1、關于焊接結構殘余應力及其數值模擬第一張，PPT共二十九頁，創作于2022年6月1.焊接數值模擬研究概況 焊接是一門古老而充滿活力的學科，在材料加工領域中居于首要的地位，而隨著工業的現代化，焊接過程的數值模擬在材料熱加工領域數值模擬中具有很強的代表性。 數值模擬技術是使熱加工過程走向科學的重要手段，無論是在理論還是實際都有著極其重要的意義所以，在能源、動力、軍工等領域的重要部位的焊接仿真的實現、優化工藝過程、提高產品質量、清除安全隱患等方面起著日益重要甚至不可替代的作用。第二張，PPT共二十九頁，創作于2022年6月國外20世紀70年代初，日本大阪大學的上田幸雄教授等人,提出了考慮材料力學性能與

2、溫度有關的焊接熱彈塑性分析理論，導出了分析焊接應力應變過程的表達式，從而使復雜的動態焊接應力過程的分析成為可能。 1973 Vaidyanathan利用板殼理論,提出了薄壁管對接環焊縫殘余應力的計算方法 。1978 Rybicki等人，將三維焊接應力問題簡化為軸對稱問題之后 BYYDong建立了奧氏體不銹鋼管道環焊縫的殘余應力三維有限元模型 1997 LELindgren等用三維熱力耦合的有限元方法模擬了大型銅罐電子束焊接接頭殘余應力 此外，Medill采用三維熱彈塑性有限元模型模擬了航空常用的Wasplay Ni基合金電子束平板對接接頭殘余應力 第三張，PPT共二十九頁，創作于2022年6月

3、國內我國在計算機分析焊接力學方面起步較晚，但發展迅速。在20世紀80年代初西安交通大學和上海交通大學等就開始了關于焊接熱彈塑性理論及在數值分析方面的研究。 此后，西安交通大學的張建勛7采用熱彈塑性有限元法，應用有限元程序TEPFEM，分析計算了Co基合金靜葉片電子束焊接時的焊接工藝對焊接殘余應力的影響。 西安石油學院的李棟才等人采用彈塑性有限元方法對超載拉伸消除焊接殘余應力過程進行了數值模擬 天津大學材料學院的陳俊梅利用ANSYS軟件對Q235B鋼十字接頭的焊接殘余應力進行了有限元計算。 事實上，已有的數值模擬研究成果已經使我們對復雜的焊接過程有了深入的了解，為解決焊接殘余應力帶來了新思路和新

4、方法。因此，我們有理由相信，隨著人們對焊接殘余應力認識的深入和計算機技術的高度發展，焊接殘余應力數值模擬技術具有廣闊的應用前景。 第四張，PPT共二十九頁，創作于2022年6月2 數值模擬技術隨著計算機技術和計算方法的發展，復雜的工程問題可以采用離散化的數值計算方法并借助計算機得到滿足工程要求的數值解，數值模擬技術是現代工程學形成和發展的重要動力之一。第五張，PPT共二十九頁，創作于2022年6月第六張，PPT共二十九頁，創作于2022年6月第七張，PPT共二十九頁，創作于2022年6月數值模擬技術受到重視的原因由于系統越來越高性能化或復雜化，單純的試驗已難以使嚴峻的狀況重現出來。有些問題只能

5、使用數學模型才能了解其狀況。計算機的性能已經大大提高和普及。第八張，PPT共二十九頁，創作于2022年6月數值模擬的基本步驟1. 建立反映問題（工程問題、物理問題）本質的數學模型。具體說就是要建立反映問題各量之間的微分方程及相應的定解條件。2. 建立真實的物理模型，就是與現實中所對的理想化的模型3. 剖分，將待解區域進行分割，離散成有限個元素的集合4. 導入物性數據，以及其他參數。5. 單元分析，求解近似變分方程 6. 后處理第九張，PPT共二十九頁，創作于2022年6月數值模擬技術在焊接中的應用1）焊接熱傳導分析2）焊接熔池流體動力學3）電弧物理4）焊接冶金和焊接接頭組織性能的預測5）焊接應

6、力與變形6）焊接過程中的氫擴散7）特殊焊接過程的數值分析8）焊接接頭的力學行為第十張，PPT共二十九頁，創作于2022年6月焊接數值模擬軟件 SYSWELD ANSYS、MSC-NASTRAN、 ABAQUS、MARC DYNA WSDP第十一張，PPT共二十九頁，創作于2022年6月3 對接薄板的殘余應力數值模擬理論殘余應力分布曲線第十二張，PPT共二十九頁，創作于2022年6月a.確立研究對象1）坐標系：x軸為焊接線方向、y軸為板寬方向。2）大小：板長1500mm、板寬600mm、板厚6mm。b.焊接條件1）焊接電流I=200A，焊接電壓U=18V，焊接速度v=3mm/s。2) 焊接開始位

7、置的x坐標=-750mm。3）焊接終止位置的x坐標=+750mm。4）焊道的半寬為5mm。第十三張，PPT共二十九頁，創作于2022年6月 c. 單元劃分 劃分范圍：為節約計算時間，考慮其構件的對稱性，所以取接頭的1/2部分進行單元劃分來減少計算的時間。 單元大小：焊接線附近5mm，即使遠離焊接線也要 20mm 單元數： 6000個 節點數： 6321點第十四張，PPT共二十九頁，創作于2022年6月d.物性數據第十五張，PPT共二十九頁，創作于2022年6月 e.焊接過程中的溫度分布圖第十六張，PPT共二十九頁，創作于2022年6月f.焊接溫度分布曲線 第十七張，PPT共二十九頁，創作于20

8、22年6月第十八張，PPT共二十九頁，創作于2022年6月g.焊接過程中的熱應力分布第十九張，PPT共二十九頁，創作于2022年6月第二十張，PPT共二十九頁，創作于2022年6月h.焊縫的殘余應力第二十一張，PPT共二十九頁，創作于2022年6月i.殘余應力的分布曲線及討論第二十二張，PPT共二十九頁，創作于2022年6月第二十三張，PPT共二十九頁，創作于2022年6月在沿焊縫的中部區域，縱向殘余應力大小基本上保持不變，為拉應力穩定區，在焊縫兩端的部位，其縱向殘余應力則由恒定值逐漸降至零，因為兩端部的邊界條件與中間部位有所不同 ，是自由邊界無約束。沿焊縫方向的縱向殘余應力第二十四張，PPT

9、共二十九頁，創作于2022年6月在焊縫及其近區的殘余應力為拉伸應力，稍微離開焊縫區，應力陡降繼而出現的是殘余壓應力。與焊縫垂直方向的 縱向殘余應力第二十五張，PPT共二十九頁，創作于2022年6月橫向殘余應力圖為鋼構件內部橫向殘余應力，焊縫處為拉應力，在焊縫附近為壓應力，而且應力的變化比較急劇。第二十六張，PPT共二十九頁，創作于2022年6月4 結論 焊接結構中存在的殘余應力，大大降低了材料的使用性能，為了提高鋼結構的使用安全，采用焊接結構變形預測軟件（WSDP）對對接焊件內部的溫度場和殘余應力分布進行模擬，得出其分布曲線，并與理論曲線進行比較。采用軟件模擬，可大大提高分析結構內部殘余應力的

10、效率，另外對結構設計還具有一定的預測性，在實際生產中具有一定的應用價值。 通過本文的殘余應力模擬，可得出以下內容： 1.焊接變形預測軟件WSDP以固有應變理論為基礎，通過彈性板單元有限元法計算焊接結構的變形，從而計算出殘余應力。 第二十七張，PPT共二十九頁，創作于2022年6月 2.在對接薄板的溫度場中，沿焊縫方向上的溫度分布在始終兩端部分，在焊接線上的最高到達溫度大致相等，而在開始端最高到達溫度最低，終端部分溫度最高。而終端最高到達溫度升高的原因是該部分電弧前方的金屬不存在，本應在前方由于熱傳導所喪失的熱量確在終端部分聚集，與此相反，開始的部分則因為沒有熱量的流入，所以溫度很低。 3.對接薄板的的殘余應力數值模擬是通過模型的構筑，單元的劃分，物性參數的導入和計算以及后處理，從而得出模擬結果。殘余應力的模擬曲線與其理論曲線基本相同。 4.數值模擬只是作為一種分析問題的方法，它并不能代替實際，而且在建模的過程中作了許多簡化，例如幾何尺寸的選取，以及在加載過程