地铁构架典型焊接接头的残余应力分析 (1).docx

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1、地铁构架典型焊接接头的残余应力分析目录摘要1abstract2第一章 绪论311引言4111概述4112焊接数值模拟技术的发展及现状5第二章 基本理论521概述522传热学问题5221综述523弹塑性有限元分析方法6231概述624热机耦合6241概述6第三章 焊接热源与热循环参数631焊接温度场分析的必要性732焊接材料及热循环参数733焊接热影响区的组织和性能8第四章 焊接残余应力和变形1042热弹塑性法计算热应力和变形11421材料性能参数的计算11422模型的建立11423动态网格加密技术12424用单元死活技术模拟焊缝金属的填充1343焊接收缩力方法的焊接构架变形分析1444焊接残余

2、应力与变形的探讨15第五章 结论与展望16参考文献17致谢19摘要地铁的构架是转向架的主要承载部件，是转向架其它各零部件的安装基础，它不仅要支承车体和各种零部件，而且需要传递 各种载荷，对刚度和制造精度具有较高的要求，焊接构架的残余应力 与变形的控制直接关系到铁路的行车安全。如何降低焊缝接头处的残 余应力和变形是焊接构架的生产过程中所亟待解决的问题。 焊接数值仿真是一个涉及许多学科的复杂的技术。在焊接过程中， 特别是在复杂的焊接结构。热源的移动，伴随着焊缝熔敷金属的填充， 而且材料性能随温度剧烈变化这造成求解问题的非线性性严重和求 解的困难。 本文根据施工现场的焊接规范，结合焊接过程的特点，在

3、cAD软件 IDeas9O中创建出几何模型。利用Fortfall语言编制了实现焊接路径数 据的提取与生成数据库文件的程序编写了沿着任意一条 三维曲线移动的焊接移动热源的用户子程序nux，其目的是使复杂 焊接路径的焊接仿真变得容易进行；基于单元死活技术编写了模拟燃 缝会属填充的用户予程序；编制了能实现动态自适应网格技 术的用户子程序，以降低求解规模。 本文在研究焊接传热问题和热机耦合问题数值方法的基础上，采用国际上通用的非线性有限元分析软件MSCMarc结合上述编制的刚 户子程序，对提速货车的焊接构架的典型焊接接头电弧焊温度场和应 力场进行数值仿真，实现了焊接热源沿任意路径的移动、焊缝金属的 填

4、充以及网格的随热源移动的动态加密得到了三维焊接热残余应力 和变形的变化规律。但是由于所研究问题的复杂性，在当前计算机硬 件的条件下，本文仅能对焊接的典型接头形式进行数值模拟。如果硬 件条件足够好，就能够对整个提速货车的构架的焊接全过程进行有效 的数值仿真。 是后，本文基于焊接收缩力理论对提速货车的构架总成及各组成 梁进行了焊接变形有限元分析计算，其计算结果可以为预测构架焊接变形提供一种方法，而且可供其它列车转向架构架的焊接质量控制借鉴。关键词：焊接构架；残余变形及应力；单元死活；移动热源abstractThe frame of the subway is the main bearing pa

5、rt of the bogie and the installation foundation of the other parts of the bogie. It not only supports the car body and various parts, but also needs to transfer various loads, and has a high requirement for the rigidity and the manufacturing precision. The control of the residual stress and deformat

6、ion of the welded frame is directly related to the railway line. The car is safe. How to reduce the residual stress and deformation at the weld joint is an urgent problem to be solved in the production process of welded frames.Welding numerical simulation is a complicated technology involving many s

7、ubjects. During welding, especially in complex welded structures. The movement of the heat source is accompanied by the filling of the weld metal, and the material performance changes sharply with the temperature. This causes the problem of serious nonlinearity and difficulty in solving the problem.

8、 According to the welding specifications of the construction site and the characteristics of the welding process, a geometric model is created in the cAD software I - Deas9.O. Using the Fortfall language, a user subroutine, nux, which is used to extract and generate the data from the welding path, i

9、s programmed to move the welding heat source along any three dimensional curve. The purpose is to make the welding simulation of the complex welding path easy to carry out, and to write the Simulated Combustion Based on the cell dead technology. Seams will be filled with user programs, and user subr

10、outines that can implement dynamic adaptive grid technology are compiled to reduce the size of the solution. On the basis of the study of welding heat transfer and the numerical method of heat engine coupling, this paper uses the international nonlinear finite element analysis software MSC.Marc comb

11、ined with the newly developed rigid household subroutine to simulate the arc welding temperature field and stress field of the welding frame of the speed raising truck. The dynamic encryption of the welding heat source along any path, the filling of the weld metal and the moving of the grid with the

12、 heat source. The change law of the thermal residual stress and deformation of the three dimensional welding is obtained. However, due to the complexity of the research problems, under the current condition of computer hardware, this paper can only simulate the typical joint forms of welding. If the

13、 hardware condition is good enough, the whole welding process of the whole speed truck can be effectively simulated. In this paper, based on the theory of welding contraction force, the finite element analysis and calculation of welding deformation of the frame assembly and each beam of the speed-up

14、 truck are carried out. The calculation results can provide a method for predicting the welding deformation of the frame, and can be used for reference for the welding quality control of the other train steering frame.Key words: welding frame; residual deformation and stress; unit dead and alive; mo

15、ving heat source第一章 绪论11引言111概述目前，焊接已成为复杂结构制造过程中的加工方法。世界主要工 业国家每年生产的焊接结构约占钢产量的45左右m。许多尖端技术如 宇航、核动力等如果不采用焊接结构，实际上是不可能实现的。焊接 结构与其它加工方法相比可节省金属材料，具有好的密封性，工序简 单，生产周期短，而且可以生产一些别的工艺方法难以完成的结构。 因此，焊接结构在现代结构件中占有的比例越来越高。 虽然焊接结构有很大的优点，但它同样存在着一些缺陷，如n，： 1焊接结构的应力集中变化范围大； 2焊接结构有较大的焊接应力和变形： 3焊接结构具有较大的性能不均匀性； 4焊接接头的整

16、体性使焊接结构止裂性能降低。 焊接不足的主要来源之一是焊接过程产生的应力和变形。由于焊 接结构和接头形式的不同，产生了各种焊接变形，大致可分为下列七 类01：纵向收缩变形、横向收缩变形、挠曲变形、角变形、波浪变形、 错边变形、螺旋形变形。这些变形中的若干种往往会同时出现，互相 影响。 焊接残余应力对焊接强度会产生各种影响，例如三维残余拉应力 增加了裂纹处发生断裂的可能性，一维和二维残余拉应力会降低材料 的耐腐蚀性能且提高其稳定极限，残余压应力则能提高焊件疲劳强度 等。有残余应力的焊件在随后的加工，贮运及使用过程中还可能发生 变形，如焊接在切削加工过程中的回弹变形会对其加工质量产生严重 影响，焊

17、接变形还会降低焊件的疲劳强度和承载能力，也可能导致焊 件加工时超过规定的制造公差。 因此需要有效控制和减小焊接残余应力和变形。降低焊接残余应力或减少焊接变形的措施分为焊前、焊时和焊后措施，焊前措施指焊 件结构设计及材料选择方面所采取的措施，也包括预先成型，选择焊 件支撑或固定方式以及确定焊接顺序。 焊时措施包括预热和冷却，焊 后措施则指焊后消除应力处理或矫正处理。目前，降低焊接残余应力 和预防焊接变形的措施主要靠经验积累，缺少定量的理论指导。对残 余变形的矫正会恶化材料力学性能，降低强度。如果能够根据结构和 材料提供定量的设计和加工工艺，控制焊接变形以及减少甚至避免矫 正，对于焊接结构有重大意

18、义。 现代工业制造对残余应力和变形的要求越来越严格。而应力和变 形产生于焊接过程中，通过焊前和焊后的措施不能达到准确预测和控 制焊接应力和变形的目的。减少变形的最有效的方法是控制近缝区的 塑性应变的形成而这种控制必须在焊接过程中进行。由于结构的不 可重复性和许多情况下不可能做到实时控制有必要发展事先的预测 和优化手段。 随著计算机技术和CAE的发展，通过选择恰当的数值方法和技巧 求解或模拟科学和工程中的问题，已经在很多领域做出了实质性的贡 献井产生了很大的效益，在焊接领域中也是如此，数值模拟实时分析 控制残余应力和变形的研究日益活跃。通过数值模拟，可使过程达到 最优变量参数组合这样使焊后释放应

19、力措施减少到最少。焊接过程 的模拟使预测瞬时应力，残余应力和变形成为可能，从而可以估计结 构上的不协调和由残余应力累加工作应力引起的没有预兆的失效。尤 其是在研究不同焊接工艺(如焊接热输入，装配顺序，焊接次序，预热 温度等)对焊接应力和变形的影响时数值模拟更有优越性。采用传统 的试验方法耗资大，周期长，而且试件和试验工件也存在误差。用现 有的试验方法来研究焊接内部力学行为的规律则更加困难。数值模拟 可以解决这些问题，对焊接接头形式或焊接工艺进行优化。所以焊接过程的数值模拟不仅能加深对复杂焊接现象本质的认识，而且更重 要的是提出科学的定量依据。优化结构设计和焊接工艺，提高构件的 质量和工作性能。

20、 我国的焊接工艺迄今仍基本依靠实验方法进行控制和调整，但对大型工件而言，通过实际工件实验调整以改进工艺代价十分昂贵，因 而结合一定模拟件的测试，采用计算机对焊接过程进行数值模拟并进 行工艺优化，提高热加工精度与效率，是现代的、经济的、科学的方 法。因此，大型工件热加工工艺数值模拟与工艺优化研究的开展与实 际应用，既有重要的科学技术意义，又能产生重大的经济效益。112焊接数值模拟技术的发展及现状焊接数值模拟技术主要朝着两个方向发展，一方面通过研究焊接 的数值模拟，获得焊接过程中的全部信息： 另一方面，针对工程问题 考虑使用简化的模型，降低问题的复杂性，只要满足工程需要即可。 1941年Rosen

21、thal【6l提出了使用单个移动热源的焊接热循环热力学解决 方案当时没有考虑热源差异和热传导系数随的温度的变化。Tall【6l较 早地完善了模拟一维应力计算，其中以这些热力学模拟为基础考虑了 力学性能焊接弧柱宽度移动热输入，材料热力学性能随温度的非线 性变化，熔池的辐射依赖温度的热对流系数等方面达到比较成熟的 境地。这些程序令人信服地模拟了焊接过程中的熔化和凝固的物理过 程以及它们在热分柿和连续应力计算巾的影响。许多研究者通过热分 析和力学分析之间的相互关系的研究证明它们之间的联系很弱。因此， 可以对温度分布和应力独立建模计算。 焊接过程模拟，考虑到移动电极，实际上是三维问题，需要花费 巨大的

22、计算机机时和精力。以简单过渡为基础的等效二维准稳态模型 被广泛用于替代三维非稳态焊接过程。第二章 基本理论21概述焊接热过程分析包括焊接热源的大小和分布形式分析、热物理性 能随温度变化的影响分析。焊接熔池中的流体动力学和传热分析，焊 接电弧的传热传质分析，以及各种实际焊接接头形式、焊接程序、焊 接工艺方法的边界条件处理等。数值模拟这一过程要涉及到传热学、 弹塑性问题的理论知识。22传热学问题221综述自然界中的传热现蒙无处不在。几乎所有工程问题都在某种程度 匕上与热有关。根据传热问题类型和边界条件的不同，可将热传导问 题分类。例如与时间无关的稳态传热，与时自J有关的瞬态传热等。23弹塑性有限元

23、分析方法231概述焊接过程中金属发生了剧烈的变化，不同区域产生不同性质的变 形。物体在线弹性变形时，其应力和应变为线性关系，但当物体产生 塑性变形后，塑性区内的应力和应变为非线性关系。而且由塑性理论可知，它们之间已不荐是一一对应的了。塑性应变的大小，不仅决定 于当时的应力状态，而且还决定于物体塑性变形的历史。卸载时，在 塑性区内产生的应变和应力，按线性关系变化。在一个变形体内，不 仅各点的应力状态是不相同的，而且随着加载是变化的，通常变形体 受外力作用时，从一个区域到另一个区域，等效应力是逐渐地达到屈 服极限，即进入弹塑性状态。这就是说在变形体中各单元的应力和应 变状态是不一样的。由于塑性应力

24、应变的这些特点，弹塑性有限元法 比线弹性有限元法要复杂得多，求解起来也困难的多。 提到塑性变形状态，必须提到塑性状态描述的必要条件：屈服准 则判断材料屈服的标准；流动准则多轴应力场的本构关系： 硬化准则单轴应力状态下塑性应变与应力之间的关系。24热机耦合241概述材料具有热胀冷缩的特性。在焊接过程中，伴随着温度的急剧变 化。准确地仿真这样一个热机耦合过程，以得到合理的结果，一直是 一个令人感兴趣而又很难的课题。在这些过程中，温度与位移两种不 同场变量之间存在着相互作用，在分析过程中如果把温度场的求解 和应力场的求解分玎处理，将很难取得工程上可靠的结果。因为除了 温度变化对结构变形和材料性质产生

25、影响外，结构变形也会反过来改 变热边界条件进而影响温度的变化。也就是说温度与位移之间的耦 合是很强的。一般来讲，变形对温度的反作用表现在以下两个方面： 1经历大变形后物体几何形状发生变化单元体积或边界面积也 随之改变。施加在这些单元上的热边界条件也因此变化。 2弹性功耗散转换成热。比如绝大部分的塑性变形功率都会转换 成体积热流，几乎全部摩擦力的功率也不可逆地转化成表面热流。对 于上述温度与位移存在强耦合作用的问题，若用先算温度、后分析热 应力的解耦方法分析会产生较大误差。比较精确的分析是按照热机耦 合场的求解方法，同时处理热传导和力平衡两类不同场方程。 过去对这些熟一机耦合问题的研究，主要是通

26、过实验的方法获得其 规律，随着cADCAECM技术在制造业中的广泛应用，人们开始使用数值仿真技术来研究。对于上述温度与位移存在强耦合作用的问题， 按照热一机耦合场的求解方法，同时处理热传导和力平衡两类不同场 方程，可以获得比较精确的分析结果。第三章 焊接热源与热循环参数31焊接温度场分析的必要性焊接过程中施加的局部的依从于实践的集中热输入，可使焊接部 位形成熔化区(熔焊)，这正是引起残余应力和焊接变形的根源。如果 同时施加压力时产生局部塑性变形，则只需加热到熔点以下的温度就 足以形成焊接接头(压焊)。在特殊情况下，只依靠局部压力即可实现 焊接(冷焊)。由于金属材料中热传播速度很快，焊接必须利用

27、高度集 中的热源；因此，焊接时的温度场也是非常不均匀和不稳定的。在最 不利的情况下，构件的初始温度可达40(严寒天气)，而焊接熔池中 的局部最高温度可达金属的气化温度(钢的沸点约3000)。在这个温 度范围内，母材和填充金属均被熔化，焊接熔池中将发生各种冶金反 应，各部位的金属分别凝固、再结晶在加热冷却过程中，金属还会 发生显微组织的转变。因此，温度场不仅直接通过热应变，而且还州 接通过随金属状态和显微组织变化引起的相变、应变决定焊接残余应 力(图11)。从这里两方面考虑均应首先确定焊接温度场，此外，它 还和材料和工艺过程方面的问题有联系。32焊接材料及热循环参数材料的高温性能参数对焊接过程数

28、值模拟的结果和计算过程均有 较大的影响，因此也必然要对数值模拟的精度和准确性产生影响。而 材料高温性能方面的数据较少，并且实验结果的稳定性和准确性也比 较差：其次材料在足够高的温度下，屈服极限和弹性模量等重要参 数的数值将失去其实际物理意义，但由于焊接过程的数值模拟基本上 是以弹塑性理论为基础的，因此这些参数必须是非零值，而这些参数 取值过小会导致收敛的困难，并且即使收敛也会使计算时间大幅度增 加，参数取值偏大又会影响结果的准确性。因此，本研究将针对现场 中提速货车焊接构架的具体材料，对材料高温性能参数作适当的调整， 使其在不影响计算的精度的同时，能够提高计算效率。焊接热源与热循环参数为了考虑

29、材料物理性能参数对焊接温度场和应力场的影响，在采 用热弹塑性有限元方法进行数值模拟时要对材料性能参数特别是高温 时的性能参数进行处理，材料性能参数中热传导率入、比热c、表面辐 射效率单位体积的质量密度p都与温度相关。在分析残余应力的场 合，这一温度范围相对较低，在此范围内材料的屈服点相对较高(例 如，低碳钢时，20500)。应区分材料的特征值中随温度变化的瞬时 值和在一定温度范围内的平均值。以文献1】为基础导出的软钢(铁素 体或亚共析钢)和低合金钢、高合金(奥氏体)钢的和的特征值和温 度的关系以曲线轮廓范围如图313-5所示。33焊接热影响区的组织和性能熔焊时在集中热源的作用下，焊缝两侧发生组

30、织和性能变化的区 域称为“热影响区”(HeatA醯t zone)，简称HAz或称“近缝区”(Ne缸 WeldZe)。焊接接头是由两个主要部分所组成，即焊缝和焊接热影响 区。焊接过程中热源沿焊件移动时，焊件上某点温度由低而高，达到 最高值后，又由高而低随时间的变化称为焊接热循环。它是描述焊接 过程中热源对被焊金属的热作用。焊接热循环的主要参数有122】123】【24l加 热速度、加热的最高温度、在相交温度以上的停留时间、冷却速度和 冷却时间。这几个因素可以根据焊接条件和焊接熔池的几何形状及物 理参数的大小来调整，本文通过自编的Fortrall语言程序coolcubfor 计算分析冷却速度，、冷却

31、时间(勘)和控制晶粒长大。在试验研究工 作中，测定瞬时温度的冷却速度会带来较大误差。因此，目前多采用 一定温度范围内的冷却时间来代替冷却速度并以此作为研究焊接热 影响区组织、性能和抗裂性的重要参数。 Fortran语言程序coolcu-bfor计算冷却曲线程序的部分源代码如下：DOUBLE PRECISION CTEMP(16)，TIME(16) DOUBLE PRECISIONC l，C2，CURR，EFFSPEED， THIGH， TLOwVOLT INTEGER LWLIFAIL=OTHIGH=1000ODO(TmrrGT499o)G01o 100GoTOllO100 IFAII=lGO

32、T0150110 DO 140|：116CTEMP(I)=THIGHI+50O焊接热源与热循环参数TUDW=C11jMP(D 7(TLOWLET呵n GoTO 120GOT0130 120 CTEMP(D_T斟T+1O TLOW_TD盯+1O130 T讧E(D=(CURR+VOIjrSPEED)+EFF(C1+(1OD+ooC2)。 & (THIGH-T烈T)(1OC2)一(TLO、nTrNT)(1OC2) TIM=TvIE(10)-TIME(4)对于一般碳钢和低合金钢采用相变温度范围的800500冷却时 间(f)。而对冷裂倾向较大的钢中有时采用800300冷却时间(f阴) 或由峰值温度冷至1

33、00的冷却时间(，。口)。计算了冷却时间分为厚大焊 件和薄板焊接两种不同情况【42】。第四章 焊接残余应力和变形焊接过程及焊后的热应力及相交应力场，在很大程度上是非线性 非弹性的。在连续介质力学中，非线性非弹性场问题求解的一般做法 是处理成线性化的弹性场问题，用线弹性解来求得与应力场相关的基 本问题。本章给出两种针对不同问题的解决办法，对于相对简单的热 应力问题可以用解析法来解决，该线弹性解可能是进一步非线性求解 步骤中的初始点，线弹性解限于处理不必考虑非线性作用相变影响的 热应力问题；对于研究残余应力与变形，使其能够达到足够精度的结 果。则必须考虑采用热弹塑性有限元法。 大量的分析计算和实验

34、研究都表明，采用热弹塑性有限元法来讨 论焊接过程的力学特点是行之有效的。在研究残余应力和变形时，对 材料在高温的行为做了假设和简化，这样的处理对于残余应力和残余 变形的分析能够提供足够精度的结果，但是计算熔池附近的瞬态热应 力应变时则不够准确。研究者们认为，应变做功引起的热效应比起温 度变化和凝固潜热释放的热效应实在是太小了，可以忽略，因此热过 程求解和应力演化过程求解可以分别进行，并将计算的温度变化数据 转化为温度载荷加入应力模拟计算中。 焊接热弹塑性有限元方法分为两个步骤：焊接传热分析、应力变 形分析。即是，先通过焊接传热有限元分析得到整个焊接和冷却过程 中每一刻工件中的温度场。再将所得的

35、温度数据。输入热弹塑性有限 元分析程序，进行焊接变形和残余应力的分析计算。现利用商业软件 MSCMarc可以进行此类问题的计算。 三维热弹塑性分析计算工作很大，记录了焊接热力学全部的过程， 不仅可得到焊接后结构的整体残余变形，而且可以分析残余应力，同 时还可以分析整个焊接过程中的动态应力和变形。因而它是在需要详 细了解焊接变形和应力的规律时的有力工具。 三维热弹塑性分析虽然有很多优点，但是对于提速货车构架这样的大型复杂件，如果采用热弹塑性分析，则求解规模是目前的软硬件 条件无法承受的。焊接收缩力法则是解决这类问题的一个行之有效的 途径。42热弹塑性法计算热应力和变形421材料性能参数的计算材料

36、性能参数计算根据材料的化学成分、物理性能等参数计算出 焊接构架的工艺参数，同时确定各个阶段的仿真时间。对于提速货车 焊接构架其材料采用压力容器用钢16Mf浓钢，其含碳量为O2，含 硅量为O2O6，含锰量为120160，含磷量为0035， 含硫量为O035。根据这些参数通过子程序计算出加热速度、加热的 最高温度、在帽变温度以上的停留时间、冷却速度和冷却时问。为了 考虑材料物理性能参数对焊接温度场和应力场的影响，要对材料性能 参数特别是高温时的性能参数进行输入，材料性能参数中热传导率x、 比热c、表面辐射效率单位体积的质量密度p都与温度相关。在分析 残余应力的场合，这温度范围相对较低，在此范圈内材

37、制的屈服点 相对较高(例如，低碳钢时，20500)。应区分材料的特征值中随温 度变化的瞬时值和在定温度范围内的平均值。同时，在热弹塑性分 析中考虑了材料热物理和力学性能依赖于温度变化，考虑伴有相变的 温度变化过程中，温度、相变、热应力三者之问的耦合效应。422模型的建立首先，在IDeaS9O创建几何模型，在焊缝处提取数据点作为焊接 轨迹点，生成数据文件并利用Fomn语言开发的程序仃如sf0nfor 将数据文件传入用户子程序flll)cIfor中去用于分析。同时将有限元模型 输出成unv格式传入MSCMarc中。 焊接的初始温度施加到所有节点上。热机耦合分析时，环境温度 一般可以取为20，同时将

38、体积热流施加在焊接路径的指定单元上。一般来说，三维块体单元在力学模拟中有较高精度。然而当它用 于某些板较薄(r，1)且承受弯矩的地方，常会引起所谓“剪切锁 死”现象。此时，由于对刚度过分估计而使计算所得变形偏小。为了 防止该现象，可采用缩减积分法。423动态网格加密技术焊接数值模拟一直是焊接领域的研究热点，而焊接应力在这其中 更引起了焊接工作者的关注。数值模拟的结果能够明晰地显示焊接过 程复杂现象的物理本质，同时也是生产中优化工艺参数的重要手段。 按目前的计算机技术的发展水平，焊接过程的三维数值模拟仍比二维 问题困难得多，而最主要的问题是冗长的计算时间。计算时间过长主 要是由下述原因造成的：

39、(1)在三维焊接结构中自由度数大幅度增加；(2)严重的材料非 线性导致收敛非常困难；(3)焊接局部高温区的存在使收敛稳定性和 求解精度的控制困难加大。 针对上述第一点问题，本文歼发了网格自适应技术，该方法特别 适用于焊接过程。焊接可以看作相对较小的非线性区域在大的弹性体 上的运动。非线性区域代表着电弧作用下的区域，发生着较大的非线 性变形行为并且温度梯度很大。在结构上远离非线性区域的其余部 分在焊接过程中基本保持线性，并且温度变化范围相对较小。因此有 限元模型可以简化为用密网格代表电弧作用的局部区域而用疏网格代 表结构其它部分。动态网格自适应技术对于每一次有限元分析，我们 总希望能获得理想的计

40、算结果。采用网格自适应技术可以有效的节省 计算时间和提高计算效率。424用单元死活技术模拟焊缝金属的填充使用单元死活技术可以模拟焊接熔池金属的状态，焊接熔池中熔 化的液态金属具有如下两个方面性质： 1液态金属只能承受很小的应力，但在较小的应力作用下可发生 流动或变形。 2由于电弧前后金属加热熔化和降温凝固的性质，当焊缝金属熔 化或凝固时在液界面可以消除金属的原有应力应变，使重新凝固后固 态金属变成无应力、应交状态。为了解决上述问题，通常使用的方法是采用单元生死技术进行处 理，当温度加热到超过固液区上限温度时，把单元从有限元模型中删 掉，而当温度冷却到固液相区上限温度后又加回到模型中去，当单元

41、加回到模型中时没有任何变形。 焊接角焊缝、有坡口的焊缝或进行多道焊时，伴随着焊接金属的 填充现象。本文通过单元死活的方法来模拟这一过程。“死”的单元是 在分析的过程中不考虑这些单元的存在。在有限元分析中，这种技术 可以通过使单元变“死”而有效地将这些单元所在的材料从模型中移 去，在适当的时候激活这些单元则可以使这些单元处的材料重新参与 分析。在焊接过程中。随着焊枪的移动，焊缝之间被填充金属焊合， 这个过程这样来实现：焊接前填充金属都是“死”的单元当焊接过 程中移动热源经过时，焊缝处的单元顺序地被激活，单元变“活”。本 文是在MScMarc软件中通过用户子程序来控制实现的。43焊接收缩力方法的焊

42、接构架变形分析焊接变形的预测和控制一直是焊接工程中的一个难题，目前，我 国的焊接工艺仍基本依靠试验方法进行控制和调整，其模式为“理论 一试验一生产”。但通过实际工件的试验调整以改进工艺所付出的代价 很大。随着计算机和数值模拟与仿真技术的发展，国际上已出现了一 些预测焊接变形的先进方法，如热弹塑性有限元法、焊接收缩力法等。 热弹塑性法可以较为精确地模拟焊接变形，但对于较复杂的三维焊接 结构，需要大容量的计算机和很长的运算时间，对于本研究中的大型 结构梁结构，采用热弹塑性法模拟整个构架的焊接过程是不实际的。 为了避免费时的热力耦合计算，提出采用焊接收缩力的理论，直接将 通过公式计算出的焊接收缩力加

43、载到有限元模型上，通过弹性有限元 分析求得整个结构的焊接变形，计算时间将大为减少。 设想在焊缝部位存在有预应力金属线，这些金属线对原始无应力的构件作用有载荷，收缩力就是构件承载前拉伸单元的预应力，并因 构件的弹性而部分释放收缩力也可看作是假设为刚性构件的预应力。 在残余应力理论的意义上为初应力收缩力主要取决于焊接过程参数 以及材料的热力特征值，其次决定于构件的纵向刚度和焊接接头的热 流。其收缩力计算公式如下【I】： E：扭 (48) 印 其中系数“=o335。对于本文所研究部件16报钢，比热容c=477(脆g )、弹性摸量E_207lO口a)、线膨胀系数口=12l旷(1，)、密 度P=7870

44、0(g，m3)g。为单位长度焊缝的热输入，其计算公式为： 窖=Kj xK一 (49) 其中：以为焊缝的横截面积；为多道焊影响系数，x。=一一，疗为焊接道数； K为比例系数，对于本文使用的C02气体保护焊K昌41 提速货车构架是由侧梁、横梁，盘形制动吊座和牵引拉杆座等组 成。，本研究分别对构架的总成进行了有限元分析，有限元分析采用的 单元类型为四节点板壳单元，计算采用大型通用分析软件IDEAS90 侧梁为双腹板u形焊接结构梁，包括上、下盖板和腹板组成，中 间适当布置隔板。其中上盖板为三段拼接而成，两侧采用12姗厚钢 板，中央采用16mm厚的钢板，并且加宽。下盖板采用14mm厚钢板。 腹板采用12

45、mm厚的钢板。横梁采用由168mm的无缝钢管，壁厚为 12mm。侧梁和横梁组焊成H型构架构架的上、下盖板与立扳之问采 用焊缝强度较高的J形坡口，单面焊接双面成型。构架焊接后均不需热 处理，而是通过特殊的焊接工艺使焊接的残余应力减至最小。盘形制 动吊座焊接在横梁上，牵引拉杆座为低合金铸钢铸造结构，并焊接在 横梁的端部。构架为全钢焊接结构，主要材件的材质为低合金钢16NhlR。 构架总成通过8条对接焊缝、26条角接焊缝将侧梁、横梁及加强 座组焊而成。网格划分如图乒17所示，单元总数为25038，节点总数 为25387。边界约束条件：x、y、z方向约束取在侧梁两端导柱孔上。根据上述焊接收缩力的计算公

46、式，计算出每条焊缝的单位长度收缩力的大小， 施加在各段焊缝上，进行一次弹性有限元计算，即可得到焊接变形 从计算结果可以得到构架总成时，连接横梁、左右侧粱的34条焊 缝焊接以后的变形规律。图417中构架四角有四块定位板，其中心位 置分别标为A、B、C、D这里将中心位置的变化作为焊接变形计算 结果的考核指标。44焊接残余应力与变形的探讨在一般情况下，焊缝和近缝区产生拉伸塑性应变，抵消此处的拉 伸弹性应变，从而减少焊缝及近缝区残余拉应力。在无外载的情况下， 构件中不均匀分布的塑性应变是产生弹性应变的根源之一。当拉伸塑 性应变达到一个弹性屈服应变时，一般情况下也并不能完全消除残余 应力。因为通常焊后残

47、留固有应变量的绝对值要超过一个弹性屈服应 变值。拉伸塑性应变达到一个弹性屈服应变时，仍有部分固有应变残 留下来，构件重新平衡仍存在内应力，只是降低了很多。事实上，焊 接残余应力与焊接变形两者在很大程度上具有相反的行为特征一这是 在讨论如何减少焊接残余应力与焊接变形时遇到的基本问题：焊接时 被固定夹紧的构件，在焊后具有较高残余应力；相反，若焊时无任何 约束，则焊接变形较大而焊接残余应力相对较小。故要想制造出残余 应力与变形均低的焊件实际上是很困难的。因此，一方面需要区别 用于降低残余应力的措施(例如各种消除应力法)与用于减少焊接变 形的措施(例如各种矫正法)，另一方面也要综合考虑，使其中一些措

48、施能同时兼顾残余应力和变形。只有当拉伸塑性应变完全抵消收缩的 残留固有应变量时，除去了残余应力的生成源，才能完全消除残余应 力。 在提速货车构架的焊接数值模拟中，通过采用热弹塑性有限元法 分析构架典型接头的应力与变形和采用焊接收缩力法对构架的变形进 行分析发现，构架上产生了极不均匀的温度场(包括加热和冷却时的 温度梯度)，导致受约束的热应变和塑性应变，从而引起了残余应力。 残余应力的存在对焊接构架的疲劳强度和疲劳寿命等均有很大的影 响，特别是应力集中和高残余应力叠加的焊接接头，往往因此而产生了相当高的应交循环。若材料的韧性储备不足，就有可能开裂。同时， 由于组织性能的变化，还有可能提高裂纹的扩展速率。因此，需要对 构架中的焊接残余应力进行调整和消除。 采取两种方法可以消除残余应力，即热作用法和机械作用法前 者是将构架加热到一定的温度，随着温度的上升，材料的