焊接结构残余应力与变形中的热-力耦合问题简析.docx

机械工程学报

第**卷第**期Vol.**No.*

20**年*月JOURNALOFMECHANICALENGINEERING

***20**

DOI：10.3901/JME.20**.**.***

焊接结构残余应力与变形中的热-力耦合问题简析

王苹1，2方洪渊1董平沙

2

(1.哈尔滨工业大学先进焊接与连接国家重点实验室哈尔滨150001

2.密西根大学船体制造与海洋工程系安娜堡48109)

摘要：本研究针对焊接结构设计与制造中的基础问题，借助力学基本理论，研究一维刚性约束杆单元在热-力耦合过程的应

力与应变的演化过程，提出压缩塑性区产生的必要条件为温差达到2△T。在满足力与力矩平衡条件下，将1-Bar理论扩展

至二维平板，提出3-Bar模型研究焊接的加热、冷却过程对二维板纵向残余应力、变形的影响，并将此模型应用于屈曲变形

火焰调修工艺中。研究发现，3-Bar模型中局部加热条带的宽度即为焊接塑性区的宽度；焊接塑性区的纵向残余应力接近材

料屈服强度；塑性区大小，尺寸及其所在位置为控制焊接接头设计的关键，塑性区应尽可能接近并对称于中性轴分布，避免

产生附加变形；火焰调修时自第二个热循环作用起，残余应力与塑性应变均无法发生改变，调修中反复加热同一区域为无用

功；将加热温度峰值与加热宽度输入3-Bar模型，可预测火焰调修控制变形效果。

关键词：焊接结构；塑性区；3-Bar模型；火焰调修

中图分类号：TG156

Thermo-mechanicalProblemsforUnderstandingResidualStressesand

DistortionsinWeldedStructures

WANGPing1,2FANGHongyuan1DONGPingsha2

(1.StateKeyLaboratoryofAdvancedWeldingandJoining,HarbinInstituteofTechnology,Harbin150001,

China；

2.DepartmentofNavalArchitectureandMarineStructure,UniversityofMichigan,AnnArbor48105,USA)

Abstract：Tounderstandthebasicproblemsinthedesignandmanufactureofweldedstructures,theevolutionofstressandstrainin

thethermal-mechanicalcouplingprocesswascarriedoutbyusingone-dimensionalrigidbarelements.Thenecessaryconditionfor

thecompressiveplasticzoneswasproposed,wheretemperaturedifferencesreached2ΔT.Underthebalanceconditionsofforceand

moment,the1-Bartheorywasappliedintotwo-dimensionalplates.The3-Barmodelwasputforwardtostudytheeffectsofwelding

heatingandcoolingprocessesonthedistributionoftwo-dimensionallongitudinalresidualstress.Itwasfoundthat,thewidthofthe

localheatedstripin3-Barmodelequalstothewidthoftheweldingplasticzone;thelongitudinalresidualstressoftheweldingplastic

zoneisclosetothematerialyieldstrength;thedimension,profileandlocationoftheplasticzonearethekeypointinthedesignof

theweldedjoint,forwhichtheasymmetricdistributiono