對(duì)接接頭i型坡口焊接工藝研究畢業(yè)論文

1、<p><b>　　畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）</b></p><p>　　對(duì)接接頭中I型坡口研究</p><p>　　學(xué)生姓名： </p><p>　　系 別： 材料工程系</p><p>　　專 業(yè)： 焊接技術(shù)及自動(dòng)化 </p><p>　　學(xué) 號(hào)：

2、 </p><p>　　班 級(jí)： 焊接10 </p><p>　　指導(dǎo)教師： </p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　本文基于非線性有限元分析軟件MSC.MARC平臺(tái)，模擬了中碳鋼5mm厚I型坡口平板對(duì)接焊，以及在不同焊接工藝參

3、數(shù)下的溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)和焊接變形。利用MSC.MARC軟件模擬焊接的基本過程如幾何建模、參數(shù)設(shè)置、分析求解和結(jié)果輸出等，分析平板在不同外部約束條件的溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)，并對(duì)比分析不同約束條件下的焊后殘余應(yīng)力及焊后變形，由此得出何種約束條件對(duì)I型坡口平板對(duì)接焊的變形和殘余應(yīng)力影響因素最小，從而指導(dǎo)實(shí)際工作。</p><p>　　關(guān)鍵詞：焊接模擬，MSC.MARC，約束條件，殘余應(yīng)力，焊后變形</p><

4、;p><b>　　ABSTRACT</b></p><p>　　Based on the nonlinear finite element analysis software MSC. MARC simulation platform, the article has simulated the joint of 5mm thick medium-carbon steel plate

5、type, in different welding process parameters of the temperature field and stress field of the welding deformation and results. Using MSC. MARC software to simulate the basic process of welding simulation, such as geomet

6、ry modeling generation, parameter settings and the results outputting and definitely analyzes the temperature field an</p><p>　　Keywords: Welding simulation, MSC. MARC, Constraint conditions, the residua

7、l stress, welding deformation.</p><p><b>　　目錄</b></p><p>　　第1章 概 論1</p><p>　　1.1 課題背景及意義1</p><p>　　1.2 焊接應(yīng)力和焊接變形產(chǎn)生的原因1</p><p>　　1.2.1焊接應(yīng)

8、力產(chǎn)生的原因1</p><p>　　1.2.2焊接變形產(chǎn)生的原因1</p><p>　　1.3 焊接模擬技術(shù)國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀及發(fā)展2</p><p>　　1.3.1焊接模擬技術(shù)理論來源2</p><p>　　1.3.2 焊接模擬技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀3</p><p>　　1.3.3 焊接模擬技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)3</p&g

9、t;<p>　　1.4 本文主要任務(wù)和研究路線4</p><p>　　第2章MSC.MARC焊接模擬過程5</p><p>　　2.1 MSC.MARC功能簡(jiǎn)介5</p><p>　　2.2 焊接模擬基本過程5</p><p>　　2.2.1焊接模擬前處理6</p><p>　　2.2.2 焊接

10、模擬分析9</p><p>　　2.2.3 焊接模擬后處理9</p><p>　　第3章 溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)的模擬10</p><p>　　3.1 焊接工藝方案的確定10</p><p>　　3.2 溫度場(chǎng)的模擬及分析11</p><p>　　3.2.1 瞬態(tài)溫度場(chǎng)的模擬結(jié)果11</p><

11、p>　　3.2.2 溫度場(chǎng)的對(duì)比分析13</p><p>　　3.3 應(yīng)力場(chǎng)的的模擬與分析13</p><p>　　3.3.1 等效應(yīng)力分布14</p><p>　　3.3.2 等效應(yīng)力的對(duì)比分析16</p><p>　　3.4 本章小結(jié)17</p><p>　　第4章 約束條件對(duì)焊接變形的影響18&

12、lt;/p><p>　　4.1 有關(guān)焊接變形18</p><p>　　4.2 焊后變形結(jié)果及分析19</p><p>　　4.2.1 焊后宏觀變形及分析19</p><p>　　4.2.2 AB節(jié)點(diǎn)方向上的變形結(jié)果分析22</p><p>　　4.2.3 CD節(jié)點(diǎn)方向上的變形結(jié)果分析24</p>&

13、lt;p>　　4.3 本章小結(jié)26</p><p>　　第5章 結(jié) 論27</p><p><b>　　致 謝28</b></p><p>　　參 考 文 獻(xiàn)29</p><p>　　第1章 概 論</p><p>　　1.1 課題背景及意義</p>&

14、lt;p>　　焊接是一復(fù)雜的物理化學(xué)過程，長(zhǎng)久以來，焊接工藝主要依靠經(jīng)驗(yàn)積累和實(shí)驗(yàn)測(cè)試，成本消耗巨大且焊接質(zhì)量難以保證、廢品率高。由焊接產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)應(yīng)力應(yīng)變過程及其隨后形成的殘余應(yīng)力，是導(dǎo)致焊接變形、裂紋和接頭強(qiáng)度與性能下降的重要因素，因此將傳統(tǒng)焊接技術(shù)與現(xiàn)代計(jì)算機(jī)模擬仿真技術(shù)結(jié)合來預(yù)測(cè)焊后結(jié)果以及解決焊接過程中所純?cè)诘膯栴}，成為當(dāng)前材料加工領(lǐng)域的主要研究特點(diǎn)之一，其不僅可以節(jié)約大量人力財(cái)力物力，還可以解決目前實(shí)驗(yàn)室無法進(jìn)行直接研究

15、的復(fù)雜問題。借助計(jì)算機(jī)技術(shù)，對(duì)焊接現(xiàn)象進(jìn)行模擬，是國(guó)內(nèi)外焊接工作者的熱門研究課題并得到了越來越廣泛的應(yīng)用。</p><p>　　1.2 焊接應(yīng)力和焊接變形產(chǎn)生的原因</p><p>　　產(chǎn)生焊接應(yīng)力與變形的基本原因是由于焊接時(shí)試板的局部被加熱到高溫狀態(tài)，形成了試板上溫度的不均勻分布所造成的。其次，在焊接時(shí)，由于不同的焊接熱循環(huán)作用引起金相組織和宏觀體積的變化，當(dāng)體積變化受到阻礙時(shí)便產(chǎn)生了應(yīng)

16、力，從而出現(xiàn)局部與整體變形。</p><p>　　1.2.1焊接應(yīng)力產(chǎn)生的原因</p><p>　　焊接應(yīng)力按應(yīng)力作用的方向分為縱向應(yīng)力、橫向應(yīng)力和厚度方向的焊接應(yīng)力?？v向焊接應(yīng)力就是平行于焊縫長(zhǎng)度方向的應(yīng)力。在焊接過程中，鋼板中會(huì)產(chǎn)生不均勻的溫度場(chǎng)，從而產(chǎn)生不均勻的膨脹。在靠近焊縫一側(cè)高溫區(qū)受到熱壓力作用，而在遠(yuǎn)離焊縫一側(cè)受到熱拉應(yīng)力的作用。焊接完畢，試板自然冷卻，在近焊縫區(qū)段產(chǎn)生拉應(yīng)力

17、，在稍遠(yuǎn)區(qū)段產(chǎn)生壓應(yīng)力。橫向應(yīng)力是垂直于焊縫軸線的應(yīng)力。產(chǎn)生橫向焊接應(yīng)力的原因可分為焊縫的縱向收縮和橫向收縮2個(gè)方面。冷卻時(shí)，由于焊縫先后冷卻時(shí)間不同，先焊的先冷卻凝固，存在一定強(qiáng)度，阻止了后焊的焊縫在橫向的自由膨脹，使其產(chǎn)生橫向壓縮變形。后焊的焊縫冷卻時(shí)，橫向收縮受到阻止，而產(chǎn)生橫向拉應(yīng)力，而先焊部分則產(chǎn)生橫向壓應(yīng)力。厚度方向的焊接應(yīng)力常發(fā)生在多層焊中，上下表面溫差很大，溫度沿厚度方向分布不均，從而導(dǎo)致應(yīng)力的產(chǎn)生。</p>

18、<p>　　1.2.2焊接變形產(chǎn)生的原因</p><p>　　焊接變形分局部變形和整體變形。局部變形指焊接結(jié)構(gòu)的某部分發(fā)生變形，它在焊接中易矯正；整體變形指整個(gè)結(jié)構(gòu)的形狀或尺寸發(fā)生變化，是由于焊縫在各個(gè)方向上的收縮所引起的。</p><p>　　焊接變形產(chǎn)生的原因有以下幾種：</p><p>　?。?）不均勻的局部加熱和冷卻是最主要原因。焊接時(shí)，試板的

19、局部被加熱到熔化狀態(tài)，形成了試板上溫度的不均勻分布區(qū)，使試板出現(xiàn)不均勻的熱膨脹，熱膨脹受到周圍金屬的阻礙不能自由膨脹而受到壓應(yīng)力，周圍的金屬則受到拉應(yīng)力。當(dāng)被加熱金屬受到的壓應(yīng)力超過其屈服點(diǎn)時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生塑性變形；試板冷卻時(shí)，由于加熱的金屬在加熱時(shí)已產(chǎn)生了壓縮的塑性變形，所以，最后的長(zhǎng)度要比未被加熱金屬的長(zhǎng)度短些。</p><p>　?。?）焊縫金屬在冷卻過程中，體積發(fā)生收縮，這種收縮使試板產(chǎn)生變形和應(yīng)力。焊縫金屬

20、的收縮量取決于熔化金屬的數(shù)量，因而不同的坡口會(huì)產(chǎn)生不同的變形，長(zhǎng)焊縫的縱向收縮會(huì)對(duì)試板邊緣產(chǎn)生壓應(yīng)力，焊縫橫向收縮將會(huì)造成試板角變形，綜合作用，可能會(huì)使試板產(chǎn)生波浪變形。</p><p>　?。?）焊縫金屬及焊接熱影響區(qū)的組織發(fā)生變化。焊縫及焊接熱影響區(qū)金屬在焊接時(shí)加熱到熔點(diǎn)或固態(tài)相變溫度以上，冷卻過程中其金屬組織要發(fā)生變化。由于各種組織的比容不同，因此隨之發(fā)生體積的變化。</p><p>

21、;　?。?）試板的剛性限制了試板在焊接過程中的變形，所以剛性不同的焊接結(jié)構(gòu)，焊后變形的大小就不同。</p><p>　　除上述原因外，焊接方法、接頭形式、坡口形式、坡口角度、試板裝配間隙、焊接速度和焊接順序等都會(huì)對(duì)焊接變形和焊接應(yīng)力造成影響。</p><p>　　1.3 焊接模擬技術(shù)國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀及發(fā)展</p><p>　　1.3.1焊接模擬技術(shù)理論來源</p&g

22、t;<p>　　焊接是一個(gè)涉及傳熱學(xué)、電磁學(xué)、材料冶金學(xué)、固體和流體力學(xué)等多學(xué)科交叉的復(fù)雜過程。焊接工藝的仿真，主要是針對(duì)焊接溫度場(chǎng)、殘余應(yīng)力、變形等幾個(gè)方面，旨在改善焊接部件的制造質(zhì)量，提高產(chǎn)品服役性能，優(yōu)化焊接順序等工藝過程。常用的焊接數(shù)值模擬方法有：解析法，即數(shù)值積分法、差分法、有限元法和蒙特卡洛法。</p><p>　　數(shù)值積分法用在原函數(shù)難于找到的微積分計(jì)算中。常用的數(shù)值積分法有梯形公式、

23、辛普生公式，高斯求積法等；蒙特卡洛法又稱隨機(jī)模擬法。即對(duì)某一問題做出一個(gè)適當(dāng)?shù)碾S機(jī)過程，把隨機(jī)過程的參數(shù)用由隨機(jī)樣本計(jì)算出的統(tǒng)計(jì)量的值來估計(jì)，從而由這個(gè)參數(shù)找出最初所述問題中的所含未知量；差分法的基礎(chǔ)是用差商代替微商，相應(yīng)的就把微分方程變?yōu)椴罘址匠虂砬蠼?。差分法的主要?yōu)點(diǎn)是對(duì)于具有規(guī)則的幾何特性和均勻的材料特性問題，其程序設(shè)計(jì)和計(jì)算簡(jiǎn)單，易于掌握理解，但這種方法往往局限于規(guī)則的差分網(wǎng)格，不夠靈活。在焊接研究中差分法常用于焊接熱傳導(dǎo)、熔池

24、流體力學(xué)、氫擴(kuò)散等問題的分析；有限元法起源于20世紀(jì)50年代航空工程中飛機(jī)結(jié)構(gòu)的矩陣分析，現(xiàn)在它已被用來求解幾乎所有的連續(xù)介質(zhì)和場(chǎng)的問題。在焊接領(lǐng)域，有限元法已經(jīng)廣泛的用于焊接熱傳導(dǎo)、焊接熱彈塑性應(yīng)力和變形分析、焊接結(jié)構(gòu)的斷裂力學(xué)分析等。</p><p>　　經(jīng)過多年的發(fā)展，有限元數(shù)值模擬技術(shù)已經(jīng)成為焊接數(shù)值仿真的主流方法，因?yàn)楹附幼顬殛P(guān)心的是變形和殘余應(yīng)力的控制，而有限元方法在這方面有著明顯的優(yōu)勢(shì)。近年來各種焊

25、接模擬軟件和有限元分析軟件如ESI SysWeld 2009、SYSWELD、MSC.MARC等常用于焊接模擬分析中。其中，本文是基于MSC.MARC的研究。</p><p>　　1.3.2 焊接模擬技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀</p><p>　　在計(jì)算機(jī)技術(shù)日益發(fā)展的今天，計(jì)算機(jī)模擬方法為焊接科學(xué)技術(shù)的發(fā)展提供了有利的途徑。1993年，美國(guó)能源部組織美國(guó)、加拿大、日本、瑞典等25為專家對(duì)21世紀(jì)焊接科

26、學(xué)技術(shù)的發(fā)展動(dòng)向作出預(yù)測(cè)，其中焊接基本現(xiàn)象的模擬和仿真被列為最重要的研究方向之一。我國(guó)國(guó)家自熱科學(xué)基金委員會(huì)制定的學(xué)科發(fā)展戰(zhàn)略也將計(jì)算機(jī)模擬確定為機(jī)械熱加工的發(fā)展方向之一。</p><p>　　近二十幾年來，國(guó)內(nèi)外都對(duì)焊接模擬技術(shù)在焊接中的應(yīng)用進(jìn)行了許多的研究，取得了不少的成果。如日本大阪大學(xué)的上田幸雄教授長(zhǎng)期以來從事焊接熱彈塑性的研究，創(chuàng)建了“計(jì)算焊接力學(xué)”的新型學(xué)科，并出版了焊接力學(xué)專著。焊接數(shù)值模擬主要是通

27、過焊接熱過程，焊接冶金和焊接應(yīng)力應(yīng)變?nèi)矫孢M(jìn)行分析。焊接熱過程分析包括焊接熱源的大小和分布形式分析、熱物理性能隨溫度變化的影響分析，焊接熔池中的流體動(dòng)力學(xué)和傳熱分析，焊接電弧的傳熱傳質(zhì)分析，以及各種實(shí)際焊接接頭形式、焊接程序、焊接工藝方法的邊界條件處理等。焊接熱過程的數(shù)值分析開始于 20 世紀(jì) 70年代，1985 年樊丁和 M.Ushio 在假定電流為高斯分布的條件下，計(jì)算了電弧的壓力場(chǎng)分布規(guī)律，建立了較完善的電弧傳熱傳質(zhì)數(shù)值模型。《焊

28、接熱過程與熔池形態(tài)》對(duì)焊接熱過程和熔池形態(tài)有具體的分析和總結(jié)。焊接過程冶金分析包括焊接熔池中的化學(xué)反應(yīng)和氣體吸收、焊縫金屬的結(jié)晶、溶質(zhì)的再分配和顯微偏析、氣孔、夾渣和熱裂紋的形成、熱影響區(qū)在焊接熱循環(huán)作用下發(fā)生的相變和組織性能變化，以及氫擴(kuò)散和冷裂紋等的預(yù)測(cè)。 </p><p>　　1.3.3 焊接模擬技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)</p><p>　　目前，采用數(shù)值方法來模擬復(fù)雜的焊接現(xiàn)象已經(jīng)取得了很大的

29、進(jìn)展，模擬技術(shù)已經(jīng)滲透到焊接的各個(gè)領(lǐng)域，主要研究?jī)?nèi)容有：（1）焊接熱傳導(dǎo)分析（2）焊接熔池流體動(dòng)力學(xué)（3）電弧物理（4）焊接冶金和焊接接頭組織性能的預(yù)測(cè)（5）焊接應(yīng)力與變形（6）焊接過程中的氫擴(kuò)散（7）特殊焊接過程的數(shù)值分析，如電阻點(diǎn)焊、陶瓷金屬連接、激光焊接、摩擦焊接和瞬態(tài)液相焊接等。</p><p>　　同時(shí)，焊接數(shù)值模擬軟件的發(fā)展朝著集成化、專業(yè)化、工程化等方向發(fā)展。</p><p>

30、;　　所謂集成化，就是焊接數(shù)值模擬將結(jié)合焊接工藝庫(kù)，專家經(jīng)驗(yàn)與知識(shí)庫(kù)，材料數(shù)據(jù)庫(kù)，變得越來功能越為豐富和強(qiáng)大，仿真能力更強(qiáng)，使用也更加方便。更便于將焊接工藝結(jié)果反饋給結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工程師，使之在設(shè)計(jì)早期即可得到結(jié)構(gòu)焊接后的力學(xué)性能，便于其對(duì)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)更改；</p><p>　　所謂專業(yè)化，就是焊接模擬軟件不斷細(xì)化，將各種類型的焊接仿真技術(shù)模塊化，形成適于各種類型焊接工藝的模板庫(kù)。例如點(diǎn)焊工具，激光焊工具，電子束焊接工具，

31、釬焊工具，攪拌摩擦焊工具等等；</p><p>　　所謂工程化，就是仿真的結(jié)果更方便地為工程實(shí)際所應(yīng)用。通過焊接仿真，找到優(yōu)化的焊接工藝參數(shù)和焊接順序，選擇合適的焊接材料，融入更多焊接實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)，包括積累的材料數(shù)據(jù)庫(kù)等等。 </p><p>　　焊接數(shù)值模擬技術(shù)雖然取得了可喜的成績(jī)，然而應(yīng)該看到這些研究還是初步的，還有許多深入的工作要做。焊接數(shù)值模擬更重要的作用是優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和關(guān)于設(shè)計(jì)，

32、提高焊接接頭質(zhì)量，同時(shí)焊接數(shù)值模擬必須建立在牢固的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)之上，否則便偏離真實(shí)的物理現(xiàn)象和本質(zhì)?？梢韵嘈牛S著人們對(duì)焊接過程和現(xiàn)象認(rèn)知的進(jìn)一步深入以及計(jì)算機(jī)技術(shù)的高度發(fā)展，焊接數(shù)值模擬技術(shù)也將越來越發(fā)展并具有廣闊的應(yīng)用前景。 </p><p>　　1.4 本文主要任務(wù)和研究路線 </p><p>　　對(duì)接時(shí)，不同的坡口形式對(duì)焊接結(jié)構(gòu)的變形和焊后焊件中的殘余應(yīng)力

33、具有較大的影響。哪種坡口形式的結(jié)構(gòu)件變形及焊接殘余應(yīng)力最小，至今還沒有相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道。為了更好地指導(dǎo)生產(chǎn)實(shí)際焊接中，對(duì)坡口形式的選擇，以及焊接工藝與焊接變形有必要對(duì)此進(jìn)行相關(guān)的研究和分析。</p><p>　　本文基于非線性有限元分析軟件MSC.MARC集中研究焊接時(shí)，坡口形式為I形如圖1，對(duì)中碳鋼在不同的拘束條件下的焊接溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)以及平板焊接變形進(jìn)行了數(shù)值模擬，具體內(nèi)容包括：</p><p

34、>　　1.基于非線性有限元分析軟件MSC.MARC軟件，采用雙橢球熱源模型，模擬中碳鋼I型坡口平板對(duì)接的焊接溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)以及焊后變形。</p><p>　　2.討論不同的外部約束條件對(duì)焊接應(yīng)力場(chǎng)以及平板焊后變形的影響。</p><p>　　3.通過對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行比較，得出何種外部約束條件對(duì)I型坡口的變形和殘余應(yīng)力影響因素最小，從而指導(dǎo)實(shí)際工作。</p><p&g

35、t;　　第2章MSC.MARC焊接模擬過程</p><p>　　2.1 MSC.MARC功能簡(jiǎn)介</p><p>　　Marc是功能齊全的高級(jí)非線性有限元軟件的求解器，體現(xiàn)了40多年來有限元分析的理論方法和軟件實(shí)踐的完美結(jié)合。它具有極強(qiáng)的結(jié)構(gòu)分析能力，可以處理各種線性和非線性結(jié)構(gòu)分析。它提供了豐富的結(jié)構(gòu)單元、連續(xù)單元和特殊單元的單元庫(kù)。Marc的結(jié)構(gòu)分析材料庫(kù)提供了模擬金屬、非金屬、聚合物

36、、巖土、復(fù)合材料等多種線性和非線性復(fù)雜材料特性的材料模型。分析采用具有高數(shù)值穩(wěn)定性、高精度和快速收斂的高度非線性問題求解技術(shù)。為了進(jìn)一步提高計(jì)算精度和分析效率，Marc軟件提供了多種功能強(qiáng)大的加載步長(zhǎng)自適應(yīng)控制技術(shù)，可自動(dòng)確定分析加載步長(zhǎng)。Marc卓越的網(wǎng)格自適應(yīng)技術(shù)以多種誤差準(zhǔn)則自動(dòng)調(diào)節(jié)網(wǎng)格疏密，既保證了計(jì)算精度，同時(shí)也使非線性分析的計(jì)算效率大大提高。此外，Marc支持全局自動(dòng)網(wǎng)格重劃，用以糾正過渡變形后產(chǎn)生的網(wǎng)格畸變，確保大變形分析

37、繼續(xù)進(jìn)行。</p><p>　　對(duì)非結(jié)構(gòu)的場(chǎng)問題，如包括對(duì)流、輻射、相變潛熱等復(fù)雜邊界條件的非線性傳熱問題的溫度場(chǎng)，以及流場(chǎng)、電場(chǎng)、磁場(chǎng)，提供了相應(yīng)的分析求解能力；并具有模擬流-熱-固、土壤滲流、聲-結(jié)構(gòu)、電-磁、電-熱以及熱-結(jié)構(gòu)等多種耦合場(chǎng)的分析能力。</p><p>　　為滿足高級(jí)用戶的特殊需要和進(jìn)行二次開發(fā)，Marc提供了方便的開放式用戶環(huán)境。這些用戶子程序入口幾乎覆蓋了Marc有

38、限元分析的所有環(huán)節(jié)，從集合建模、網(wǎng)格劃分、邊界定義、材料選擇、分析求解到結(jié)果輸出，用戶都能訪問并修改程序的默認(rèn)設(shè)置。在Marc軟件的原有功能框架下，用戶能極大的擴(kuò)展Marc有限元軟件的分析能力。</p><p>　　2.2 焊接模擬基本過程</p><p>　　非線性問題的求解過程比線性問題更加復(fù)雜、費(fèi)用更高和更具有不可預(yù)知性。因此，非線性有限元程序不僅需要做復(fù)雜的算式和有效的數(shù)據(jù)管理，而

39、且必須包括合理的邏輯來指導(dǎo)求解過程。非線性問題大致可分為以下三類：幾何非線性、材料非線性、非線性邊界條件或載荷。</p><p>　　非線性求解的整個(gè)分析流程如圖2-1所示。</p><p>　　圖2-1 非線性焊接分析流程圖</p><p>　　2.2.1焊接模擬前處理</p><p>　　2.2.1.1 幾何建模與網(wǎng)格生成</p&g

40、t;<p>　　本課題采用Marc有限元分析軟件，模擬中碳鋼平板對(duì)接焊接過程的溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)和變形。采用長(zhǎng)寬高分別為100mm×50mm×5mm的鋼板進(jìn)行熔化極CO2氣體保護(hù)焊。在網(wǎng)格生成菜單中建立如圖2-2的模型。</p><p><b>　　圖2-2</b></p><p>　　熱源在平板上焊接時(shí)起點(diǎn)為焊縫中心O點(diǎn)，終點(diǎn)為I點(diǎn)，坐

41、標(biāo)系方向如圖所示。注意在網(wǎng)格劃分過程中在焊縫附近要用更細(xì)數(shù)目的網(wǎng)格來描述，其是為了精確地捕獲熱梯度。</p><p>　　2.2.1.2 設(shè)置母材和焊縫的材料參數(shù)</p><p>　　在焊接過程的數(shù)值模擬中，進(jìn)行溫度場(chǎng)分析時(shí)必須確定下列熱物理參數(shù)：導(dǎo)熱系數(shù)（W/m.℃）、換熱系數(shù)（W/mm2.℃）、密度（Kg/m3）、比熱（J/Kg.℃）、焓(J/m3)；應(yīng)力場(chǎng)分析時(shí)則必須確定泊松比、彈性

42、模量(N/m2)、熱膨脹系數(shù)(1/℃)、密度(Kg/m3)和屈服極限（MPa）等參數(shù)。對(duì)于本課題母材材料和焊縫填料均選擇45#鋼。由于在Marc軟件材料庫(kù)中有45#鋼，因此在此45#鋼的材料參數(shù)在軟件中為默認(rèn)值。</p><p>　　2.2.1.3 焊接路徑的設(shè)置</p><p>　　本課題采用單層單道焊，模型只有一條焊縫，因此只需設(shè)置一條焊接路徑，創(chuàng)建原始曲線和輔助曲線，焊接路徑如圖2-

43、3。由于焊接路徑的創(chuàng)建，焊接路徑在此地的坐標(biāo)被載入MSC.Marc Mentat。Z軸代表焊接運(yùn)動(dòng)方向，Y軸代表焊接電弧方向，X軸代表焊縫寬度方向。</p><p><b>　　圖2-3</b></p><p>　　2.2.1.4 初始邊界條件的設(shè)置</p><p>　　由于模型材料選擇為45#中碳鋼，焊接性較差，需焊前預(yù)熱，一般預(yù)熱溫度為20

44、0-300℃。因此設(shè)預(yù)熱溫度為200℃，設(shè)置模型所有節(jié)點(diǎn)初始溫度為200℃。設(shè)環(huán)境溫度30℃，空氣換熱系數(shù)0.02N/mm2/sec/℃。</p><p>　　不同的外部約束條件和拘束部位對(duì)平板焊后變形有很大影響。本課題即研究不同的拘束部位對(duì)焊后變形和殘余應(yīng)力的影響。添加外部約束條件假定為三種方案：</p><p>　　方案1：拘束平板上4個(gè)點(diǎn)GHJK的區(qū)域，如圖2-4。</p>

45、;<p>　　方案2：拘束平板上靠近焊縫處4個(gè)點(diǎn)PQMN的區(qū)域，如圖2-5。</p><p>　　方案3：拘束平板四個(gè)頂點(diǎn)LRST的區(qū)域，如圖2-6。</p><p>　　圖2-4 圖2-5</p><p><b>　　圖2-6</b></p><

46、;p>　　焊接熱源對(duì)于通常的焊接方法如手工電弧焊、鎢極氬弧焊，采用高斯分布的函數(shù)就可以得到較滿意的結(jié)果。對(duì)于電弧沖力效應(yīng)較大的焊接方法，如熔化極氣體保護(hù)焊和激光焊接，常采用雙橢球形熱源分布函數(shù)。為求準(zhǔn)確，還可將熱源分成兩部分，采用高斯分布的熱源函數(shù)作為表面熱源，試板熔池部分采用雙橢球形熱源分布函數(shù)作為內(nèi)熱源。表面熱源其熱流密度分布公式即，</p><p>　　式中Q為熱輸入量，r為電弧有效加熱半徑。雙橢球形

47、熱源分布公式即，</p><p>　　式中Q為熱輸入量，a、b、c為橢球軸的大小。本文根據(jù)所需模擬精度及焊接方法選擇雙橢球的熱源模型進(jìn)行模擬。熱源計(jì)算公式為Q=UIη，單位為N.mm/s, U為電壓，I為電流，η為電弧效率。</p><p>　　2.2.2 焊接模擬分析</p><p>　　2.2.2.1 載荷工況的定義</p><p>　　

48、在MAIN主菜單中拾取LOADCASE，進(jìn)入載荷工況定義子菜單。在連鑄、擠壓、軋鋼、沖壓、焊接等許多加工過程中，工件產(chǎn)生變形的同時(shí)往往伴隨著溫度的變化。準(zhǔn)確的分析這些加工過程中的溫度和應(yīng)力變化通常不應(yīng)把溫度場(chǎng)的求解和應(yīng)力場(chǎng)的的分析分解開來。因?yàn)槌藴囟茸兓瘜?duì)結(jié)構(gòu)變形和材料性質(zhì)產(chǎn)生影響外，結(jié)構(gòu)變形反過來會(huì)改變熱邊界條件，進(jìn)而影響溫度變化。</p><p>　　對(duì)于溫度與位移存在強(qiáng)耦合作用的問題，若先算溫度，后分析熱

49、應(yīng)力的解耦方法，分析會(huì)產(chǎn)生較大誤差，比較精確地分析是按照熱-機(jī)耦合場(chǎng)的求解方法，同時(shí)處理熱傳導(dǎo)和力平衡兩類不同場(chǎng)方程。本課題用熱機(jī)耦合工況來進(jìn)行焊接分析，包括熱傳導(dǎo)分析和熱應(yīng)力分析。</p><p>　　由焊接速度和板長(zhǎng)可得焊接時(shí)間為16.7s。</p><p>　　2.2.2.2 工作參數(shù)定義并提交運(yùn)行</p><p>　　在MAIN主菜單中單擊JOBS，進(jìn)入子菜

50、單，進(jìn)行熱機(jī)耦合工況條件加載。最后提交并運(yùn)行。</p><p>　　2.2.3 焊接模擬后處理</p><p>　　Mentat的后處理功能以圖形、動(dòng)畫、曲線、表格和文件等多種形式顯示Marc程序進(jìn)行分析后生成的結(jié)果。</p><p>　　在程序運(yùn)行完成后提取不同約束方案的溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)和不同方向焊后變形曲線，同時(shí)對(duì)變形結(jié)果進(jìn)行比對(duì)分析，得出結(jié)論。</p>

51、;<p>　　第3章 溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)的模擬</p><p>　　3.1 焊接工藝方案的確定</p><p>　　本文是在如前所述三種方案的拘束條件下來進(jìn)行模擬的，通過比較平板的宏觀和微觀變形來討論不同外部約束條件對(duì)焊接變形的影響。欲獲得良好的焊接接頭，必須正確選擇焊接方法，了解材料的焊接性，正確掌握基本操作，選擇合適的焊接規(guī)范。CO2氣體保護(hù)焊的焊接參數(shù)選擇要求如下：<

52、/p><p>　　1.焊絲直徑的選擇 當(dāng)鋼板厚度大于4mm時(shí)，應(yīng)采用直徑大于或等于1.6mm的焊絲，直徑1.6mm的焊絲可用于短路過渡和細(xì)滴過渡焊接。</p><p>　　2.焊接電流的選擇 焊接電流的作用是熔化焊絲和工件，，同時(shí)也是決定熔深的最主要因素。焊接電流使用范圍隨焊絲直徑和熔滴過渡形式的不同而不同。焊絲直徑為1.6mm且短路過渡的焊接電流在200A以下時(shí)，能得到飛濺小、成形美觀的

53、焊道。細(xì)滴過渡的焊接電流在350A以上時(shí)，能得到熔深較大的焊道，常用于焊接厚板。</p><p>　　3.電弧電壓的選擇 電弧電壓是焊接參數(shù)中很重要的一個(gè)參數(shù)，電弧電壓的大小決定了電弧的長(zhǎng)短和熔滴的過渡形式，它對(duì)焊縫成形、飛濺、焊接缺陷以及焊縫的力學(xué)性能有很大的影響。實(shí)現(xiàn)短路過渡的條件之一是保持較短的電弧長(zhǎng)度，即低電壓。但電弧電壓過低，電弧引燃困難，焊絲會(huì)插入熔池，電弧也不能穩(wěn)定燃燒；若電話電壓過高，則由短路過

54、渡轉(zhuǎn)化為粗滴的長(zhǎng)弧過渡，焊接過程不穩(wěn)定。</p><p>　　4.焊接速度的選擇 選擇焊接速度主要根據(jù)生產(chǎn)率和焊接質(zhì)量。焊速過快，保護(hù)效果差同時(shí)使冷卻速度加大，使焊縫塑性降低，且不利于焊縫成形，易形成咬邊缺陷；焊速過慢，熔敷金屬在電弧下堆積，電弧熱和電弧力受阻礙，焊道不均勻，且焊縫組織粗大。在實(shí)際生產(chǎn)中，焊速一般不超過8.3mm/s。</p><p>　　5.焊絲伸長(zhǎng)長(zhǎng)度的選擇 當(dāng)其他

55、焊接參數(shù)不變時(shí)，隨著焊絲伸出長(zhǎng)度的增加，焊接電流下降，熔深也減小；焊絲上的電阻熱增大，焊絲熔化加快，從提高生產(chǎn)效率上看這是有利的。但是當(dāng)焊絲伸出長(zhǎng)度過大時(shí)，焊絲容易發(fā)生過熱而成段熔斷，飛濺嚴(yán)重，焊接過程不穩(wěn)定。同時(shí)焊絲伸出長(zhǎng)度增加后，噴嘴與工件間的距離亦增大，因此氣體保護(hù)效果變差。焊絲伸出長(zhǎng)度過小，會(huì)妨礙觀察電弧，影響焊工操作；同時(shí)飛濺金屬容易堵塞噴嘴；另外還會(huì)使導(dǎo)電嘴過熱而夾住焊絲，甚至燒毀導(dǎo)電嘴。很據(jù)經(jīng)驗(yàn)，合適的焊絲伸出長(zhǎng)度一般為焊

56、絲直徑的10-12倍。</p><p>　　6.電流極性的選擇 CO2焊主要采用直流反接法。能得到飛濺小，電弧穩(wěn)定，焊縫成形好，熔深大，焊縫金屬含氫量低的焊縫。</p><p>　　7.氣體流量的選擇 氣體流量主要根據(jù)對(duì)焊接區(qū)域的保護(hù)效果來決定。在焊接電流較大、焊接速度較快、焊絲伸出長(zhǎng)度較長(zhǎng)以及室外作業(yè)等情況下，氣體流量要適當(dāng)加大。粗絲CO2焊氣體流量在15-25L/min。</

57、p><p>　　基于本課題，5mm單道焊平板對(duì)接模型，通過查取《熔焊方法與設(shè)備》和《實(shí)用焊接手冊(cè)》，選擇熔化極CO2氣體保護(hù)焊，滴狀過渡，焊絲為H08Mn2SiA，焊絲直徑1.6mm，焊接層數(shù)1層，具體參數(shù)如下：</p><p>　　電弧電壓U=30V，焊接電流I=300A，焊接速度為6mm/s，氣體流量15L/min。</p><p>　　3.2 溫度場(chǎng)的模擬及分析&

58、lt;/p><p>　　3.2.1 瞬態(tài)溫度場(chǎng)的模擬結(jié)果</p><p>　　圖3-1、圖3-2、圖3-3、圖3-4是平板分別在1.01s、8.5s、16.7s和冷卻后的溫度場(chǎng)分布。</p><p><b>　　圖3-1</b></p><p><b>　　圖3-2</b></p><

59、;p><b>　　圖3-3</b></p><p><b>　　圖3-4</b></p><p>　　圖3-5是平板在如圖所示節(jié)點(diǎn)方向上從焊接開始到焊后冷卻整個(gè)過程的溫度曲線。</p><p><b>　　圖3-5</b></p><p>　　3.2.2 溫度場(chǎng)的對(duì)比分析

60、</p><p>　　從圖3-1、3-2、3-3我們可以看到，平板的初始溫度為200℃，即焊前預(yù)熱溫度。在焊接過程中試板上形成穩(wěn)定的溫度場(chǎng)，圖上等溫線的形狀呈現(xiàn)為以焊接方向?yàn)殚L(zhǎng)軸的近似1/4橢圓形。焊接熱源前方等溫線密集，溫度梯度大，后方等溫線稀疏，溫度梯度小。焊接熔池形狀為雙橢球形，試板焊縫處附近的溫度場(chǎng)成梯度分布，溫差較大；由于試板只有5mm厚，所以遠(yuǎn)離焊縫部分的溫差很小。</p><p&

61、gt;　　從圖3-4可看到焊后冷卻后形成的溫度場(chǎng)，冷卻后平板溫度大概在168℃左右。</p><p>　　從圖3-5可以看出在如圖所示所選節(jié)點(diǎn)處，即焊縫3/4熔深處，溫度達(dá)到了45#鋼的熔點(diǎn)1350℃，說明平板焊透。同時(shí)圖顯示了該點(diǎn)從焊接開始到焊后冷卻結(jié)束的溫度軌跡。</p><p>　　3.3 應(yīng)力場(chǎng)的的模擬與分析</p><p>　　焊接應(yīng)力場(chǎng)的計(jì)算是包括塑性、

62、非線性等多方面因素影響的熱彈塑性問題，比一般的彈性和彈塑性問題要復(fù)雜的多。在焊接過程中，焊縫附近最高溫度可達(dá)到焊材的沸點(diǎn)，離開熱源后溫度急劇下降。試板由于焊縫厚度方向上的溫度分布不均，產(chǎn)生了熱應(yīng)力，如果不均勻溫度場(chǎng)所造成的內(nèi)應(yīng)力達(dá)到焊接材料的屈服極限，會(huì)使局部區(qū)域產(chǎn)生塑性變形。當(dāng)溫度回復(fù)到室溫下后，就產(chǎn)生新的內(nèi)應(yīng)力。這種內(nèi)應(yīng)力是溫度恢復(fù)室溫后殘存在物體中的，稱之為殘余應(yīng)力。如果溫度升高，使局部金屬發(fā)生相變，伴隨這種相變所出現(xiàn)的體積變化將

63、產(chǎn)生新的內(nèi)應(yīng)力。當(dāng)溫度恢復(fù)到初始狀態(tài)下，如果相變產(chǎn)物保留下來，那么就會(huì)產(chǎn)生相變應(yīng)力，它也是殘余應(yīng)力的一種。</p><p>　　一般把焊縫方向的應(yīng)力成為縱向應(yīng)力，用σz表示。主要由于焊縫冷卻時(shí)的縱向收縮而產(chǎn)生的應(yīng)力，在某些情況下有相反的相變過程疊加。垂直于焊縫方向的應(yīng)力稱為橫向應(yīng)力，用σx表示，其產(chǎn)生的主要原因是來自焊縫冷卻時(shí)的橫向收縮。另外，表面和內(nèi)部不同的冷卻過程，以及可能疊加的相變過程也是影響因素。<

64、/p><p>　　在工程實(shí)踐中，縱向殘余拉應(yīng)力往往達(dá)到材料的屈服極限σs，橫向殘余應(yīng)力峰值要低于材料的屈服極限σs，而殘余拉應(yīng)力正是焊接區(qū)的塑性收縮受到附近母材的拘束作用而不能自由收縮造成的。本文應(yīng)力場(chǎng)只討論等效殘余應(yīng)力。</p><p>　　3.3.1 等效應(yīng)力分布</p><p>　　圖3-6、圖3-7、圖3-8分別是方案1方案2方案3在焊中8.5s和焊完冷卻后的等

65、效應(yīng)力場(chǎng)分布。</p><p><b>　　方案1：</b></p><p><b>　　圖3-6</b></p><p><b>　　方案2：</b></p><p><b>　　圖3-7</b></p><p><b>

66、;　　方案3：</b></p><p><b>　　圖3-8</b></p><p>　　這組圖清楚的顯示了焊接過程中等效應(yīng)力的動(dòng)態(tài)分布情況。在焊接過程中，等效應(yīng)力的最大值是隨著熱源的移動(dòng)而移動(dòng)，象征最大值的黃色區(qū)域總是在熔池附近和拘束點(diǎn)附近，這是試板受熱膨脹而產(chǎn)生的應(yīng)力。當(dāng)平板冷卻到168℃左右的狀態(tài)時(shí)，應(yīng)力最大值處于試板的焊縫、焊縫兩端和拘束點(diǎn)附近，并

67、且呈梯度分布，這是由于這些部分受熱膨脹產(chǎn)生的應(yīng)力較大，從而冷卻收縮后的殘余應(yīng)力也最大。由此可以判斷在焊接時(shí)熔池附近部分和拘束點(diǎn)附近最容易產(chǎn)生屈服變形，且焊后存在較大的殘余應(yīng)力。</p><p>　　3.3.2 等效應(yīng)力的對(duì)比分析</p><p>　　圖3-9、圖3-10是方案1、2、3分別在8.35s和焊完冷卻后焊縫中心OI上各點(diǎn)的等效應(yīng)力分布曲線對(duì)比。（圖中橫坐標(biāo)表示各點(diǎn)到焊接時(shí)起點(diǎn)O的

68、距離）</p><p><b>　　圖3-9</b></p><p><b>　　圖3-10</b></p><p>　　從圖3-9可以看到，焊接時(shí)方案1方案2方案3的等效應(yīng)力的最小值都處在熔池中心，此時(shí)等效應(yīng)力大概在60MPa；熔池前方溫度上升，金屬體積膨脹對(duì)熔池進(jìn)行擠壓，所以產(chǎn)生了壓應(yīng)力；熔池后方溫度下降，金屬體積收縮

69、對(duì)熔池有一個(gè)拉伸的作用，所以產(chǎn)生了拉應(yīng)力；在遠(yuǎn)離焊縫的部分由于熔池的受熱膨脹，從而產(chǎn)生壓應(yīng)力；在熔池前端，受周圍母材拘束作用不能自由膨脹而產(chǎn)生等效應(yīng)力值有突然的增大?？傊刃?yīng)力峰值隨著焊接的進(jìn)行與熱源同步向前移動(dòng)，他們的共同點(diǎn)是，熱源所在部分（也就是熔池部分）應(yīng)力值最低，而熔池前端的熱應(yīng)力有很大的增加。</p><p>　　從圖3-10可看到平板在焊后完全冷卻后的等效殘余應(yīng)力分布曲線。方案1方案2方案3均在焊縫

70、中段部分都有較大的殘余應(yīng)力約為600Mpa左右，其中方案2的殘余應(yīng)力最大；同時(shí)三方案在靠近焊縫兩端處應(yīng)力值均較小到一個(gè)最小值，其中方案1、3在兩端處又突然升高到較大的應(yīng)力值，而方案2沒有，這是由于不方案2拘束部位太靠近焊縫所致。</p><p>　　綜上所述，可得出焊接時(shí)熔池部分應(yīng)力值最低，而熔池前端受周圍母材拘束作用不能自由膨脹而產(chǎn)生突然增大的應(yīng)力，熔池前端更容易發(fā)生塑性變形。約束方案2在焊縫附近的焊后殘余應(yīng)力

71、較大，方案1和方案3的殘余應(yīng)力大小差值不大。</p><p><b>　　3.4 本章小結(jié)</b></p><p>　　本章利用Marc軟件模擬了45#鋼熔化極CO2氣體保護(hù)焊平板對(duì)接時(shí)，在三種不同外部約束條件下的三維動(dòng)態(tài)溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)。研究了中碳鋼溫度場(chǎng)變化規(guī)律和熔池形狀等，以及焊接過程中不同時(shí)刻的應(yīng)力變化規(guī)律和殘余應(yīng)力的分布規(guī)律?？沙醪椒治龅贸銎桨鍖?duì)接時(shí)方案1和方

72、案3的殘余應(yīng)力較小。</p><p>　　第4章 約束條件對(duì)焊接變形的影響</p><p>　　4.1 有關(guān)焊接變形</p><p>　　焊接變形的種類雖然很多， 但各種焊接變形產(chǎn)生的根本原因是基本一樣的， 即焊接時(shí)的不均勻受熱和局部塑性變形是焊接結(jié)構(gòu)產(chǎn)生殘余應(yīng)力和焊接變形的根本原因。同時(shí)， 焊接時(shí)的各種機(jī)械力也可能使結(jié)構(gòu)發(fā)生物理位移而導(dǎo)致工件變形。</p&g

73、t;<p>　　C.A庫(kù)茲米諾夫把焊接變形分為總變形和局部變形?？傋冃尉褪前呀Y(jié)構(gòu)看成剛性梁在縱向或橫向上產(chǎn)生的收縮和彎曲，即縱向收縮、橫向收縮、彎曲變形和扭曲變形等。局部變形就是指結(jié)構(gòu)的個(gè)別構(gòu)件由于焊接接頭沿結(jié)構(gòu)截面的不均勻收縮而產(chǎn)生的形狀改變。局部變形包括角變形和波浪變形等。</p><p><b>　　縱向收縮</b></p><p>　　縱向收縮是

74、指焊件在焊縫長(zhǎng)度方向上的收縮變形。在焊接時(shí)，由于垂直于焊縫方向不均勻的溫度分布，焊縫及其附近的金屬產(chǎn)生了縱向壓縮殘余塑性變形。產(chǎn)生塑性變形的區(qū)域稱為塑性變形區(qū)。構(gòu)建縱向收縮的變形的大小取決于塑性變形區(qū)的大小，構(gòu)件截面積，焊接線能量以及焊縫的長(zhǎng)度。由于塑性變形區(qū)的收縮受到周圍金屬的阻礙，所以相對(duì)來說縱向收縮不如橫向收縮顯著。理論認(rèn)為縱向收縮量大約為焊縫長(zhǎng)度的1/1000。</p><p><b>　　橫向

75、收縮</b></p><p>　　橫向收縮是指焊件在垂直于焊縫長(zhǎng)度方向上的收縮變形。由于移動(dòng)熱源(焊接電弧)的加熱和隨后的冷卻，使得溫度沿被焊構(gòu)件的長(zhǎng)度和厚度方向不均勻分布，即在焊接接頭區(qū)產(chǎn)生殘余的橫向收縮塑變和橫向應(yīng)力。橫向收縮的形成原因，一部分是由于焊縫金屬冷卻后的收縮，另一部分是焊縫金屬熱膨脹受阻形成橫向殘余塑性變形而引起的。</p><p><b>　　角變形

76、</b></p><p>　　產(chǎn)生角變形的根本原因是橫向變形沿板厚方向分布不均勻，即焊縫正面和背面的橫向收縮變形不一致。對(duì)接接頭的角變形與坡口形式和焊縫形狀有很大關(guān)系。對(duì)稱坡口焊縫可在兩面進(jìn)行焊接，角變形比單面坡口小。對(duì)于相同厚度和坡口的對(duì)接接頭，角變形大小還與焊接工藝有關(guān)。多層焊比單層焊的角變形大，多道焊比多層焊角變形大，層數(shù)越多，道數(shù)越多，角變形也越大。</p><p>　

77、　在模擬焊接變形的過程中發(fā)現(xiàn)：加載拘束的位置不同會(huì)對(duì)模擬的變形結(jié)果產(chǎn)生很大的影響，錯(cuò)誤的拘束位置會(huì)使模擬結(jié)果與實(shí)際情況相差甚遠(yuǎn)。</p><p>　　4.2 焊后變形結(jié)果及分析</p><p>　　4.2.1 焊后宏觀變形及分析</p><p>　　對(duì)本文所研究課題為I型坡口平板對(duì)接的單層單道焊，不同的外部約束條件對(duì)焊后平板的變形則有很大不同。圖4-1是不加任何約束

78、焊后放大10倍的平板宏觀變形結(jié)果。</p><p><b>　　圖4-1</b></p><p>　　由圖可看出平板厚度方向變形由兩邊到焊縫中心呈梯度變化，焊縫附近藍(lán)色區(qū)域均為負(fù)值，兩邊黃色區(qū)域?yàn)檎?，即焊縫附近向Y軸負(fù)方向變形，兩邊發(fā)生向Y軸正方向翹曲變形，變形值可從圖中數(shù)據(jù)看到。這是由于焊縫正面收縮值較大，背面相對(duì)較小，導(dǎo)致平板焊縫附近區(qū)域略向Y的負(fù)方向收縮兩邊翹

79、曲，產(chǎn)生角變形。</p><p>　　不同的拘束部位方案1方案2方案3如前所述。由于平板被施加了約束條件，因此平板的角變形不是很明顯。</p><p>　?。?）圖4-2、圖4-3、圖4-4分別是方案1焊后放大30倍后橫向收縮、縱向收縮和角變形的宏觀結(jié)果及變形云圖，其中角變形用平板的厚度方向變形來表示。</p><p><b>　　圖4-2</b&g

80、t;</p><p><b>　　圖4-3</b></p><p><b>　　圖4-4</b></p><p>　　由圖4-2可看出方案1下平板的橫向收縮在中部的黃色和藍(lán)色區(qū)域變形最大，在拘束部位即紅色區(qū)域變形為零，收縮變形在焊縫左右對(duì)稱分布。</p><p>　　由圖4-3可看出平板在平行于焊縫

81、方向的縱向收縮由焊縫兩端向中心收縮，其在焊縫兩端的黃色和紅色還有小部分藍(lán)色區(qū)域變形最大，而且紅色區(qū)域明顯大于黃色區(qū)域。這是由于焊縫先焊的部分在后續(xù)的焊接過程中已經(jīng)開始冷卻收縮，而后續(xù)的焊接對(duì)其有一定程度的溫度影響，即后焊部分相比于先焊部分冷卻溫度梯度更大，因此平板在后焊完的部分縱向收縮變形更大，即平板在沿著焊接運(yùn)動(dòng)方向縱向收縮越來越大。同理，平板橫向收縮和角變形也是如此。</p><p>　　由圖4-4可看出方案

82、1下平板的角變形不大。</p><p>　　(2)圖4-5、圖4-6、圖4-7分別是方案2焊后放大30倍后橫向收縮、縱向收縮和角變形的宏觀結(jié)果及變形云圖。</p><p>　　圖4-5 圖4-6</p><p><b>　　圖4-7</b></p><p&g

83、t;　　由上組圖可看出的平板拘束部位如方案2的變形在焊縫兩端處收縮較大，從而造成局部收縮嚴(yán)重，這是由于拘束部位太靠近焊縫兩端導(dǎo)致，兩端的金屬受熱膨脹，而冷卻收縮沒有足夠的金屬來補(bǔ)充。由圖4-7也可看出平板有一定程度的角變形存在，橙色區(qū)域翹曲變形。</p><p>　?。?）圖4-8、圖4-9、圖4-10分別是方案3焊后放大30倍后橫向收縮、縱向收縮和角變形的宏觀結(jié)果及變形云圖.</p><p&

84、gt;　　圖4-8 圖4-9</p><p><b>　　圖4-10</b></p><p>　　由圖可看出方案3下平板的橫向收縮在板中央部分較之于方案1、2都大，縱向收縮較之于方案1、2小，同時(shí)方案3也存在一定的角變形。</p><p>　　綜上，方案2的拘束部位最不利于焊

85、后平板的變形。為了研究三種方案下各區(qū)域的變形結(jié)果，更好的指導(dǎo)實(shí)際工作，選取如圖a、圖b兩種節(jié)點(diǎn)方向上的變形曲線來進(jìn)行對(duì)比研究和分析。</p><p>　　4.2.2 AB節(jié)點(diǎn)方向上的變形結(jié)果分析</p><p>　　在AB節(jié)點(diǎn)方向上即平板邊緣對(duì)比分析三種方案下的平板橫向收縮、縱向收縮和厚度方向變形。三種方案的變形曲線對(duì)比如圖4-11、圖4-12、圖4-13。</p><

86、p><b>　　圖a</b></p><p><b>　　圖4-11</b></p><p><b>　　圖4-12</b></p><p><b>　　圖4-13</b></p><p>　　由圖4-11可看到在AB節(jié)點(diǎn)方向，板寬度方向變形都處于收

87、縮狀態(tài)，即焊后平板邊緣都向焊縫方向收縮，其中變形值方案3最大，方案1在拘束點(diǎn)附近有一個(gè)小的波動(dòng)，說明其在拘束點(diǎn)時(shí)收縮收到阻礙；由圖4-12可看到方案1方案2方案3在板長(zhǎng)度方向上的變形值均是向焊縫中心收縮，其中方案1在A節(jié)點(diǎn)附近還有小的伸長(zhǎng)變形，方案2的變形值最大；由圖4-13可看到在板厚度方向的變形是向Y的正方向翹曲，其中方案1的變形最小，即角變形最小，這一點(diǎn)也可由前宏觀變形看出，方案2變形值最大，角變形大同時(shí)板中部向上隆起變形，方案3

88、有較小的角變形和中部隆起變形。</p><p>　　綜上，方案2在AB節(jié)點(diǎn)方向即板邊緣縱向收縮和角變形最大，在如前所述的宏觀變形中也得到此結(jié)論。而方案3的橫向收縮最大，方案1的各方面變形最小。因此，方案2的拘束條件不利于焊后變形，方案1較之方案3在板邊緣附近對(duì)焊后變形更有利。</p><p>　　4.2.3 CD節(jié)點(diǎn)方向上的變形結(jié)果分析</p><p>　　由上可得

89、方案2不必再做對(duì)比分析，其不利于焊后變形。下面在CD節(jié)點(diǎn)方向上分別分析方案1和方案3的橫向收縮，縱向收縮、厚度方向變形以及全部等效塑性應(yīng)變。變形曲線對(duì)比如圖4-14、圖4-15、圖4-16、圖4-17。</p><p><b>　　圖b</b></p><p><b>　　圖4-14</b></p><p><b&g

90、t;　　圖4-15</b></p><p><b>　　圖4-16</b></p><p><b>　　圖4-17</b></p><p>　　由圖4-14可看到在CD節(jié)點(diǎn)方向方案3的橫向收縮較方案1大，在平板兩端收縮變形較小，中間部分收縮變形較大；由圖4-15可看到方案3下的平板縱向收縮較之方案1??；由圖4-

91、16可看到平板在厚度方向的變形方案1比方案3小很多，即方案3比方案1有更大的角變形；由圖4-17可看到平板的全部等效塑性應(yīng)變均是板中間部分變形較大，方案1較之方案3變形稍小，只在拘束部分大于方案3。</p><p>　　綜上所述，方案3下的平板橫向收縮和厚度方向變形較之方案1大，且全部等效塑性應(yīng)變也比方案1稍大。因此，為了綜合考慮，方案1的外部約束條件較之對(duì)焊后變形更有利。</p><p>

92、;<b>　　4.3 本章小結(jié)</b></p><p>　　本章主要模擬分析了三種不同外部約束條件下平板的宏觀變形，以及對(duì)比分析了三種方案下不同區(qū)域的焊接變形結(jié)果。對(duì)于本課題得出結(jié)論方案1的外部約束條件對(duì)焊后變形更有利。</p><p>　　第5章 結(jié) 論</p><p>　　本文基于非線性有限元分析軟件MSC.MARC軟件平臺(tái)，模擬了4

93、5#鋼5mm厚I型坡口平板對(duì)接焊，以及在不同外部約束下的溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)和焊接變形結(jié)果。</p><p>　　對(duì)于本課題，通過模擬對(duì)比分析得出以下結(jié)論：</p><p>　　1. 溫度場(chǎng)的模擬中研究了45#鋼焊接時(shí)從開始到結(jié)束的溫度場(chǎng)變化規(guī)律和熔池形狀，以及驗(yàn)證了在實(shí)驗(yàn)中的熱輸入能否把平板焊透。</p><p>　　2. 應(yīng)力場(chǎng)的模擬中熔池前方溫度上升，金屬體積膨脹對(duì)

94、熔池進(jìn)行擠壓，所以產(chǎn)生了壓應(yīng)力；熔池后方溫度下降，金屬體積收縮對(duì)熔池有一個(gè)拉伸的作用，所以產(chǎn)生了拉應(yīng)力。等效應(yīng)力峰值隨著時(shí)間的變化與熱源同步向前移動(dòng)，他們的共同點(diǎn)是熔池部分應(yīng)力值最低，而熔池前端的熱應(yīng)力有突然的較大增加。其中拘束平板中部四點(diǎn)和拘束四個(gè)頂點(diǎn)焊后的殘余應(yīng)力最小，說明拘束部位要稍遠(yuǎn)離焊縫區(qū)域，才更有利于焊后殘余應(yīng)力較小。</p><p>　　3. 對(duì)焊后變形的模擬中，焊縫正面收縮值較大，背面相對(duì)較小，導(dǎo)

95、致平板焊縫附近區(qū)域下凹收縮兩邊翹曲，產(chǎn)生角變形，同時(shí)焊縫縱向收縮變形。通過在不同區(qū)域的變形分析得出平板在中間部分的收縮變形更大，在平板邊緣中部有較小的隆起變形，最終整個(gè)平板有一定的程度的扭曲變形（變形值都很小）。通過對(duì)三種方案的比較，拘束焊縫附近不利于焊后變形，而拘束平板中部四點(diǎn)區(qū)域?qū)负笞冃胃欣?lt;/p><p><b>　　致 謝</b></p><p>　

96、　本文是在導(dǎo)師***老師的悉心指導(dǎo)下完成的。幾個(gè)月來，導(dǎo)師淵博的學(xué)識(shí)、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度、以及他給予作者的支持和鼓勵(lì)將使作者終生難忘，作者所取得的每一點(diǎn)成績(jī)都與導(dǎo)師的熱情關(guān)懷和精心指導(dǎo)是分不開的，值此論文完成之際，特別向?qū)熤乱灾孕牡母兄x和崇高的敬意。</p><p>　　在本課題的完成過程中，作者還得到了其它各方面的支持和幫助，如饒文超，劉洋同學(xué)以及本人之間的相互學(xué)習(xí)和幫助，在此深表謝意。</p>&

97、lt;p><b>　　參 考 文 獻(xiàn)</b></p><p>　　[1] 程友勝．焊接應(yīng)力和焊接變形的論述[J]．煤礦機(jī)械，2003.</p><p>　　[2] 王青春，王勇.焊接應(yīng)力與變形問題的探討[J]．煤礦機(jī)械，2007.</p><p>　　[3] 汪建華. 焊接數(shù)值模擬技術(shù)及其應(yīng)用[M]. 上海：上海交通大學(xué)出版社,2003.

98、 </p><p>　　[4] 吳言高,李午申,鄒宏軍,馮靈芝. 焊接數(shù)值模擬技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀[J]. 焊接學(xué)報(bào). 2002（3）89-92.</p><p>　　[5] 陳火紅等. 新編Marc有限元實(shí)例教程[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2007.8.</p><p>　　[6] MSC.Mar Mntat Help USER’S GUIDE.</p

99、><p>　　[7] 鄭巖,顧松東,吳斌. Marc2001從入門到精通[M]. 北京：中國(guó)水利水電出版社，2003.8.</p><p>　　[8] 上田幸雄. 焊接變形和殘余應(yīng)力的數(shù)值計(jì)算方法與程序. 四川大學(xué)出版社.</p><p>　　[9] Ushio M,Fan D.A method of estimating the space-charge voltag

100、e drop for </p><p>　　thermionic arc cathodes[J].J.Phys.D,Appl.Phys.,1994,27(3):561-566.</p><p>　　[10] 武傳松. 焊接熱過程與熔池形態(tài)[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2008</p><p>　　[11] 張文鉞. 焊接冶金學(xué). 機(jī)械工業(yè)出版社,1999</

101、p><p>　　[12] 焦立新. 焊接仿真技術(shù)應(yīng)用與未來發(fā)展[J]. 航空制造技術(shù). 2008（8）48-50.</p><p>　　[13] 英春立，錢百年，國(guó)旭明等．焊接熱源計(jì)算模式的研究進(jìn)展．焊接學(xué)報(bào)，2001.</p><p>　　[14] 王宗杰. 熔焊方法與設(shè)備. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.12.</p><p>　　[15]

102、 胡傳炘，王國(guó)紅. 實(shí)用焊接手冊(cè). 北京工業(yè)大學(xué)出版社，1998.12.</p><p>　　[16] D達(dá)伊． 焊接熱效應(yīng)——溫度場(chǎng)、殘余應(yīng)力、變形[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社,1997．</p><p>　　[17] 田錫唐. 焊接結(jié)構(gòu)[M]. 北京： 機(jī)械工業(yè)出版社，1982.</p><p>　　[18] [蘇]C.A.庫(kù)茲米諾夫. 船體結(jié)構(gòu)的焊接變形. 北