的焊接热弹塑性分析理论，导出了分析焊接应力(yngl)(yngl)应变过程的表达式，从而使复杂的动态焊接应力应变过程的表达式，从而使复杂的动态焊接应力(yngl)(yngl)过程的分过程的分析成为可能。析成为可能。n n1973 Vaidyanathan1973 Vaidyanathan利用板壳理论利用板壳理论,提出了薄壁管对接环焊缝残余应力提出了薄壁管对接环焊缝残余应力(yngl)(yngl)的计算
3、方法的计算方法 。n n1978 Rybicki1978 Rybicki等人，将三维焊接应力等人，将三维焊接应力(yngl)(yngl)问题简化为轴对称问题问题简化为轴对称问题n n之后之后 BYYDong BYYDong建立了奥氏体不锈钢管道环焊缝的残余应力建立了奥氏体不锈钢管道环焊缝的残余应力(yngl)(yngl)三维三维有限元模型有限元模型 n n1997 LELindgren1997 LELindgren等用三维热等用三维热力耦合的有限元方法模拟了大型铜罐电力耦合的有限元方法模拟了大型铜罐电子束焊接接头残余应力子束焊接接头残余应力(yngl)(yngl)n n此外，此外，Medill
4、Medill采用三维热弹塑性有限元模型模拟了航空常用的采用三维热弹塑性有限元模型模拟了航空常用的Wasplay Wasplay NiNi基合金电子束平板对接接头残余应力基合金电子束平板对接接头残余应力(yngl)(yngl)第2页/共29页第三页，共30页。国内国内n n我国在计算机分析焊接力学方面起步较晚，但发展迅速。在我国在计算机分析焊接力学方面起步较晚，但发展迅速。在2020世纪世纪8080年代初西安交通年代初西安交通大学和上海交通大学等就开始了关于焊接热弹塑性理论及在数值分析方面的研究。大学和上海交通大学等就开始了关于焊接热弹塑性理论及在数值分析方面的研究。n n此后，西安交通大学的张
5、建勋此后，西安交通大学的张建勋77采用热采用热弹塑性有限元法，应用有限元程序弹塑性有限元法，应用有限元程序TEPFEMTEPFEM，分析计算了，分析计算了CoCo基合金静叶片电子束焊接时的焊接工艺对焊接残余应力的基合金静叶片电子束焊接时的焊接工艺对焊接残余应力的影响。影响。n n西安石油学院的李栋才等人采用弹塑性有限元方法对超载拉伸消除焊接残余应力过程西安石油学院的李栋才等人采用弹塑性有限元方法对超载拉伸消除焊接残余应力过程进行了数值模拟进行了数值模拟 n n天津大学材料学院的陈俊梅利用天津大学材料学院的陈俊梅利用ANSYSANSYS软件对软件对Q235BQ235B钢十字接头的焊接残余应力进行
6、钢十字接头的焊接残余应力进行了有限元计算。了有限元计算。n n事实上，已有的数值模拟研究成果已经使我们对复杂的焊接过程有了深入的了解，为事实上，已有的数值模拟研究成果已经使我们对复杂的焊接过程有了深入的了解，为解决焊接残余应力带来了新思路和新方法。因此解决焊接残余应力带来了新思路和新方法。因此(ync(ync)，我们有理由相信，随着人，我们有理由相信，随着人们对焊接残余应力认识的深入和计算机技术的高度发展，焊接残余应力数值模拟技术们对焊接残余应力认识的深入和计算机技术的高度发展，焊接残余应力数值模拟技术具有广阔的应用前景。具有广阔的应用前景。第3页/共29页第四页，共30页。2 数值模拟数值模
7、拟(mn)技术技术n n随着计算机技术和计算方法的发展，复杂的工程随着计算机技术和计算方法的发展，复杂的工程(gngchng)(gngchng)问题可以采用离散化的数值计算方法并借助计问题可以采用离散化的数值计算方法并借助计算机得到满足工程算机得到满足工程(gngchng)(gngchng)要求的数值解，数值模拟技要求的数值解，数值模拟技术是现代工程术是现代工程(gngchng)(gngchng)学形成和发展的重要动力之一。学形成和发展的重要动力之一。第4页/共29页第五页，共30页。第5页/共29页第六页，共30页。第6页/共29页第七页，共30页。数值模拟技术数值模拟技术(jsh)受到重视
8、的原受到重视的原因因n n由于系统越来越高性能化或复杂化，单纯的试验已难以由于系统越来越高性能化或复杂化，单纯的试验已难以使严峻的状况重现出来。使严峻的状况重现出来。n n有些问题只能使用数学模型才能了解有些问题只能使用数学模型才能了解(li(li oji)oji)其状况。其状况。n n计算机的性能已经大大提高和普及。计算机的性能已经大大提高和普及。第7页/共29页第八页，共30页。数值模拟数值模拟(mn)的基本步骤的基本步骤n n1.1.建立反映建立反映(f(f nyng)nyng)问题（工程问题、物理问题）本质问题（工程问题、物理问题）本质的数学模型。具体说就是要建立反映的数学模型。具体说
9、就是要建立反映(f(f nyng)nyng)问题各量问题各量之间的微分方程及相应的定解条件。之间的微分方程及相应的定解条件。n n2.2.建立真实的物理模型，就是与现实中所对的理想化的建立真实的物理模型，就是与现实中所对的理想化的模型模型n n3.3.剖分，将待解区域进行分割，离散成有限个元素的集剖分，将待解区域进行分割，离散成有限个元素的集合合n n4.4.导入物性数据，以及其他参数。导入物性数据，以及其他参数。n n5.5.单元分析，求解近似变分方程单元分析，求解近似变分方程 n n6.6.后处理后处理第8页/共29页第九页，共30页。数值模拟数值模拟(mn)技术在焊接中的应用技术在焊接中
10、的应用n n1 1）焊接热传导分析）焊接热传导分析n n2 2）焊接熔池流体动力学）焊接熔池流体动力学n n3 3）电弧物理）电弧物理n n4 4）焊接冶金和焊接接头组织性能的预测）焊接冶金和焊接接头组织性能的预测(yc)(yc)n n5 5）焊接应力与变形）焊接应力与变形n n6 6）焊接过程中的氢扩散）焊接过程中的氢扩散n n7 7）特殊焊接过程的数值分析）特殊焊接过程的数值分析n n8 8）焊接接头的力学行为）焊接接头的力学行为第9页/共29页第十页，共30页。焊接焊接(hnji)数值模拟软件数值模拟软件n n SYSWELDn n ANSYS、MSC-NASTRAN、n n ABAQU
11、S、MARCn n DYNAn n WSDP第10页/共29页第十一页，共30页。3 对接薄板的残余应力数值对接薄板的残余应力数值(shz)模拟模拟第11页/共29页第十二页，共30页。a.确立研究对象1）坐标系：x轴为焊接线方向、y轴为板宽方向。2）大小：板长1500mm、板宽600mm、板厚6mm。b.焊接条件1）焊接电流I=200A，焊接电压U=18V，焊接速度v=3mm/s。2)焊接开始(kish)位置的x坐标=-750mm。3）焊接终止位置的x坐标=+750mm。4）焊道的半宽为5mm。第12页/共29页第十三页，共30页。c.单元(dnyun)划分 划分范围：为节约计算时间，考虑其
12、构件的对称性，所以取接头的1/2部分进行单元(dnyun)划分来减少计算的时间。单元(dnyun)大小：焊接线附近5mm，即使远离焊接线也要 20mm 单元(dnyun)数：6000个 节点数：6321点第13页/共29页第十四页，共30页。d.物性(w xn)数据第14页/共29页第十五页，共30页。e.e.焊接焊接(hnji)(hnji)过程中的温度分布图过程中的温度分布图第15页/共29页第十六页，共30页。f.f.焊接温度分布焊接温度分布焊接温度分布焊接温度分布(fnb)(fnb)曲线曲线曲线曲线 第16页/共29页第十七页，共30页。第17页/共29页第十八页，共30页。n ng.g
13、.焊接过程焊接过程(guchng)(guchng)中的热应力分布中的热应力分布第18页/共29页第十九页，共30页。第19页/共29页第二十页，共30页。n nh.焊缝的残余(cny)应力第20页/共29页第二十一页，共30页。i.i.残余应力的分布曲线残余应力的分布曲线(qxin)(qxin)及讨论及讨论第21页/共29页第二十二页，共30页。第22页/共29页第二十三页，共30页。在沿焊缝的中部(zhn b)区域，纵向残余应力大小基本上保持不变，为拉应力稳定区，在焊缝两端的部位，其纵向残余应力则由恒定值逐渐降至零，因为两端部的边界条件与中间部位有所不同，是自由边界无约束。第23页/共29页
14、第二十四页，共30页。在焊缝及其近区的残余应力(yngl)为拉伸应力(yngl)，稍微离开焊缝区，应力(yngl)陡降继而出现的是残余压应力(yngl)。第24页/共29页第二十五页，共30页。图为钢构件内部横向残余应力，焊缝处为拉应力，在焊缝附近为压应力，而且应力的变化比较(bjio)急剧。第25页/共29页第二十六页，共30页。4 结论结论(jiln)焊接焊接(hnji)(hnji)结构中存在的残余应力，大大降低了材料的使用性能，为了提高钢结构的使用安全，结构中存在的残余应力，大大降低了材料的使用性能，为了提高钢结构的使用安全，采用焊接采用焊接(hnji)(hnji)结构变形预测软件（结构
15、变形预测软件（WSDPWSDP）对对接焊件内部的温度场和残余应力分布进行模拟，得出）对对接焊件内部的温度场和残余应力分布进行模拟，得出其分布曲线，并与理论曲线进行比较。采用软件模拟，可大大提高分析结构内部残余应力的效率，另外其分布曲线，并与理论曲线进行比较。采用软件模拟，可大大提高分析结构内部残余应力的效率，另外对结构设计还具有一定的预测性，在实际生产中具有一定的应用价值。对结构设计还具有一定的预测性，在实际生产中具有一定的应用价值。通过本文的残余应力模拟，可得出以下内容：通过本文的残余应力模拟，可得出以下内容：1.1.焊接焊接(hnji)(hnji)变形预测软件变形预测软件WSDPWSDP以
16、固有应变理论为基础，通过弹性板单元有限元法计算焊接以固有应变理论为基础，通过弹性板单元有限元法计算焊接(hnji)(hnji)结构的变形，从而计算出残余应力。结构的变形，从而计算出残余应力。第26页/共29页第二十七页，共30页。2.在对接薄板的温度场中，沿焊缝方向上的温度分布在始终两端部分，在焊接线上的最高到达温度大致相等，而在开始端最高到达温度最低，终端部分温度最高。而终端最高到达温度升高的原因是该部分电弧前方的金属不存在，本应在前方由于热传导所丧失的热量确在终端部分聚集，与此相反，开始的部分则因为没有热量的流入，所以温度很低。3.对接薄板的的残余应力数值模拟是通过模型的构筑，单元的划分(
17、hu fn)，物性参数的导入和计算以及后处理，从而得出模拟结果。残余应力的模拟曲线与其理论曲线基本相同。4.数值模拟只是作为一种分析问题的方法，它并不能代替实际，而且在建模的过程中作了许多简化，例如几何尺寸的选取，以及在加载过程中所采取的高斯分布热源的简化;在计算过程中作了多次的迭代，多次累积本身就会产生一定的误差。所以，数值模拟与试验测量都只是我们所采用的一种方法进行预测与分析，并不能完全反映实际结果，只能成为我们分析解决问题的一种手段。第27页/共29页第二十八页，共30页。第28页/共29页第二十九页，共30页。感谢您的观看感谢您的观看(gunkn)。第29页/共29页第三十页，共30页。