基于有限元的焊接残余应力数值分析.pdf

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第 2 8卷第 4期 2 0 0 7年 4月 煤矿机械 Co a l Mi n e Ma c h i n e ] V0 1 . 2 8 N o. 4 Ap r .20 07 基于有限元的焊接残余应力数值分析 王金龙 潍坊学院 机电工程学院,山东 潍坊 2 6 1 0 6 1 摘要分析 了用有限元法计算焊接残余应力的基本理论 , 并对焊缝的温度场和应力场进行 了数值模拟, 结果表明 焊缝附近存在较高的温度和较大的残余应力值, 它们将直接降低焊件的强 度和刚度 , 影响焊件的性能。 关键词 焊接 ;残余应力;有限元;温度场;应力场 中图分类号 T G 4 04文献标志码 A 文章编号 1 0 0 3 0 r 7 9 4 2 0 0 7 0 4 - 0 1 0 5 0 2 N ,u me r i c a l An a l y s i s o f W e l d i n g Re s i d u a l S t r e s s Ba s e d Fi n i t e El e me n t W A NG J .m l o n g C o l l e g e o f c a l a n d E l e c t r o n i c o f We i f a n g U ni v e r s i ty 。 We ff a n g 2 6 1 0 6 1 。 C h i n a Ab s t r a c t An a l y z e d t h e b a s i c the o r y o f c a l c u l a t i n g。w e l d i n g r e s i d u al s t r e s s b y fi n i t e e l e m e n t m e tho d,a n d t e m p e r a t u r e an d s t r e s s fi e l d s o f we l d we r e s i mula t e d. e res ult s i n d i c a t e tha t t e mp e r a t u r e an d r e s i d u al s t r e s s e s a r e hig h e r n e a r the we l d,whi c h r e d u c e s t r e n g t h an d r i g i d i t y o f we l d,a n d a ff e c t c a p a b i l i ty o f we l d. Ke y wo r d s we l d i n g;r e s i d u al s t r e s s e s;finit e e l e me n t ;t e mpe r a t u r e fi e l d;s t ress fie l d 0 引言 由焊接产生的动态应力应变过程及其随后形成 的残余应力是导致焊接裂纹和接头强度号l 生 能下降 的重要因素 。所以了解焊接接头残余应力大小和分 布以便调控和减少残余应力变得十分必要。测量残 余应力的方法 主要有盲孔法和 x射线衍射法 , 这些 方法需要专门的实验设备 , 若要 了解焊接接头区域 的残余应力变化情况 , 则费时费力 , 随着计算机技术 和有限元方法的快速 发展 , 引发了焊接模拟技术的 热潮 , 它不仅可以节省实验时间 、 节约研究经费 , 而 且可以了解试件上残余应力的连续分布规律, 优化 焊接工艺。 、 1 基本理论 1 焊接热输入 电弧热源把热能传给焊件是通过一定作用面积 进行的, 将电弧看成辐射状对称并呈高斯分 布的二 维热流作用 于工件 , 则热输入的高斯分布为 g , e X p 一 萼 1 【/- b ,b 式中q r 距加热中心 r 处的热流 ; 刁 电弧热效率 ; , 、 £ , 焊接电流 、 电压 ; 由于局部的热输入而导致不均匀的温度场 。焊接温 度场通过热变形和显微组织变化引起的相变产生焊 接残余应力。影 响温度场的因素很多 , 如 焊接热 源 、 焊接速度、 焊接材料尺寸 、 边界条件 、 材料热物性 等。因此在计算温度场 时应综合考虑以上 因素 , 温 度场热传导的总控制方程为 筹 筹 ] 筹 ] ] Q 2 式 中 c 比热; 导热率 ; 』 D 材料密度 ; 卜温 度 ; 9 内部热源强度。 3 焊接应力场 焊接应力场弹塑性变形的根本原因是由于温度 场 的存在 , 焊接残余应力 的本质是 由于在焊接过程 中产生了不可恢复的塑性变形, 因此应力场 的本构 关系为 { d } [ D] { d £ } 一{ c } d T 3 式中{ 曲 l 应力增量 ; { d £ } 应变增量 ; d 卜温度增量 ; r 电弧有效加热半径。 [ D] 弹性或弹塑性矩阵; 焊接热源模型采用移动高斯热源 , 通过一系列 { c } 与温度有关的量。 载荷逐渐加到焊缝单元中。 2 计算实例 2 焊接温度场热传导的控制方程 1 计算模型 焊接残余应力和变形的根本原 因是焊接过程中 用铝焊缝将钢和铜连 接在一起 , 确定焊接后的 。 1 0 5 ’。 维普资讯 垫 . 基王查 竖 金 _王金龙 第2 8 卷第4 期 残余应力和焊接过程中的温度变化和应力分布, 假 定钢和 铜 的参 考 温 度 为 3 0℃, 铝 的参 考 温度 为 1 5 0 0℃。计算模型如图 1 所示。 2 材料属性 焊缝材料属性见表 1 所示 。 表 1 焊缝材料属性 2 图 1 焊缝 结构 示意 图 3 计算结果分析 1 计算过程 在模 型的左边界加位移约束。为了实现焊接时 新焊缝的顺序增加 , 对于焊缝 区域 , 首先将该 区域的 单元“ 杀死” , 随后在合适 的求解时间将要熔敷 的焊 缝单元激活。 2 温度场计算 图 2给出了焊接完毕冷却一段时间后焊缝及材 料各部分温度分布等值 线图。从 图中可以看 出, 温 度从焊缝向左右两侧逐渐递减 , 焊缝处及焊缝 右侧 铜材的温度较高 , 最大为 1 5 5 . 5 4 7℃。 图 3 焊接完毕残余应力分布图 图4给 出了焊接过程 中不 同节 点处应力 变化 图。其 中, 曲线 4和 曲线 1分别 给出了焊缝左右两 侧节点 2 6 0和节点 1 7 7的应力 变化 图; 从 图 4中可 以看出, 在焊接过程中左右两侧应力均是先增大后 减小 , 且左侧应力变化 幅度较 大。曲线 3和 曲线 2 分别给出了焊缝右边界处节点 1 0和左边界处节点 3 5的应力变化图 ; 从 图 4中可 以看 出, 在焊接过程 中焊缝左右边界处 应力均是不断增大, 且焊缝左边 界处应力变化幅度较大。 1 0 o 0 8 0 0 6 0 0 善 4 0 0 X 2 0 0 1 0 6一 收稿 日期 2 0 0 6 - 1 1 - 0 4 维普资讯
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