钢结构十字形节点固有应变地地研究样本.doc

燕山大学本科生毕业论文 实用标准文案 PAGE 4 精彩文档 第1章 课题的研究历史与现状 1.1 课题研究背景 20世纪40年代，前苏联的奥凯尔勃洛姆就对焊接变形与应力的起因和分类进行了研究，建立了确定焊接变形和应力的理论方法。但是焊接涉及的诸多现象和参数都是瞬时、不均匀分布和强烈非线性的，因而无法对焊接过程给出精确描述。早期的研究都进行了很大程度的简化，以温度场为基础，对材料、几何和工艺参数进行一定假设，在特定的条件下进行分析，并通过试验对理论分析的结果进行修正。 多年来，国内外学者和专家对焊接变形与应力进行了大量的研究。特别是近年来随着数值方法和计算机技术的发展，许多原来难以解决的问题有了实现的可能，也取得了不少研究成果。从最初的解析法，到现在常用的热弹塑性法、固有应变法，都离不开计算机和有限元理论的发展。 理论上对焊接过程进行有限元分析可以采用更复杂的理论和模型，并考虑多种过程的耦合效应，其中所涉及的参数也可更加接近生产实际，从而分析复杂的焊接结构和动态的焊接过程，得到相当精确的数值解。 对焊接变形的控制也取得了较大的进展，尽管实际生产中仍以经验性的工艺措施为主，但是已经出现了一些理论性的研究，并且取得了较为精确的数值模拟成果。 1.2 焊接变形预测 焊接中常用的电弧焊是一个不均匀的、以一定速度移动的加热和冷却过程。在此过程中，在不同的瞬时，有些点有着不同的温度分布，既不同的焊接热循环。这种情况使物体产生热胀冷缩这一简单的物理现象，在被焊的结构中，产生了复杂的热力学过程:在构件截面是出现了弹性区、弹塑性区、塑性区。由于在加热过程中有塑性的压缩变形，因此在焊接过程终了温度恢复到原来的温度时，结构中产生了焊接应力，同时结构也发生了畸变，即焊接变形。 早在20世纪20年代，有限元方法就开始用于预测焊接变形。有限元理论经过了50年特别是近30年的发展，它的基本理论和方法已经比较成熟，成为当今工程技术领域中应用最为广泛，成效最为显著的数值分析方法。在焊接领域中，有限元方法不仅可以用来预测焊接变形，还可以用于模拟焊接温度场、焊接残余应力和影响区组织等的预测。 以下是常用的几种分析焊接变形的有限元理论： 1.2.1 热弹塑性有限元理论 这是应用最为广泛的焊接过程计算方法，涵盖了焊接过程的各个方面。包括不同的焊接类型、焊接材料和接头形式，既用于对焊接变形的分析，也用于分析残余应力、裂纹、疲劳和断裂等。分析中的热源通常简化为点、线、面热源。常用的热源类型有高斯函数、半球状分布函数、椭球形分布函数、双椭球形分布函数等。材料的热物理性能参数都设为温度的函数，具体的函数关系由试验确定。热弹塑性有限元分析的缺点是运算量很大，特别是对大型构件和复杂结构，有些即使能够分析也很不经济，有些则不得不采用其他的简化方法。 1.2.2 考虑相变与各种耦合效应的有限元理论 金属材料发生相变时，因体积变化造成的应力对整体应力场和变形场有重要影响。A.S.Oddy[6] 等在焊接应变场分析的总应变率中计入了相变应变率。提出了一个改进的点焊有限元模型，综合了传热、电场、热弹塑性、接触、相变等特征以及各特征的相互作用，并进行了试验验证，得到了与实际非常吻合的结果。 1.2.3 粘弹塑性有限元理论 HANied[6]采用粘塑性以及对应变率敏感的材料模型建立了有限元方程，根据Prandtl2Reuss流动法则和Von Mises屈服条件建立了粘弹塑性有限元方程，用于计算奥氏体钢的焊接热应力和变形，所得结果与试验吻合很好。YUeda导出了指数和幂函数蠕变应变率下粘弹塑性有限元分析的各个表达式。如果考虑蠕变现象，采用热粘弹塑性有限元方法，提出一个评价局部焊后热处理效果的直接方法，研究表明蠕变行为对局部焊后热处理过程中的热应力产生有着重要的影响。 1.2.4 残余塑性应变有限元理论 焊接时焊缝及其附近材料的热膨胀受到附近低温材料拘束，产生大量的压缩塑性应变，冷却后形成残余塑性应变，其大小和分布决定了最终的残余应力和变形。因此如果知道了残余塑变的大小和分布，就可以通过一次弹性分析求得整个构件的焊接应力和变形。问题的关键是如何确定残余塑变。在残余塑变法的基础上发展的固有应变法，其最大的优点在于可以避开运算量极大的热弹塑性分析。近年来上海交通大学的汪建华教授运用该方法进行了大量的研究工作，取得了丰硕的成果。 1.2.5 利用相似理论 运用相似理论可以将模型试验和数值模拟方法结合起来，按照相似关系对焊接构件进行一定转换，减小复杂性后再进行数值计算。清华大学的蔡志鹏教授等研究了相似理论在焊接温度场、应力应变场以及预测焊接变形等方面的应用。推导了温度场和高斯热源的相似准则，并得到模型与实际构件焊接残余变形的相似关系式。在实际生产中，因为受到焊接条件的限制，模型与实物间的