残余应力数值模拟中的难题
关于焊接残余应力与应变问题的分析与探讨
第十二次全国焊接学术会议论文集2008年第4期关于焊接残余应力与应变问题的分析与探讨哈尔滨工业大学(150001) 杨建国 张学秋 刘雪松 方洪渊摘要 传统的观点认为在焊缝及近缝区存在着残余压缩塑性应变,而近几年有学者提出焊缝不存在残余压缩塑性应变,只存在拉伸应力和应变,在焊后焊缝当中不可能存在残余压缩塑性变形,从而对消除残余应力的方法进行了重新论述,为了分析关于焊缝和近缝区纵向残余应力及纵向塑性应变的分布,采用数值模拟的方法对熔焊接头的应力和应变进行了分析和计算,结果表明,焊缝及近缝区存在着纵向残余压缩塑性应变,验证了传统观点的正确性,并就计算结果对有关残余应力与应变的因果关系及相关问题进行了分析和讨论。
关键词: 残余应力 应变 数值模拟 温度中图分类号: TG4440 前 言1965年,前苏联尼古拉也夫 # 院士分析了焊接应力应变的发展过程,认为在钢板中心区为压应力和压应变区,而板的两侧为拉应力和拉应变区。
在大约200e 以上的区域产生压缩塑性变形,在600e 以上的区域,压缩塑性变形为A #T ,式中:A 为线膨胀系数,T 为温度[1]。
此外,前苏联的H.O.奥凯尔勃洛姆和C .A 库兹米诺夫也认为焊接加热过程中焊缝和近缝区的金属热膨胀应变受到周围较冷金属的拘束,从而产生压缩塑性应变。
焊接冷却过程中该压缩塑性应变被拉伸抵消一部分,但焊后仍残留部分压缩塑性应变,称为残余压缩塑性应变[2,3]。
并用来分析和预测焊接残余应力和变形。
从而可以看出传统的观点,无论是尼古拉也夫 . 院士还是H.O.奥凯尔勃洛姆和C .A 库兹米诺夫,都认为焊缝存在压缩塑性变形。
近几年,沈阳金属研究所的王者昌研究员提出了一种新的观点,认为/对于焊缝金属来说,并不存在加热阶段。
在冷却过程中除相变外,都受到拉伸,也就是说不存在压缩,更不会出现压缩塑性变形。
0究竟哪种观点正确,文中采用有限元的方法进行了分析和讨论。
1 对接焊缝的数值模拟过去在研究焊接应力与应变方面大多采用解析法,但是由于该方法是基于平截面假设的前提下,并简化了诸多条件和因素,掩盖了许多现象,伴随着计算机收稿日期:2008-01-19基金项目:黑龙江省博士后科学基金资助项目技术在焊接研究中的广泛应用,以数值模拟的方法来分析焊接应力应变及预测焊接变形已经成为一种重要手段,虽然焊接数值模拟技术是从解析法发展起来的,但它可以定量地分析焊接行为的整个动态变化,能够近于准确地演示热弹塑性应力和应变非线性变化的复杂变化过程。
激光熔覆残余应力场的数值模拟
激光熔覆残余应力场的数值模拟随着工业技术的发展，激光熔覆成为一种重要的表面处理技术。
在激光熔覆过程中，由于材料迅速升温和迅速冷却，会导致残余应力的产生。
残余应力对材料的性能和稳定性有重要影响，因此研究和预测激光熔覆残余应力场的分布是至关重要的。
为了准确地模拟激光熔覆残余应力场，研究人员采用了数值模拟的方法。
数值模拟是一种基于计算机模型的方法，通过建立相应的数学模型和物理模型，运用数值计算的方法来分析和预测研究对象的行为和性能。
在激光熔覆残余应力场的数值模拟中，首先需要确定研究对象的材料性质、几何形状、熔覆参数等。
然后，利用有限元法进行数值计算。
有限元法是一种常用的数值计算方法，通过将整个计算区域划分为许多小的单元，然后利用力、应变、位移等物理量在单元内部的近似关系和全局连续性，得到整个计算区域的应力场分布。
这样就可以得到激光熔覆残余应力场的数值模拟结果。
激光熔覆残余应力场的数值模拟是一个复杂的过程。
首先，需要对激光熔覆过程进行数值建模。
通过建立热传导模型，考虑激光辐射传热、材料熔化和凝固等过程，可以得到熔覆区域的温度场分布。
然后，利用热应力理论，结合材料的热力学性质和力学性质，得到熔覆区域的应力场分布。
最后，考虑材料的变形和应力释放，可以得到残余应力场的分布。
激光熔覆残余应力场的数值模拟可以帮助研究人员深入了解熔覆过程中的温度场和应力场变化规律。
通过对不同工艺参数、材料性质等因素的数值分析，可以指导实际工艺的优化和改进。
此外，数值模拟还可以用于预测材料在使用过程中的残余应力和变形情况，为材料的设计和使用提供参考。
然而，激光熔覆残余应力场的数值模拟也存在一些挑战和限制。
首先，激光熔覆过程涉及到多个物理现象的耦合，涉及的物理量多且复杂，对模型的准确性和计算的稳定性提出了要求。
其次，材料的性质和参数往往存在不确定性，如热传导系数、热膨胀系数等。
这些不确定性会影响数值模拟结果的准确性和可靠性。
另外，数值模拟结果还受到模型假设和边界条件的影响，模型的选择和参数的设定也对结果有一定的影响。
基于数值模拟的热处理过程中残余应力分布的研究
基于数值模拟的热处理过程中残余应力分布的研究热处理是一种重要的金属加工方法，对于提高材料的力学性能和耐久性起到至关重要的作用。
然而，在进行热处理时，材料内部会产生残余应力。
这些残余应力会对材料的性能产生负面影响，甚至导致材料的破裂和断裂。
因此，研究热处理过程中残余应力的分布对于优化热处理工艺、改善材料性能具有重要意义。
数值模拟是研究热处理过程中残余应力分布的一种有效方法。
通过建立数值模型，可以对热处理过程中的各种因素进行定量分析，预测残余应力的分布情况。
下面将介绍数值模拟在研究热处理过程中残余应力分布方面的应用。
首先，数值模拟可以模拟热处理过程中的温度场分布。
热处理过程中的温度分布是残余应力分布的基础。
通过数值模拟，我们可以输入热处理工艺参数和材料特性等，对热处理过程中材料的温度变化进行模拟。
这样，我们就能够了解热处理过程中不同部位的温度变化，进而预测残余应力的分布情况。
其次，数值模拟可以模拟热处理过程中的相变行为。
在热处理过程中，材料可能经历相变，如固态相变、液态相变等。
这些相变行为会引起材料内部的组织结构的变化，从而产生残余应力。
通过数值模拟，我们可以建立相应的相变模型，模拟相变行为对残余应力的影响，进而分析残余应力的分布情况。
此外，数值模拟还可以模拟热处理过程中的应力分布。
热处理过程中的应力分布是残余应力分布的关键。
通过数值模拟，我们可以考虑热处理过程中的各种应力因素，如热应力、塑性应力等，对应力分布进行模拟。
这样，我们就能够了解热处理过程中各个部位的应力变化，从而预测残余应力的分布情况。
最后，数值模拟可以对热处理工艺进行优化。
通过数值模拟，我们可以模拟不同的热处理工艺参数，比如温度、时间等，以寻找最佳的热处理工艺。
通过对比不同参数下的残余应力分布，我们可以找到最优的热处理工艺参数，以减小残余应力的分布范围和大小，从而改善材料的性能。
综上所述，基于数值模拟的研究热处理过程中残余应力分布能够提供重要的参考和指导。
焊接残余应力数值模拟研究现状王永康
焊接残余应力数值模拟研究现状王永康发布时间：2023-06-18T02:58:22.258Z 来源：《建筑实践》2023年7期作者：王永康[导读] 重要结构在焊接过程中不可避免产生的残余应力对结构的强度和服役安全性有重要影响，随着计算机技术的迅速发展，数值模拟技术对焊接结构残余应力的预测与控制具有广阔的应用前景。
文中论述了数值模拟技术在焊件中的研究与计算难点，综述了近期国内外焊接残余应力数值模拟方法在焊接结构中的应用于研究现状，展望了该类技术在未来焊接技术的发展趋势。
重庆交通大学土木工程学院重庆 400041摘要：重要结构在焊接过程中不可避免产生的残余应力对结构的强度和服役安全性有重要影响，随着计算机技术的迅速发展，数值模拟技术对焊接结构残余应力的预测与控制具有广阔的应用前景。
文中论述了数值模拟技术在焊件中的研究与计算难点，综述了近期国内外焊接残余应力数值模拟方法在焊接结构中的应用于研究现状，展望了该类技术在未来焊接技术的发展趋势。
关键词：焊接；残余应力；数值模拟0 前言随着技术的发展，大型机械结构运用愈发广泛，带动焊接结构向大型化、精密化和高参数方向发展，焊接残余应力是降低焊接构件性能及可靠性的重要因素之一，因此如何利用现代新兴技术控制焊接残余应力已成为核心的问题。
目前，我国焊接结构焊接残余应力的传统测量方式主要包括破坏性和非破坏性测量应力试验，但只能测量焊接结构件表面及其附近的残余应力。
因此，随着计算机技术的发展，采用数值模拟分析技术对核电结构焊接残余应力进行模拟计算，全面了解影响残余应力的各种因素及其影响规律，对未来高质量的焊接结构的发展具有十分重要的现实意义[2~3]。
1 残余应力数值模拟技术残余应力数值模拟在计算力学上属于典型的热力耦合问题，即热力学和力学相互迭代非线性有限元计算。
焊接残余应力和变形的根本原因是焊接过程中由于局部的热输入而导致不均匀的温度场，因此数值模拟首先需要对焊接温度场进行准确的计算，包括焊接工艺、边界条件、材料特性等多因素考虑，以此保证焊接过程热弹塑性动态分析的准确[4]。
爆炸消除焊接残余应力的数值模拟
爆炸消除焊接残余应力的数值模拟爆炸消除焊接残余应力的数值模拟焊接残余应力是一个常见的问题。
在焊接过程中，高温物质的热膨胀和收缩会导致材料的形状发生变化，进而产生残余应力，这将会影响机械性能和耐用性。
而解决残余应力的方法之一就是爆炸消除技术。
本文将介绍通过数值模拟爆炸消除焊接残余应力的方法。
首先，我们需要建立一个三维的有限元模型。
这个模型应该和我们想要焊接的实际工件尽可能接近。
我们可以使用数值计算软件或者有限元分析软件来构建这个模型。
在建模的过程中，我们需要考虑焊接热源、导热、冷却和热膨胀等因素。
然后，我们需要确定爆炸消除技术的参数。
爆炸消除包括激波、爆炸和喷射等过程。
我们需要考虑爆炸药的种类、粒度和密度、爆炸药与工件之间的距离、爆炸的时间、爆炸的方向和强度等因素。
这些参数的确定需要基于实验和经验，并结合实际情况进行调整。
接下来，我们需要进行数值模拟。
我们将爆炸消除过程和焊接过程连接在一起进行模拟，同时考虑材料的耐热性，热膨胀系数以及变形发生的顺序等因素。
在数值模拟的过程中，我们需要对边界条件进行适当的设定，如限制边界和速度边界。
同时，我们还需要考虑计算时间和内存的限制，保证计算的收敛性和稳定性。
最后，我们需要对模型进行结果分析和数据处理。
我们可以通过结果图表来直观地展现残余应力的分布和变化情况，并进行相关数据的分析和处理。
我们还可以通过比较实验结果和数值模拟结果来验证模型的准确度和可靠性。
总之，数值模拟是一种有效的解决焊接残余应力问题的方法。
通过建立合适的模型，确定正确的参数和进行精确的计算和分析，我们可以更好地掌握焊接残余应力的变化规律，并采取有效的措施来解决这个问题。
对于焊接残余应力的数值模拟分析，我们需要进行相关数据分析，以确定残余应力分布的规律和变化趋势。
首先，我们需要收集和分析关于焊接材料的相关数据，如热膨胀系数、热导率、比热容、密度、杨氏模量和泊松比等。
这些参数对于确定焊接过程中热膨胀和冷却的效应非常重要，尤其是在数值模拟中。
焊接变形与残余应力的数值模拟分析
焊接变形与残余应力的数值模拟分析随着工业技术的发展，焊接已经成为了现代制造业中不可或缺的一种加工工艺。
焊接的应用范围非常广泛，从车辆制造到建筑结构，从航空航天到电子竞技设备，焊接技术都有所涉及。
然而，焊接过程中会产生残余应力和变形问题，严重影响焊接件的品质和性能，甚至可能导致失效。
因此，了解焊接变形和残余应力问题，进行数值模拟分析是非常重要的。
一、焊接变形焊接变形是焊接过程中最常见的问题之一。
变形不仅影响焊接件的外观美观，还会影响其安装和使用。
焊接变形的产生原因有很多，其中包括热应力、物理收缩、材料弹性性质的变化等。
因此，减少焊接变形是焊接过程中必须解决的技术问题。
在数值模拟中，我们一般采用有限元法来模拟焊接变形。
这种方法可以对焊接前后零件的状态进行精确的数值计算。
在计算过程中，我们需要考虑材料的物理性质、热加工条件和焊接过程中零件的固定方法等。
通过数值模拟，我们可以预测焊接变形的量、方向和位置，从而采取相应的措施进行修正，保证焊接件的完整性和质量。
二、残余应力焊接残余应力是指焊接过程中留下的静态应力。
这种应力会影响焊接件的耐用性和安全性，容易引起裂纹和变形。
在某些情况下，焊接残余应力甚至可能导致焊接件的失效。
因此，减少焊接残余应力是非常重要的。
数值模拟还可以用来分析焊接残余应力。
在数值模拟时，我们一般采用热-弹性-塑性的有限元法进行计算。
这种方法考虑了焊接过程中不同材料之间的热胀缩差异、热致塑性变形和残余应力等因素。
通过数值模拟，我们可以预测焊接件上的残余应力分布情况，从而采取相应的措施进行消除或者减少。
三、模拟结果的验证由于焊接变形和残余应力问题十分复杂，需要考虑很多因素。
因此，数值模拟结果仅供参考，需要进行实验验证。
提高焊接件的精度和焊接品质，可以采用慢速焊接、增加支撑和焊接等离子体，并对焊接过程中的参数进行充分的控制。
同时，可以使用补偿焊接，通过防止变形和残余应力问题的技术手段，来消除材料的塑性变形和残余应力。
铸造合金中的残余应力分析与控制
铸造合金中的残余应力分析与控制在铸造工艺中，残余应力是一种不可忽视的因素，它对铸件的性能和稳定性有着重要的影响。
合理分析和控制铸造合金中的残余应力，对于提高铸件的质量和寿命具有重要意义。
本文将重点探讨铸造合金中残余应力的产生机制和控制方法。
一、残余应力的产生机制1. 温度差异引起的热塑性残余应力在铸造过程中，液态合金在凝固过程中由于温度变化会出现体积收缩，而模具和模型由于热胀冷缩的原因产生应变。
这种温度差异引起的应变在冷却过程中将会形成残余应力。
2. 金属液态及凝固过程引起的组织和晶体排列的不均匀性金属在凝固过程中由于晶体的生成以及晶界的形成，其组织和晶体排列的不均匀性将导致残余应力的产生。
3. 熔化金属与模型之间的溶解反应在铸造合金中，金属与模型之间会发生溶解反应，而金属的表面会因此产生变化，导致应力的积累。
二、残余应力的分析方法1. 数值模拟分析法利用有限元分析等数值模拟方法，可以对铸造合金中的残余应力进行准确的预测和分析。
通过建立合适的模型和输入相关的工艺参数，可以模拟和分析金属在凝固过程中的应变和应力变化。
2. 试验测量法通过引入适当的试验装置和传感器，可以对铸造合金中的残余应力进行直接测量。
利用应力测量仪器，如应变计和拉压计等设备，可以准确测量不同位置和方向上的残余应力，为分析和改善铸造工艺提供依据。
三、残余应力的控制方法1. 优化铸造工艺参数通过调整铸造过程中的工艺参数，如浇注温度、冷却速率和模具的材料等，可以有效控制残余应力的产生。
选择合适的工艺参数对于减少金属体积收缩和模具热胀冷缩之间的差异是十分重要的。
2. 合理设计铸件结构合理设计铸件的结构，减少应力的集中和应变的局部堆积。
通过合理的几何尺寸和结构设计，可以改善金属的流动性和凝固过程，从而降低残余应力的产生。
3. 采用热处理工艺对于一些易产生残余应力的铸件，在铸造过程结束后，采用适当的热处理工艺可以有效减少残余应力的存在。
热处理过程中的固溶、时效等工艺手段，可以通过改变金属的组织和晶体排列状态，从而减缓和消除残余应力。
激光熔覆残余应力场的数值模拟
激光熔覆残余应力场的数值模拟激光熔覆技术是一种先进的表面修复和加工技术，具有高效、精密、低热影响区和局部加热等优点。
在激光熔覆过程中，高能激光束直接作用于金属表面，使其瞬间熔化并与底材相融合，形成涂层。
然而，由于激光熔覆过程中金属材料的快速加热和冷却导致了残余应力的产生，这些应力会影响涂层的性能和寿命。
对于激光熔覆残余应力场的数值模拟及其对涂层性能的影响具有重要意义。
1. 激光熔覆残余应力场的形成机理在激光熔覆过程中，激光束对金属表面的瞬间加热会引起熔化和快速冷却，从而形成了残余应力场。
这些残余应力主要源于熔化池的温度梯度、材料的线膨胀系数差异和相变引起的体积变化等因素。
研究表明，残余应力的大小和分布对于涂层的结合强度、断裂行为、疲劳寿命以及耐腐蚀性能都有显著影响。
2. 激光熔覆残余应力场的数值模拟方法为了准确预测和评估激光熔覆残余应力场，数值模拟成为了一种有效的手段。
常见的数值模拟方法包括有限元法、辅助力场法和相场法等。
有限元法是一种较为常用的数值模拟方法，它可以根据熔覆过程中的混合传热模型和相变规律来模拟材料的温度场和变形场，进而计算出残余应力分布。
辅助力场法和相场法则是基于相变动力学和场论原理的模拟方法，它们可以有效地描述激光熔覆过程中的相变现象和宏观行为，从而得到残余应力的分布情况。
3. 激光熔覆残余应力场的影响因素在数值模拟过程中，需要考虑多种影响因素对残余应力场的影响。
首先是激光参数的影响，包括激光功率、扫描速度、激光斑大小等参数的变化都会对残余应力场产生影响。
其次是涂层材料的选择和性质，不同的金属材料在激光熔覆过程中会产生不同的残余应力。
而材料的热物性和相变特性也是影响残余应力场的重要因素。
4. 个人观点和理解对于激光熔覆残余应力场的数值模拟，我认为这是一项非常重要的研究工作。
通过对残余应力场的准确模拟和预测，可以帮助我们更好地理解激光熔覆过程中的材料行为和性能变化规律，为优化工艺参数、设计更加耐磨、耐腐蚀的涂层提供科学依据。
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残余应力数值模拟中的难题
经常在各种科技期刊和残余应力学术会议上，看到国内残余应力研究者发表的论文，其中，残余应力数值模拟结果和测量结果高度一致。
笔者作为国内力学测量领域内有着30多年应力测试经验的专业人士，对此有不同的看法，因此特指出残余应力数值模拟中的难题。
残余应力之所以产生，从力学角度讲，是由于材料加载（包括外力和温度等因素）产生了塑性变形，卸载后，由于材料进入塑性区而恢复不了原始状态，必然留下残余的变形，这部分变形就产生了残余应力。
所以机械零部件和构件在制造时，各种加工工艺，比如，焊接、锻压、铸造和各种热处理工艺等，都会使材料进入塑性变形区，从而产生残余应力。
在实际生产中，上述加工工艺都会产生足以引起材料相变的高温。
因此，残余应力数值模拟在计算力学上是一个典型的热力耦合问题，即热力学和力学的相互迭代非线性有限元计算。
这就引出了几个不容易模拟的难题。
1、热力学边界条件的热交换问题
在各种加工工艺中，比如，焊接、锻压、铸造，特别是各种热处理工艺，如何保证数值模拟时材料与周围介质热交换更逼近实际是不容易做到的，只能近似。
最典型的是材料淬火的快速冷却，更不容易做到。
2、力学计算涉及的本构关系问题
要计算残余应力就必须知道材料的本构关系，即应力应变关系。
然而，材料的弹性应力应变关系容易确定，但材料在上千度高温时，要精确确定它的热塑性应力应变关系就非常困难，且这种应力应变关系是随温度变化的，要确定不同温度下的热塑性应力应变关系就更难。
3、材料金属学的相变问题
残余应力数值模拟中，热力耦合迭代，材料要经过相变区，材料中每一温度每一部分要引进多少相变变形，是个难题。
4、热力耦合非线性计算数学迭代问题
这是高难度的有限元计算数学问题，国外这个问题研究成果显著，已有静力、动力、流体、热力学综合分析软件MSC.NSATRAN、ANSYS/LS-DYNA、ALGOR、ADINA等，通用材料热处理、成型软件DEFORM-HT，板料成型、钣金成型、冲压成型软件DynaForm、FastForm、AutoForm、PAM-FORM、HyperForm等，铸造模拟软件Procast、Magmasoft等，热处理、焊接和焊接装配软件SYSWELD等。
而国内在这方面几乎没有什么高水平的软件。
上述前3个难题决定了任何一个软件对残余应力的数值模拟只能是定性的而不能定量，因为差之毫厘，失之千里，热力学边界条件、材料本构关系和相变变形与实际情况的不符不可能模拟出精确的残余应力值。
但可以以残余应力测量值为参考，修正这3个难题中的计算参数，直到模拟的残余应力数值接近测量值，以后就利用这些参数来进行某个方面特定的残余应力数值模拟，而不是通用残余应力数值
模拟，因为每个残余应力模拟问题的参数是不同的。
这是残余应力数值模拟结果和测量结果的人工强制一致，而不是国内残余应力研究者发表的论文，不做任何修正，计算的残余应力结果和测量结果就高度一致。
至于第4个难题，由于市场经济的原因，我国目前还没有残余应力数值模拟方面的高水平软件。
而有些年轻的硕士、博士刚入门编了一个热处理或材料加工、成型方面的小程序，就炫耀效果如何如何，无知者无畏，如果那样的话，国外的软件就不会卖几十万甚至几百万了。
作者，赵怀普，西安交通大学力学系毕业，近三十来，长期从事实验应力分析和有限元模拟计算工作，曾创新性地采用实验力学与计算力学相结合的方法，提出了新的三维残余应力测量方法，其论文在国际期刊《Strain》上发表。
在科研成果中，成功地把环芯法残余应力测量方法引进到我国重机行业中，因此获黑龙江省科技进步一等奖。