基于有限元的焊接残余应力数值分析.pdf

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