钢结构自熔焊焊接残余应力数值模拟研究

论文摘要

焊接广泛应用在建筑,机械,航天航海以及能源工程中,而其产生的残余应力是导致焊接结构失效的重要原因。目前,使用有限元软件对焊接过程中可能出现的残余应力进行模拟是用来保证焊接质量的一个重要方法。至今,国内外学者已对焊接残余应力进行了大量的研究,但研究模拟过程中的参数选取尚不多见。为此本文基于ANSYS有限元分析软件,运用数值分析方法讨论了钢结构自熔焊焊接残余应力的模拟,文中着重讨论了有关材料物理参数的选取对模拟结果的影响。本文首先对焊接过程中的温度场和残余应力场的基本理论和数值分析方法进行了简要的阐述,其次对二维双面和单面对接自熔焊进行残余应力模拟。计算时采用ANSYS中的热—结构耦合功能,由于考虑到热与结构的耦合是双向的,为了提高精度,采用了直接耦合方法。在热源的选取中采用了生死单元法加载,通过ANSYS参数设计语言(APDL)的循环命令来实现热源移动。其中一并讨论了模拟过程中相变问题的处理方法。通过对焓值、密度、比热容这三个物理参数选取办法的研究,讨论了不同物理参数的变化对焊接残余应力模拟结果的影响。数值分析结果表明:(1)不同物理参数随温度的变化对于焊接模拟结果的影响是不一样的。材料密度和比热容对模拟结果影响很大,而焓值的影响较小。因此,在模拟计算的过程中,可以对焓值做适当的简化处理。(2)同一物理参数的变化对不同焊接方式所产生的影响是不同的。相对而言,对单面对接焊的影响要小些。(3)在研究比热容选取方法时,通过对SS316L不锈钢和20号钢两种材料的对比分析后得出,比热容随温度的变化对SS316L不锈钢的影响要小些。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 致谢
• 第一章 绪论
• 1.1 课题的意义
• 1.2 国内外的概况
• 1.2.1 焊接温度场的研究
• 1.2.2 焊接残余应力的研究
• 1.3 本文的主要内容
• 第二章 焊接模拟的理论
• 2.1 焊接热过程的特点
• 2.2 传热问题的数学描述及其数值方法
• 2.3 焊接热弹塑性分析及其有限元求解
• 2.3.1 本构方程
• 2.3.2 载荷增量法的求解过程简介
• 第三章 钢结构的焊接残余应力的有限元分析
• 3.1 ANSYS 软件与热应力分析
• 3.2 模型假设
• 3.3 焊接热源模型
• 3.3.1 高斯分布热源模型
• 3.3.2 双椭球热源模型
• 3.3.3 生死单元热源加载
• 3.4 焓值及相变的分析方法
• 3.4.1 潜热和焓
• 3.4.2 相变分析思路
• 3.4.3 求解设置
• 3.5 有限元模型及其物理参数
• 3.5.1 有限元模型
• 3.5.2 材料的物理参数
• 第四章 材料物理参数选取对钢结构焊接模拟的影响
• 4.1 焓值的变化对焊接模拟结果的影响
• 4.1.1 双面对接焊
• 4.1.2 单面对接焊
• 4.2 密度的变化对焊接模拟结果的影响
• 4.2.1 双面对接焊
• 4.2.2 单面对接焊
• 4.3 比热容的变化对焊接模拟结果的影响
• 4.3.1 双面对接焊
• 4.3.2 单面对接焊
• 第五章 总结与展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文