焊接结构残余应力及其数值模拟.ppt

* * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * 第1页，共29页，2022年，5月20日，7点25分，星期五 1.焊接数值模拟研究概况 焊接是一门古老而充满活力的学科，在材料加工领域中居于首要的地位，而随着工业的现代化，焊接过程的数值模拟在材料热加工领域数值模拟中具有很强的代表性。 数值模拟技术是使热加工过程走向科学的重要手段，无论是在理论还是实际都有着极其重要的意义所以，在能源、动力、军工等领域的重要部位的焊接仿真的实现、优化工艺过程、提高产品质量、清除安全隐患等方面起着日益重要甚至不可替代的作用。 第2页，共29页，2022年，5月20日，7点25分，星期五 国外 20世纪70年代初，日本大阪大学的上田幸雄教授等人,提出了考虑材料力学性能与温度有关的焊接热弹塑性分析理论，导出了分析焊接应力应变过程的表达式，从而使复杂的动态焊接应力过程的分析成为可能。 1973 Vaidyanathan利用板壳理论,提出了薄壁管对接环焊缝残余应力的计算方法 。 1978 Rybicki等人，将三维焊接应力问题简化为轴对称问题 之后 BYYDong建立了奥氏体不锈钢管道环焊缝的残余应力三维有限元模型 1997 LELindgren等用三维热—力耦合的有限元方法模拟了大型铜罐电子束焊接接头残余应力 此外，Medill采用三维热弹塑性有限元模型模拟了航空常用的Wasplay Ni基合金电子束平板对接接头残余应力 第3页，共29页，2022年，5月20日，7点25分，星期五 国内 我国在计算机分析焊接力学方面起步较晚，但发展迅速。在20世纪80年代初西安交通大学和上海交通大学等就开始了关于焊接热弹塑性理论及在数值分析方面的研究。 此后，西安交通大学的张建勋[7]采用热—弹塑性有限元法，应用有限元程序TEPFEM，分析计算了Co基合金静叶片电子束焊接时的焊接工艺对焊接残余应力的影响。 西安石油学院的李栋才等人采用弹塑性有限元方法对超载拉伸消除焊接残余应力过程进行了数值模拟 天津大学材料学院的陈俊梅利用ANSYS软件对Q235B钢十字接头的焊接残余应力进行了有限元计算。 事实上，已有的数值模拟研究成果已经使我们对复杂的焊接过程有了深入的了解，为解决焊接残余应力带来了新思路和新方法。因此，我们有理由相信，随着人们对焊接残余应力认识的深入和计算机技术的高度发展，焊接残余应力数值模拟技术具有广阔的应用前景。 第4页，共29页，2022年，5月20日，7点25分，星期五 2 数值模拟技术 随着计算机技术和计算方法的发展，复杂的工程问题可以采用离散化的数值计算方法并借助计算机得到满足工程要求的数值解，数值模拟技术是现代工程学形成和发展的重要动力之一。 第5页，共29页，2022年，5月20日，7点25分，星期五 第6页，共29页，2022年，5月20日，7点25分，星期五 第7页，共29页，2022年，5月20日，7点25分，星期五 数值模拟技术受到重视的原因 由于系统越来越高性能化或复杂化，单纯的试验已难以使严峻的状况重现出来。 有些问题只能使用数学模型才能了解其状况。 计算机的性能已经大大提高和普及。 第8页，共29页，2022年，5月20日，7点25分，星期五 数值模拟的基本步骤 1. 建立反映问题（工程问题、物理问题）本质的数学模型。具体说就是要建立反映问题各量之间的微分方程及相应的定解条件。 2. 建立真实的物理模型，就是与现实中所对的理想化的模型 3. 剖分，将待解区域进行分割，离散成有限个元素的集合 4. 导入物性数据，以及其他参数。 5. 单元分析，求解近似变分方程 6. 后处理 第9页，共29页，2022年，5月20日，7点25分，星期五 数值模拟技术在焊接中的应用 1）焊接热传导分析 2）焊接熔池流体动力学 3）电弧物理 4）焊接冶金和焊接接头组织性能的预测 5）焊接应力与变形 6）焊接过程中的氢扩散 7）特殊焊接过程的数值分析 8）焊接接头的力学行为 第10页，共29页，2022年，5月20日，7点25分，星期五 焊接数值模拟软件 ? SYSWELD ? ANSYS、MSC-NASTRAN、 ? ABAQUS、MARC ? DYNA WSDP 第11页，共29页，2022年，5月20日，7点25分，星期五 3 对接薄板的残余应力数值模拟 理论残余应力分布曲线 第12页，共29页，2022年，5月20日，7点25分，星期五 a.确立研究对象 1）坐标系：x轴为焊接线方向、y轴为板宽方向。 2）大小：板长1500mm、板宽600mm、板厚6mm。 b.焊接条件 1）焊接电流I=200