1、焊接過程模擬與焊接變形、焊接Ansys應力有限元分析1.1 焊接變形與焊接應力焊接時，加熱和冷卻循環總會導致一定程度的變形，焊接變形對尺寸穩定性以及結構力學性能都有很大的影響，控制焊接變形在焊接加工中是一個關鍵的任務。在鋼結構焊接中，焊接工藝會使構件溫度場產生不均勻變化，從而在構件中產生復雜的殘余應力分布。殘余應力是一種自相平衡的力系，當構件承受荷載時，如受拉、受壓等，荷載引起的應力將與截面殘余應力相疊加，從而使構件某些部位提前達到屈服強度，并發生塑性變形，故會嚴重降低構件的剛度和穩定性以及結構疲勞強度。對構件進行焊接，在焊件上產生局部高溫的不均勻溫度場，焊接中心處溫度可達1600，高溫區的鋼

2、材會發生較大程度的膨脹伸長，但受到相鄰鋼材的約束，從而在焊件內引起較高的溫度應力，并在焊接過程中，隨時間和溫度而不斷變化，稱其為焊接應力。焊接應力較高的部位，甚至將達到鋼材的屈服強度而發生塑性變形，因而鋼材冷卻后將有殘存于焊件內的應力，稱為焊接殘余應力。并且在冷卻過程中，鋼材由于不能自由收縮，而受到拉伸，于是焊件中出現了一個與焊件加熱方向大致相反的內應力場。1.2 Ansys有限元焊接分析為通過對焊接過程的三維有限元模擬分析以及焊接后構件變形及殘余應力分布分析，為評估焊接對焊件的影響提供更加合理、有效、可靠的分析數據，并為焊接工藝提供一定的指導，為采用的焊接過程提供一定的分析依據，采用大型有限

3、元計算軟件Ansys作為分析工具對焊接過程與焊件的變形與殘余應力進行了分析。ANSYS有2種方式來考慮熱分析與力學分析之間的耦合,即直接耦合和間接耦合。間接耦合法的處理思路為先進行溫度場的模擬,然后將求出的結點溫度作為體載荷施加在結構中,計算焊接殘余應力與變形。即：(1)使用熱分析的手段進行熱分析，根據需要可采用瞬態分析與穩態分析模型，此處為瞬態分析。(2)重新進入前處理中,將熱分析單元轉換為相應的結構分析單元，設置結構分析中材料屬性,如彈性模量、泊松比、熱膨脹系數等。(3)讀入熱分析的結點溫度作為結構分析的荷載,設置參考溫度,結構分析求解殘余應力。而直接耦合法為采用Ansys提供的可以進行復

4、合域（熱-力學分析）分析的單元類型，同時進行熱分析與力學分析，從而獲得焊接后的變形與殘余應力。以下分析過程分為厚板對接焊的焊接過程模擬與焊件的變形與殘余應力分析、厚板的全熔透T形接頭焊縫的焊接過程模擬與焊件的變形與殘余應力分析、箱型截面構件的焊接變形與殘余應力分析和K型節點的焊接變形與殘余應力分析四個部分。其中第一、二、三部分采用Ansys中的實體單元，以直接耦合法對焊接過程進行模擬，并分析了焊接后的變形與殘余應力，第四部分則采用殼單元以間接耦合法對焊接變形與殘余應力分析。采用的計算參數說明如下。鋼材應力應變關系采用雙線性隨動強化非線性關系，不同溫度下的應力應變曲線如圖所示，其中，1）折點位置

5、為屈服應力，常溫下取為345*E6 N/m2；2）曲線斜率為彈性模量E，常溫下取為2.06*E11 N/m2；3）達到屈服點后的彈性模量取值較小以模擬鋼材的塑性屈服。鋼材彈性模量采用隨溫度變化的非線性關系，如圖所示。未考慮以下參數隨溫度的變化，而將其取為常數：熱膨脹系數取為1.4*10-5 m/m*K熱容量取為520 J/(kg·K)熱傳導系數取為49.8 W/(m·k)泊松比為0.3密度為7850N/m3為方便起見，焊藥的熱力學性質和力學性能取與鋼材相同。1.3厚板對接焊的變形與殘余應力分析變形圖:殘余應力分布圖:縱向殘余應力:橫向殘余應力:1.4全熔透T形接頭焊的變形與

6、殘余應力分析有限元網格劃分圖:變形圖:殘余應力分布圖:橫向殘余應力:1.5 箱型截面構件的焊接變形與殘余應力分析有限元網格劃分圖:變形圖:變形圖(部分):殘余應力分布圖:殘余應力分布圖(部分):1.6 K型節點的焊接變形與殘余應力分析有限元網格劃分圖: 變形圖:殘余應力分布圖:1.7 厚板對接焊縫焊接過程模擬示意圖施工過程模擬中每次生成一個焊縫單元，模擬方法為按照次序生成單元，將新生成單元所包含的節點的溫度定為1500度（持續時間為0.001s），將此作為初始條件進行計算，經5s（模擬焊接一個焊縫單元所需時間，此段時間內焊縫將根據給定條件傳熱給周圍單元降溫）后生成下一單元。依次生成全部單元完成整個焊接過程的模擬。1.8 全融透T形接頭焊接過程模擬示意圖1.10 小節經過以上對厚板對接焊的焊接過程模擬與焊件的變形與殘余應力分析、厚板的全熔透T形接頭焊縫的焊接過程模擬與焊件的變形與殘余應力分析、箱型截面構件的焊接變形與殘余應力分析和K型節點的焊接變形與殘余應力分析，可以看出：l 焊