机械 ２００４年第３１卷第１０期
收稿日期０５朱援祥1,2
ºþ±± 武汉 430072ºþ±± 武汉 430074) 摘要采用有限元分析软件ANSYSÄ£Äâ½á¹ûºÍʵÑé½á¹û±È½ÏÎÇºÏ 关键词有限元
TG407 文献标识码０３１６（２００４）１００４
Computer simulation of residual stress in welding joint
WANG Qin1WANG Li-li1
(1.School of Dynamic and Mechanical Engineer, Wuhan University, Wuhan 430072, China;
2.School of Material Science and Engineering, HUST, Wuhan 430074, China)
Abstract: In this article, using the finite element method (FEM), with the FEA software-ANSYS, the magnitude and
distribution of residual stress in welding joint is simulated, which results are agreement with the experimental results. The
method has important useful values.
Key words: residual stresscomputer simulation随着我国压力容器桥梁等工业的迅速发展
由焊接而产生的残余应力和残余变形是导致焊接裂纹和接头强度下降的重要因素保证结构的安全使用
传统的残余应力研究方法多是破坏性的研究方法大量的实验也会增加生产成本
利用计算机模拟技术来模拟焊接接头残余应力的分布情况
本文以某水电站引水压力钢管所用钢种为实验材料应用大型有限元分析软件
ANSYS[2]对其焊接过程中产生的残余应力进行了计算机模拟证明该方法具有重要的理论和实际应用价值这是一种含C
是一种具有较好焊接性的钢种６５０ｍｍ试板两端采用拘束机架固定焊接试板
试验用焊条为MK.J607RH
º¸½Ó¹¤ÒÕ²ÎÊýÈç±í1所示
载荷实际上是因为温度变化而引起的
不考虑应力场对温度场的耦合作用[3]
È»ºó½«Ë²Ì¬ÈÈ·ÖÎöµÃµ½µÄÔغɲ½µÄζÈ×÷ΪÌåÔغÉÊ©¼Óµ½½á¹¹Ó¦Á¦·ÖÎöÖÐÈ¥
ͨ机械 ２００４年第３１卷第１０期
过其APDL语言编程实现
图1 焊接试样示意图
表1 焊接工艺参数表
坡口间隙 ３
预热温度 １０５
焊接电流 (A) 100
V26
焊接速度 １００
KJ/cm18.2
层间温度 １００由于焊接试样的对称性
取试样截面的一半进行计算
考虑到焊接热源附近温度梯度大
温度和应力应变的分布极不
均匀采用
垂直于焊缝方向的横截面模型
远离热源的地方采用较粗大
的网格
图3 有限元网格划分示意图
2.2热物理参数的输入
金属材料的热物性导热系
数λ等
其热物理性质随温度变化很大
那么计算结果
将与事实情况产生一定的偏差
然后将随温度变化
的热物性参数输入到计算程序中
表2 实验材料的热物理性能
2.3热源模型
在本文的研究中
为了模拟电弧移动的实际过程
以便于准确地计算焊接温度场
斜坡热源模型如图4所示
焊接热输入以增量的方式逐
渐加到焊缝单元上当电弧移动到
横截面上时候
加热时间为t2ºá½Ø
ÃæÉϺ¸·ìµÄÈÈÊäÈëÖ𽥵ݼõΪ0一
般认为t1和t3相等应用该方法能够很
好地模拟电弧的移动
是准确计算焊接应力场的前提
其中包括对流和辐射换热在
焊接时热能的损失主要通过辐射 ２０ １００ ２００ ３００ ４００ ５００
比热c(kJ/kg
K)
线膨胀系数α(
60
½á¹¹ µ¥Ôª×ª»»
ÊäÈëÁ¦Ñ§²ÎÊý 输入热物理参数
温度场计算
应力场计算 后处理机械 ２００４年第３１卷第１０期
较小[1]ΪÁ˼ÆËã·½±ã
2.4温度场的计算
本文实验焊缝为多道焊为了更好地模拟实际焊接过程生死开始的时候杀死在第一层开始焊接的时候生其余焊缝处于的状态第二层开始焊接时候复活到第3层及以后各层焊缝单元焊接时复活焊接热源随着焊缝单元的逐渐加到焊缝单元上去
在焊接的不同时刻计算过程中对每个载荷步焊接开始和开始冷却时的时间步长要取得较小
将各节点的温度保存在结果文件中
2.5焊接应力场的计算
利用ANSYS的热-结构单元转换输入力学参数
弹性模量E线膨胀系数α
本文结构
拘束边界条件的设定是将有限元模型左端所有节点
自由度约束为0½«Î¶ȳ¡¼ÆËãÖеõ½µÄζÈÔöÁ¿ÔغÉ
¼ÆË㺸½Ó¹ý³ÌÖеĶ¯Ì¬Ó¦Á¦Ó¦±äºÍ×îÖյIJÐÓàÓ¦Á¦ÏÔʾ¸÷½ÚµãÓ¦Á¦Í¬Ê±²ÉÓÃä¿×·¨²â¶¨º¸½Ó²ÐÓàÓ¦Á¦
88型超级静态电阻应变仪
１．５钻孔直径为1.5mm
ͼ5和图6是上表面焊接接头残余应力的计算机模拟值和实验测得数据的对比图焊接接头残余应力的大小和分布的计算机模拟值和实验数据比较吻合
在焊缝及热影响区附近有较大的残余拉伸应力逐渐变为压应力
图5 横向残余应力分布示意图
焊接接头裂纹大多由横向残余应力yσ引起
由图5可以看出最大拉
伸应力达387MPa´æÔÚ×ÅÔÓÖʺÍһЩ΢¹ÛȱÏÝÕâЩDZÔÚµÄÁÑÎÆÔ´ÈÝÒ×À©Õ¹¶øÐγÉÁÑÎÆ
ͨ¹ý¿ØÖƺ¸½ÓÏßÄÜÁ¿¿ÉÒÔ¼õÉÙº¸½ÓÓ¦Á¦
图6
纵向残余应力分布示意图
从图
6
可以看出
但比横向残余应力低远离焊缝区
4 结论
本文采用有限元方法
模拟结果和实
验结果比较一致
在实际生产中而且能够
节省生产成本 400
300
200
100
0
应力ó/MPa
0 100150050离焊缝中心距离 l/mm——纵向残余应力的模拟值 纵向残余应力的实测值 400300
200150
50
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参数为30
参数为15000
图1 不同参数下的图形效果
AutoCAD为绘制图形提供了大量可供选择的线型和线宽
目的主要是增强图形的层次感但是
那么所绘的图形中所有的线条都是一种单一的形状所以需要把线宽打开虚实反映出来
图上各线条的线型和线宽都可以清楚的显示出来仍然可以把各线条区别开来４这时需要修改图片的大小左键单击图形
此时图形四周有8个控制点光标变为双向箭头可改变图形的大小
如果采用剪贴板的功能和转变图形格式文
件的方法把AutoCAD图形转入到Word中还有多余的空白不仅把图形对象输出
而如果是利用考
屏键的把AutoCAD图形插入到Word中
AutoCAD的窗口工作界面也一起被插入选中图片弹出一快捷菜单图片会自动弹出一工具栏按纽只保留所需图形用抓捕图形时否则抓捕到的图片中会有多余的空白通过对图形的处理
从而使
AutoCAD快速高效的绘图功能和Word所具有的强大的文字处理
这必将有助于编辑人员和设计人员提高工作效率和工作质量
[1] 陈通李梅AutoCAD2000中文版入门与提高清华大学出版社
［２］ 蒋允静计算机绘图Ｍ西安地图出版社
［３］ 全国专业技术人员计算机应用能力考试专家委员会MÁÉÄþÈËÃñ³ö°æÉç
[1] 陈楚上海交通大学出版社
北京大学出版社
机械工程材料性能数据手册.北京
1994. 焊接接头残余应力的计算机模拟
作者：王勤， 朱援祥， 王莉莉
作者单位：王勤,王莉莉(武汉大学,动力与机械工程学院,湖北,武汉,430072)， 朱援祥(武汉大学,动力与机械工程学院,湖
北,武汉,430072;华中理工大学,材料学院,湖北,武汉,430074)
刊名：机械
英文刊名：MACHINERY
年，卷(期)：2004，31(10)
被引用次数：4次
1.陈楚 数值分析在焊接中的应用 1985
2.谭建国 使用ANSYS6.0进行有限元分析 2002
3.J ARNOLDFree.OBINF D PORTERGOFF Predicting residual stresses in multi-pass weldments with the finite element method
1989(02)
4.《机械工程材料性能数据手册》编辑委员会 机械工程材料性能数据手册 1994
1.期刊论文 左治江.李尧.ZUO Zhijiang.LI Yao 环件冷辗扩中残余应力的有限元研究 -热加工工艺2009,38(13)
环件冷辗扩中的残余应力对零件的精度会产生很大的影响.应用商业软件ABAQUS/Explicit,以深沟球轴承外套罔6308冷辗扩为例,建立起沟球截面环件冷辗扩的有限元计算模型.将在
ABAQUS/Explicit中计算完毕的结果导人到ABAQUS/Standard中,编写了残余应力的求解程序.通过对比环件冷辗扩中6个不同阶段的残余应力计算结果,发现深沟球截面环件的残余应力随着
变形量的增加而增大,整圆阶段有利于残余应力的下降,环件内部残余应力分布是不均匀的,而且数值在110～200MPa之间.
2.学位论文 王志峰 先进陶瓷磨削表面/亚表面残余应力有限元预测及其实验研究 2006
经磨削加工后陶瓷表面/亚表面出现的残余应力将直接影响零件疲劳强度、断裂强度、表面硬度和抗磨损能力,也是引起表面裂纹的原因之一.本文对磨削后陶瓷表面/亚表面残余应力
进行了系统的理论和实验研究,利用弹塑性理论进行了陶瓷磨削后残余应力的有限元建模计算,为磨削加工后陶瓷零件的表面/II表面残余应力预测和控制提供了有效的手段.
本文先探讨影响残余应力两个重要因素,对Si3N4和ZrO<,2>的磨削力及磨削温度进行了系统的理论和实验研究,得出两种陶瓷材料在不同加工条件下磨削力和磨削温度的公式；再用有
限元模拟加工过程,通过前面得到公式计算出在不同加工参数下的磨削力和温度,作为有限元模拟计算的载荷,计算不同磨削加工条件下产生的残余应力,用载荷的移动实现了动态磨削加工
的模拟,并得出在整个表面/压表面层的应力场；然后使用x射线衍射对加工后的零件进行测量,利用x射线的穿透能力,测量出磨削陶瓷零件在亚表面层残余应力的梯度分布值；最后比较有
限元预测和实验测量的结果,得出有限元计算残余应力的方法是可行的、有效的.
本文还分析了陶瓷材料与金属材料产生残余应力的同异,并讨论了磨削陶瓷残余应力产生机理及特点.
3.期刊论文 徐建新.明平伟 钛合金焊接薄板残余应力有限元数值分析 -中国民航学院学报2006,24(z1)
研究钛合金焊接薄板残余应力的大小和分布,对于研究钛合金焊接件的疲劳寿命,具有十分重要的理论和工程实际意义.利用ANSYS分析了钛合金焊接薄板的实际焊接温度场以及应力场
的变化和残余应力的分布.计算结果表明,焊接熔合区存在较大的残余拉应力.
4.学位论文 王蓬 考虑相变的焊接接头残余应力有限元计算分析 2006
疲劳失效是焊接结构破坏的主要形式之一，残余拉伸应力降低焊接结构的疲劳性能，而残余压缩应力有利于提高疲劳性能。利用焊缝金属组织转变的方法可以在焊接过程中直接降低
焊接残余拉伸应力，甚至产生残余压缩应力，有效地提高焊接结构的使用寿命。
本文运用ANSYS软件计算分析了考虑相变的焊接接头残余应力。探讨了相变作用机理和对残余应力的影响因素、影响规律及应力分布规律，并与实验数据进行了对比。
以刚性拘束直杆为研究对象对相变残余应力机理分析得出：相变应力可以降低热收缩引起的残余拉伸应力，在一定条件下可使残余拉伸应力转变为残余压缩应力。相变开始温度大于
600℃左右，残余应力均为拉伸应力，其数值达到材料的屈服强度；相变开始温度在600℃～350℃左右之间，残余应力也为拉伸应力，但随着相变开始温度的降低，拉伸应力数值在下降
；相变开始温度在350℃～90℃之间，残余应力为压缩应力；相变开始温度在90℃左右～室温之间时，残余应力又回复为拉伸应力，但随着相变开始温度的降低，拉伸应力数值在上升。相
变温度为170℃左右时，残余压缩应力值最大。计算结果与试验数据得到较好的吻合。
采用普通E5015焊条和相变焊条对平板堆焊的残余应力分布进行有限元计算，组织转变有效地降低了焊缝处的残余拉伸应力，并且产生了残余压缩应力。E5015焊接接头沿着焊缝方向
的横向残余应力为200～300MPa左右的拉伸应力，纵向残余应力为200～300MPa左右的拉伸应力。相变焊条焊接接头沿着焊缝方向的横向残余应力为-200～-300MPa左右的压缩应力，纵向残
余应力为-200～-300MPa左右的压缩应力。E5015焊接接头沿着垂直焊缝方向，在焊缝上及焊趾处的横向残余应力、纵向残余应力均为拉伸应力，随着与焊缝中心距离的增加拉伸应力数值
逐渐下降。而相变焊条焊接接头沿着垂直焊缝方向，在焊缝上及焊趾处的横向残余应力、纵向残余应力均为压缩应力，随着与焊缝中心距离的增加压缩应力数值逐渐趋于零。计算结果与
实验数据基本吻合。
采用普通E5015焊条和相变焊条对十字接头的残余应力分布进行有限元计算。E5015焊条十字接头角焊缝沿着焊接方向焊缝处的横向残余应力与纵向残余应力均为拉伸应力，相变焊条
十字接头角焊缝沿着焊接方向焊缝处的横向残余应力与纵向残余应力均转变为压缩应力。
由上所述，组织转变有效地降低了焊接接头的残余拉伸应力，并且在一定的条件下产生焊接残余压缩应力，从而证实利用焊缝金属组织转变的方法可以在焊接过程中直接产生压缩残
余应力，有效地提高焊接结构的疲劳强度，延长结构的使用寿命。
5.期刊论文 张耀平.张云洞.凌宁.许鸿.ZHANG Yaoping.ZHANG Yundong.LING Ning.XU Hong 薄膜残余应力有限元分析研究 -激光与光电子
学进展2005,42(10)
利用有限元软件对薄膜残余应力进行了分析与计算,并与理论计算结果进行对比,说明所建立的模型是合理的.
6.学位论文 赵学荣 水电站合拢焊缝残余应力的实验及有限元数值分析 2004
为了节省工程成本及减少运行过程中维护和修理环节,某水电站引水压力钢管的设计中,取消了下水平段的伸缩节,改用弹性垫层管来适应厂、坝间的相对位移,垫层管与蜗壳通过一段
凑合节相连接.凑合节与蜗壳间的最后一道合拢焊缝将在强约束条件下焊接,由焊接而产生的残余应力,将对引水压力钢管的安全运行产生影响,所以对合拢焊缝残余应力大小和分布规律的
研究具有重要的工程实际意义及理论意义.该文采用工艺实验和有限元数值分析相结合的方法研究了合拢焊缝中残余应力的大小和分布规律.实验和有限元计算结果表明,纵向拉伸残余应力
和横向拉伸残余应力最大值出现在熔合线附近,随着离焊缝距离的增加,纵向残余拉应力逐渐变为压应力,横向残余应力随离焊缝距离的增加而减小为较小的拉应力;沿厚度方向焊接残余应
力的大小和分布规律为焊缝上、下表面附近存在较大拉应力,而焊缝内部为较小的拉应力.通过实验和有限元的分析结果表明,利用少量实验和有限元分析技术是进行焊接过程力学行为分析
的有效手段,必将在实际工程中得到广泛应用.
7.期刊论文 董辉跃.柯映林.DONG Hui-yue.KE Ying-lin 残余应力对加工变形影响的分析与模拟 -航空材料学报2005,25(5)
为了研究材料去除过程中残余应力的重新分布及该过程所引起的工件变形,假设在该过程中没有引入另外的应力,采用理论计算和有限元模拟的方法对含有已知单向应力情况的矩形板
进行了求解,计算了在剥层过程中的曲率、挠度和残余应力,并分析了剩余部分的残余应力变化趋势.结果表明理论解与有限元解获得了极好的吻合.采用有限元法进一步研究了材料去除过
程中,单向和双向残余应力对加工变形的影响以及最终残余应力分布规律的异同.
8.期刊论文 步贤政.罗震.马迎兵.罗保发.王蕤 铝合金点焊残余应力的有限元模拟分析 -焊接技术2008,37(3)
通过建立铝合金电阻点焊过程的有限元分析模型,模拟了电阻点焊过程温度场的变化情况.揭示了铝合金点焊过程中的熔核产生、形成及长大过程.对在热栽荷和电极压力作用下焊点残