焊接过程模拟与焊接变形焊接Ansys应力有限元分析
焊接变形和残余应力的影响
焊接变形和残余应力的影响摘要：影响焊接质量的因素有很多，且影响机制非常复杂。
在实际生产过程中，当材料、焊接工艺确定的情况下，焊接质量主要取决于焊接工艺参数的选择。
而各个工艺参数之间的合理配置对提高焊接工作效率具有重要作用。
国内外的研究和应用表明，只要焊接工艺参数合理，保证焊接接头可以具有良好的性能。
基于此，本文主要对不同点固焊接形式对焊接变形和残余应力的影响进行了简要的分析，以供参考。
关键词：点固焊接形式；焊接变形；残余应力；影响引言焊接质量的好坏直接影响到加工余量、装配精度、产品性能和使用寿命。
如何提高焊接质量，有效控制焊接变形和残余应力，已成为当前工程应用中亟待解块的难题。
1有限元模型焊接过程模拟关键是建立精确的有限元模型，包括合理的网格模型、材料的热物理及力学特性参数、热力边界条件。
利用HyperMesh强大的网格化分功能对模型进行单元网格划分，为保证模型的计算精度与计算效率，采用网格过渡形式进行划分，焊缝和热影响区附近网格比较细密，控制在2mm，远离焊缝的母材区域网格较为稀疏，控制在6mm。
为避免出现剪切自锁和少漏现象，在厚度方向上母材区域网格确保为2～3层。
单元类型选择八节点六面体实体单元，模型共划分为16552个20节点单元，76783个节点。
模拟采用的材料为较为普遍使用的Q345低合金高强度结构钢，本文选择Goldark双椭球体热源物理模型模拟MAG焊接热源，采用温度均匀热源加载方式，作为焊接热源边界条件。
由于实际焊接过程中工件表面与周围环境之间存在温度差异，通过对流和辐射2种力式进行热交换，周围环境温度设为20℃，工件表而换热系数，采用位移约束定义模型的力学边界条件。
2不同点固焊接形式对焊接变形和残余应力的影响2.1纵向残余应力纵向残余应力沿横向的分布。
两种约束条件下纵向应力的横向分布趋势相同，在0-20mm范围内，始终表现为较大的纵向拉应力状态，且随着距焊趾距离的增加，纵向拉应力均呈先增大后减小趋势。
焊接应力与焊接变形的产生原因与控制措施
０机械 与电子０
科技信 息
焊接应力与焊接变形的产生原因与控制措施
刘 洪 林
（ 大唐 国际唐 山热 电责任 有 限公 司 河北
【 摘
接应 力与变形， 高焊接 工序的精度， 提 具有十分重要的现 实意 义。
５ 消 除 焊 接 应 力 的 方 法
消除焊接应力 的方法 有 ： 热处 理法、 机械法和振动法。 ５１ 热处理方法包括 ： ． 整体热处理 和局部 热处 理。将整个构件放在炉 中加热到一 定温度 ． 然后保 温一段 时间再冷却 。通过整 体高温 回火可 以将构件 中 ８ ％ ９ ％的残余应力消 除掉 ， ０ 一０ 这是生产 中应用 最广泛 、 效
唐山
０３ ０ ） ６ ０ ０
要】 随着社会 经济与技 术的不断发展 ， 现代焊接向着 大型化 、 高精度 的方 向发展 。 如何采取措施减 小金属结构在焊接 工序 中发 生的焊
【 关键 词】 焊接 变形 ； 焊接应力 ； 产生原 因； 控制措施
焊接变形 的种类很 多 ． 与构件 形状和尺寸 ． 焊接方法 和顺 序 ． 约束 在焊接过程 中 ， 由于焊件 局部的温度发生变化 ， 产生应力变形。 进 而导致 了构件产生变形 。因此 ， 通过对焊接结构及焊接变形 的分析 ， 通 情况 等很 多因素有 关 常见焊接变形 主要分为以下几大类 ： 过对焊接工艺焊件结构设计 等方面采取有效措施 ， 而提高焊接质量 。 ３１ 横 向收缩变形 ： 焊后在 垂直于焊缝方向产生收缩。 从 ． 构件 ３ 纵 向收缩变形 ： 焊后在 焊缝方 向产生收缩。 ． ２ 构件 １ 焊 接 应 力与 焊接 变 形 的产 生原 因 ３３ 角变形 ：由于焊缝 的横 向收缩使得焊件平 面绕焊缝轴产 生角变 － 化。 焊接应力 ． 缝冷却至原 始温度后 ． 焊 在整个接 头区 内焊缝及 近缝
焊工工艺学焊接应力与变形
2.工艺措施
1. 正确的确定装配、焊接顺序
• 不正确的装配次序：工字构件， 先丁字，然后在装另一块盖板， 焊后仍有较大的挠度
• 丁字
f1,2
P eL L2 8EJL
• 工字
f 3, 4
P eI L2 8EJI
• 正确应该是，先点固成工字， 然后焊接，注意次序
第16页/共64页
第33页/共64页
焊接残余应力的影响
3 对疲劳强度的影响（研究不够充 分）
4 对应力腐蚀的影响
原因：拉应力和介质、腐蚀共同作 用下产生裂纹的一种现象，拉应 力越大，发生应力腐蚀开裂的时 间越早。
5 对结构刚度的影响 结论：在静载下，焊件经过一次
加载，卸载后，以后再次加载， 只要其大小不超过前一次，残余 应力不再起作用，外载也不影响 焊件内部残余应力的分布
第18页/共64页
刚性固定法
• 在无反变形的情况下，将 构件加以固定来限制焊接 变形，（在焊法兰盘上）， 防止角变形和波浪变形较 好
第19页/共64页
合理的选择焊接的方法和焊接规范
• 选择线能量较低的焊 接方法，采用多层焊 代替单层焊
第20页/共64页
（4）散热法 焊接时用强迫冷却的方法使焊 接区散热，由于受热面积减少而达到减少 变形的目的。散热法对减少薄板工件的焊 接变形比较有效，但散热法不适用于焊接 淬硬性较高的材料。
2.工艺措施
2.选择适当的施焊次序和方向 原则：
1.当结构形心轴两侧有焊 缝时，先焊少的一侧 2.先焊离构件形心轴近的 ，对构件变形影响大的 最后焊 3.截面对称的构件应对称 的交替焊，尽可能增加 翻转辅助时间
第17页/共64页
反变形法
焊接温度场仿真和热变形、应力仿真的基本理论和仿真流程
焊接温度场仿真和热变形、应力仿真的基本理论和仿真流程1 前言焊接作为现代制造业必不可少的工艺，在材料加工领域一直占有重要地位。
焊接是一个涉及到电弧物理、传热、冶金和力学等各学科的复杂过程，其涉及到的传热过程、金属的融化和凝固、冷却时的相变、焊接应力和变形等是企业制造部门和设计人员关心的重点问题。
焊接过程中产生的焊接应力和变形，不仅影响焊接结构的制造过程，而且还影响焊接结构的使用性能。
这些缺陷的产生主要是焊接时不合理的热过程引起的。
由于高能量的集中的瞬时热输入，在焊接过程中和焊后将产生相当大的残余应力和变形，影响结构的加工精度和尺寸的稳定性。
因此对于焊接温度场合应力场的定量分析、预测有重要意义。
传统的焊接温度场和应力测试依赖于设计人员的经验或基于统计基础的半经验公式，但此类方法带有明显的局限性，对于新工艺无法做到前瞻性的预测，从而导致实验成本急剧增加，因此针对焊接采用数值模拟的方式体现出了巨大优势。
ANSYS作为世界知名的通用结构分析软件，提供了完整的分析功能，完备的材料本构关系，为焊接仿真提供了技术保障。
文中以ANSYS为平台，阐述了焊接温度场仿真和热变形、应力仿真的基本理论和仿真流程，为企业设计人员提供了一定的参考。
2 焊接数值模拟理论基础焊接问题中的温度场和应力变形等最终可以归结为求解微分方程组，对于该类方程求解的方式通常为两大类：解析法和数值法。
由于只有在做了大量简化假设，并且问题较为简单的情况下，才可能用解析法得到方程解，因此对于焊接问题的模拟通常采用数值方法。
在焊接分析中，常用的数值方法包括：差分法、有限元法、数值积分法、蒙特卡洛法。
差分法：差分法通过把微分方程转换为差分方程来进行求解。
对于规则的几何特性和均匀的材料特性问题，编程简单，收敛性好。
但该方法往往仅局限于规则的差分网格（正方形、矩形、三角形等），同时差分法只考虑节点的作用，而不考虑节点间单元的贡献，常常用来进行焊接热传导、氢扩散等问题的研究。
钢结构焊接残余应力及焊接变形控制
钢结构焊接残余应力及焊接变形控制摘要：焊接技术是钢结构行业中应用非常广泛的一种技术，有独特优点的同时也存在着缺陷，焊接残余应力和焊接变形就是两种常见的问题。
在焊接过程中，随着焊件的变形，应力也会发生变化，并且焊接完成之后留下的变形并不是暂时的，而是残余的。
如果要对其进行矫正则需要耗费大量的人力和物力资源，优势还可能出现产品报废的情况。
本文从焊接参与应力及焊接变形的形成原因出发，阐述了两者造成的影响，并提出了相关的控制方法，希望能够给有关工作人员提供参考价值。
关键词：钢结构；焊接残余应力；焊接变形；控制方法随着我国改革开放进程的加快、经济的不断发展以及钢材产量的增加，我国钢结构建筑事业也得到了良好的发展时机。
钢结构建筑质量轻，强度高，力学性能和抗震性能比较优越，所以发展势头也非常快，应用范围也在不断扩大。
从目前情况来看，钢结构建筑的发展正处于一个最好的时期，但是和国外的一些发达国家相比，我国钢结构建筑的发展在许多方面还有一定差距，尤其是在施工过程中，先焊接残余应力和焊接变形等技术问题常常发生，处理这些问题对施工质量和施工进度有着很大的好处。
一、焊接残余应力和焊接变形的形成及种类焊件分为两种区域，在焊缝及其附近的区域成为高温区，焊缝两侧和边缘区域成为低温区，假设两种区域温度一致并且是分离的两个部分，在焊接加热过程中，高温区能够自由生长。
但是实际上，焊件是一个整体，高温区的伸长受低温区的影响，并受到压缩产生了应力，在压应力达到一定数值之后就会产生变形，同时低温区也会英文高温区的拉伸租用产生拉应力，导致焊件整体变长。
焊接冷却之后，如果高温区和低温区是分离的，那么其加热时产生的变形便能只有收缩，但是实际上焊件两边的低温区会对高温区的收缩有阻碍作用，与此同时高温区对低温区还有压缩作用，所以焊件的整体将会缩短。
如果按照焊件变形对焊件整体结构的影响程度进行分类，可以分为局部变形和整体变形两大类。
局部変形对焊件结构的使用性能影响比较小，并且很容易矫正；整体变形是引导整个焊件在形状、尺寸等方面发生变化的焊接残余变形。
焊接应力与变形
喷水冷却；紫铜散热板
如图示
返回本章首页
圆筒体对接焊缝焊接顺序 返 回
散热法示意图 返 回
不对称焊缝的焊接 先焊
后焊 返 回
长焊缝（1m以上）焊接 总体的焊接方向
２
分段退焊示意图
５
返 回
反变形法
焊接之前
焊接后 返 回
将焊件固定在刚性平台上。 薄板拼接时的刚性固定
将焊件组合成刚性更大或对称的结构 T形梁的刚性固定和反变形
工字梁的扭曲变形
返回本章首页
焊接残余应力基本知识
一、焊接残余应力的分类
1. 按产生应力的原因分 （1）热应力 （2）组织应力（相变应力） （3）凝缩应力应力 （4）拘束应力 （5）氢致应力
2. 按应力存在的时间分 （1）焊接瞬时应力 （2）焊接残余应力
二、焊接残余应力的分布
1. 纵向残余应力 x的分布
利用焊接夹具增加结构的刚性和拘束。 对接拼板时的刚性固定
利用临时支撑增加结构的拘束。
防护罩焊接时的临时支撑
返
回
控制残余应力的措施
1. 设计措施 1）尽量减少结构上焊缝的数量和焊缝尺寸。 2）避免焊缝过分集中，焊缝间应保持足够 的 距离。
3）采用刚性较小的接头形式。 减小接头的刚性措施
2.工艺措施
交叉焊缝的焊接 返 回
受力最大的焊缝应先焊 返 回
加热“减应区”法
黄色的区域代表焊缝
返
红色的区域代表加热区域
回
焊接残余变形的矫正
1）机械矫正法：平板机、千斤顶（5-300吨手动液压千 斤顶顶起的最大高度是160-180mm）
卷板机（最多可4辊）
如图示
2）火焰矫正法：将伸长的部分加热 500℃-800℃（褐 红色）然后自然或强冷
基于ANSYS的船舶复杂结构焊接变形预测研究
算 过程 是个 典型 的非线 性 过程， 阵方 程奇 异性 大 ，收敛 困难 ，须 要经 过多 次迭代 才 能达 到必 要 的收敛 矩
热弹 塑性 有 限元 法 ［。在 固有 应 变法 中，对 焊缝 施加 一 定 的 固有应 变 并进 行弹 性 有 限元计 算 ，这 样就 １ ］ 可得 到整个 结 构 的焊接 变形 。然 而 固有 应变 法 是一 种近 似 的预测 方 法 ，不 同条件 下 焊缝 的 固有应 变很 难 准确 获 得 ，并且 该方 法 无法考 虑 支撑 条件 、焊接 顺序 等 因素 的影 响 ，这 就 限制 了它在 实 际工程 中的
结构 形状 变异 ，尺寸精 度 下 降和承 载 能力 降低 。 由于 工作 荷载 作 用 引起 的附加 弯矩 和应 力 集 中现象 则 是焊接 结 构早期 失 效 的主 要 原 因，也 是造成 焊接 结构 疲 劳强度 降低 的原 因之 一 。 数 值模 拟为 焊接 变形 预 测提供 了有效 的工 具 。 目前 常 用 的焊接 变形 数值 模拟 方 法有 固有 应变 法和
控制提供 了可靠 的理论依据。
关 键 词 ：焊接变形；热弹 塑性有 限元；多道焊 中 图 分 类 号 Ｕ ７． ６１ ３ ８ 文献 标识 码 ：Ａ
０ 引 言
焊接 作为 一种 灵活 高效 的连接 方 式广泛 运用 于船 舶 制造业 。焊接 过程 复杂 ，涉 及 电弧物 理 、传 热 、 力学 等学 科 。焊接 过程 的加热 和冷 却 、材 料 的局 部非协 调 塑性 应 变 以及 焊 接残 余应 力 的作用 使 得工程 结构产 生各 种焊 接变 形 （ 如横 向、纵 向收缩 变形 ，角变 形 ，弯 曲变 形和 波 浪变 形 ） 。焊 接变 形使 得焊接
焊接温度场和应力场的数值模拟
本文由老高咯贡献pdf文档可能在WAP端浏览体验不佳。
建议您优先选择TXT，或下载源文件到本机查看。
沈阳工业大学硕士学位论文焊接温度场和应力场的数值模拟姓名：王长利申请学位级别：硕士专业：材料加工工程指导教师：董晓强 20050310沈阳工业大学硕士学位论文摘要焊接是一个涉及电弧物理、传热、冶金和力学的复杂过程。
焊接现象包括焊接时的电磁、传热过程、金属的熔化和凝固、冷却时的相变、焊接应力和变形等。
一旦能够实现对各种焊接现象的计算机模拟，我们就可以通过计算机系统来确定焊接各种结构和材料的最佳设计、最佳工艺方法和焊接参数。
本文在总结前人的工作基础上系统地论述了焊接过程的有限元分析理论，并结合数值计算的方法，对焊接过程产生的温度场、应力场进行了实时动态模拟研究，提出了基于ＡＮＳＹＳ软件为平台的焊接温度场和应力场的模拟分析方法，并针对平板堆焊问题进行了实例计算，而且计算结果与传统结果和理论值相吻合。
本文研究的主要内容包括：在计算过程中材料性能随温度变化而变化，属于材料非线性问题；选用高斯函数分布的热源模型，利用函数功能实现热源的移动。
建立了焊接瞬态温度分布数学模型，解决了焊接热源移动的数学模拟问题；通过改变单元属性的方法，解决材料的熔化、凝固问题；对焊缝金属的熔化和凝固进行了有效模拟，解决了进行热应力计算收敛困难或不收敛的问题；对焊接过程产生的应力进行了实时动态模拟，利用本文模拟分析方法，可以对焊接过程的热应力及残余应力进行预测。
本文建立了可行的三维焊接温度场、应力场的动态模拟分析方法，为优化焊接结构工艺和焊接规范参数，提供了理论依据和指导。
关键词：焊接，数值模拟，有限元，温度场，应力场沈阳工业大学硕士学位论文ＳｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆｗｅｌｄｉｎｇｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｆｉｅｌｄａｎｄｓｔｒｅｓｓｆｉｅｌｄＡｂｓｔｒａｃｔＷｅｌｄｉｎｇｉｓａｃｏｍｐｌｉｃａｔｅｄｐｈｙｓｉｃｏｃｈｅｍｉｃａ／ｐｒｏｃｅｓｓｗｌｆｉｅｈｉｎｖｏｌｖｅｓｉｎｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｓｍ，Ｍａｔｔｒａｎｓｆｅｒｒｉｎｇ，ｍｅｔａｌｍｅｌｔｉｎｇａｎｄｆｒｅｅｚｉｎｇ，ｐｈａｓｅ?ｃｈａｎｇｅｗｅｌｄｉｎｇＳＯｓｔｒｅｓｓａｎｄｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎａｎｄｏｎ，Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｇｅｔｈｉｇｈｑｕａｆｉｔｙｗｅｌｄｉｎｇｓｔｍｃｔｔｌｒｅ，ｔｈｅｓｅｆａｃｔｏｒｓｈａｖｅｔｏｂｅｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ．Ｉｆｃａｎｗｅｌｄｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓｂｅｓｉｍｕｌａｔｅｄｗｉｔｈｃｏｍｐｕｔｅｒ，ｔｈｅｂｅｓｔｄｅｓｉｇｎ，ｐｍｃｅｄｕｒｅｍｅｔｈｏｄａｎｄｏｐｔｉｍｕｍｗｅｌｄｉｎｇｐａｒａｍｅｔｅｒｃａｎｂｅｏｂｔａｉｎｅｄ．ＢａｓｅｄＯｉｌｓｕｍｍｉｎｇｕｐｏｔｈｅｒ’Ｓｅｘｐｅｒｉｅｎｃｅ，ｅｍｐｌｏｙｉｎｇｎｕｍｅｒｉｃａｌｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄ，ｔｈｉｓｐａｐｅｒｒｅｓｅａｒｃｈｅｒｓｙｓｔｅｍｉｃａｌｌｙｄｉｓｃｕｓｓｅｓｔｈｅｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔａｎａｌ删ｓｙｓｔｅｍｏｆｔｈｅｗｅｌｄｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓｂｙｒｅａｌｉｚｉｎｇｔｈｅ３Ｄｄｙｎａｍｉｃｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆｗｅｌｄｉｎｇｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｆｉｅｌｄａｎｄｓｔｒｅｓｓｆｉｅｌｄ，ｔｈｅｎｕｓｅｓｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈｒｅｓｕｌｔｔｏｓｉｍｕｌａｔｅｔｈｅｗｅｌｄｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓｏｆｂｏａｒｄｓｕｒｆａｃｉｎｇｂｙＦＥＭｓｏｆｔＡＮＳＹＳ．Ａｔｔｈｅｔｈｅｏｒｙｒｅｓｕｌｔ．ｓａｍｅｔｉｍｅ．ｔｈｅｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔａｃｃｏｒｄｓｗｉｔｈｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌａｎａｌｙｓｉｓｒｅｓｕｌｔａｎｄＴｈｅｍａｉｎｃｏｎｔｅｎｔｓｏｆｔｈｅｐａｐｅｒａｒｅａｓｆｏｌｌｏｗｉｎｇ：ｔｈｅｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｉｎｗｅｌｄｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓｉｓａｍａｔｅｒｉａｌｎｏｎｌｉｎｅａｒｐｒｏｃｅｄｕｒｅｔｈａｔｔｈｅｍａｔｅｒｉａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｃｈａｎｇｅｔｈｅｆｕｎｃｔｉｏｎｏｆＧａｕｓｓａｓｗｉｔｈｔｈｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ；ｃｈｏｏｓｅｈｅａｔｓｏｕｒｃｅｍｏｄｅｌ．ｕｓｅｔｈｅｆｕｎｃｔｉｏｎｃｏｍｍａｎｄｔｏａｐｐｌｙｌｏａｄｏｆｍｏｖｉｎｇｈｅａｔＳ０１２Ｉｅ－２．ＡｍａｔｈｅｍａｔｉｃｍｏｄｅｌｏｆｔｒａｎｓｉｅｎｔｔｈｅｒｍａｌｐｒｏｃｅｓｓｉｎｗｅｌｄｉｎｇｉｓｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄｔｏｓｉｍｕｌａｔｅｔｈｅｍｏｖｉｎｇｏｆｔｈｅｈｅａｔｓｏＢｒｃｅ．Ｔｈｅｅｆｆｅｃｔｓｏｆｍｅｓｈｓｉｚｅ，ｗｅｌｄｉｎｇｓｐｅｅｄ，ｗｅｌｄｉｎｇｃｕｒｒｅｎｔａｎｄｅｆｆｅｃｔｉｖｅｒａｄｉｕｓｅｌｅｃｔｒｉｃａｒｃｏｎｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｆｉｅｌｄａ比ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ．Ｔｈｅｐｒｏｂｌｅｍｏｆｔｈｅｆｕｓｉｏｎａｎｄｓｏｌｉｄｉｆｉｃａｔｉｏｎｏｆｍａｔｅｒｉａｌｈａｓｂｅｅｎｓｏｌｖｅｄｂｙｔｈｅｍｅｔｈｏｄｏｆｃｈａｎｇｉｎｇｔｈｅｅｌｅｍｅｎｔｍａｔｅｒｉａｌ．Ｔｈｅｐｒｏｂｌｅｍｏｆｔｈｅｃｏｎｖｅｒｇｅｎｃｅｄｉｆｆｉｃｕｌｔｙｏｒｔｈｅｕｎ—ｃｏｎｖｅｒｇｅｎｃｅｄｕｒｉｎｇｔｈｅｃａｌｃｕｌａｔｉｎｇｏｆｔｈｅｔｈｅｒｍａｌｓｌＴｅｓｓｉｓｓｏｌｖｅｄ；ｔｈｒｏｕｇｈｒｅａｌ－ｔｉｍｅｄｙｎａｍｉｃｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｓｔｒｅｓｓｐｒｏｄｕｃｅｄｉｎｗｅｌｄｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓ，ｔｈｅｔｈｅｒｍａｌｓｔｒｅｓｓａｎｄｒｅｓｉｄｕａｌＳｌｌ℃ＳＳｉｎｗｅｌｄｉｎｇｃａｎｂｅｐｒｅｄｉｃｔｅｄｂｙｕｓｉｎｇｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｖｅａｎａｌｙｓｉｓｍｅｔｈｏｄｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ．Ｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ，ａｆｅａｓｉｂｌｅｓｌＩｅｓｓｄｙｎ黜ｆｉｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｏｎ３Ｄｗｅｌｄｉｎｇｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｆｉｅｌｄ，ｏｎｆｉｅｌｄｈａｄｂｅｅｎｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ，ｗｈｉｃｈｐｒｏｖｉｄｅｓｔｈｅｏｒｙｆｏｕｎｄａｔｉｏｎａｎｄｉｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｏｐｔｉｍｉｚｉｎｇｔｈｅｗｅｌｄｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙａｎｄｐａｒａｍｅｔｅｒｓ．ＫＥＹＷＯＲＤ：Ｗｅｌｄｉｎｇ，ＮｕｍｅｒｉｃａｌＳｉｍｕｌａｔｉｏｎ，Ｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔ，Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｆｉｅｌｄ，Ｓｔｒｅｓｓｆｉｅｌｄ．２．独创性说明本人郑重声明：所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。
影响焊接应力和焊接变形的因素及控制措施
影响焊接应力和焊接变形的因素及控制措施摘要：本文主要探讨了电站管道焊接过程中常见的焊接变形和焊接应力产生的主要因素，以及焊接变形和焊接应力的控制措施，希望对以后的焊接工作有一些帮助。
关键词：焊接变形，焊接应力，热循环，焊接工艺，控制目前火力发电朝着大容量机组发展，来满足日益增长的用电需求和达到节能减排的重要目标。
而在火电建设事业中，焊接技术成了一个关键的课题。
在施工过程中，由于焊接产生的焊接变形和残余应力，严重影响着工程的质量、安装进度和使用性能。
增大了电厂运行的安全隐患。
因而，急需分析其产生的原因，并积极采用合理的方法予以控制。
焊接过程实际上是在焊件局部区域加热后又冷却凝固的热循环过程，由于不均匀的温度场，导致焊件不均匀的膨胀和收缩，从而使焊件内部产生焊接应力并引起焊接变形。
焊接应力与变形对接头的性能有着较大影响，使得焊件强度、韧性下降。
因此将对焊接变形产生原因及其影响因素进行分析，针对不同的焊接施工过程特点，采取不同的措施进行处理，以达到降低或消除焊接变形的目的。
1、影响焊接变形的因素及控制措施1.1焊缝截面积的影响焊缝截面积越大，冷却时收缩引起的塑性变形量越大，焊缝面积对纵向，横向的影响趋势是一致的，而且是主要的影响。
因此，在壁厚相同时，坡口尺寸越大，收缩变形越大。
1.2焊接热输入的影响一般情况下，热输入大时，加热的高温区范围大，冷却速度慢，使接头塑性变形区增大。
1.3焊接方法和焊接工艺参数的影响不同焊接方法引起的收缩量也不同。
当焊件的厚度相同时，单层焊的纵向收缩比多层焊收缩大，这是因为多层焊时，先焊焊道冷却后阻止了后焊焊道的收缩。
焊接工艺参数的影响主要为线能量。
一般规律是，随着线能量的增加，压缩塑性变形区扩大，因而收缩量增大。
1.4接头形式的影响在焊接热输入、焊缝截面积、焊接方法等因素条件相同时，不同的接头形式对纵向、横向变形量有不同的影响。
在电站管道焊接中，接头形式一般是对接接头并且是单面焊双面成型。
焊接质量控制中焊缝焊接变形的数值模拟分析
焊接质量控制中焊缝焊接变形的数值模拟分析焊接是金属结构连接中常用的一种方法，但焊接过程中产生的热量和应力往往会导致焊缝的变形，从而影响焊接质量。
因此，在焊接过程中进行焊接变形的数值模拟分析是非常重要的。
本文将使用数值模拟方法对焊接质量控制中焊缝焊接变形进行分析。
一、数值模拟方法的选择数值模拟方法是通过计算机对焊接过程进行仿真，可以提供焊接过程中的温度场分布和应力场分布，进而预测焊缝的变形情况。
在本文中，我们选择有限元方法进行数值模拟。
有限元方法是一种广泛应用的数值计算方法，通过将焊接过程划分为离散的有限元素，对每个元素进行计算得到温度场和应力场的分布。
二、建立焊接模型在进行数值模拟之前，需要建立一个逼真的焊接模型。
首先，根据具体的焊接工艺和焊接材料选择适当的焊接参数和材料参数。
其次，根据焊接结构的几何形状和尺寸，建立三维几何模型。
最后，根据焊接方式和边界条件，定义模型的边界和约束条件。
三、计算焊接过程中的温度场分布通过有限元分析软件，我们可以计算出焊接过程中的温度场分布。
在数值模拟中，可以根据焊接材料的热传导性质和焊接参数来计算瞬态温度场。
瞬态温度场计算完成后，可以得到焊接过程中的最高温度和温度分布情况。
四、计算焊接过程中的应力场分布在焊接过程中，热量的集中和膨胀冷却会导致焊接结构产生应力。
通过计算焊接过程中的瞬态应力场分布，可以得到焊接结构在焊接过程中的最大应力和应力分布情况。
在数值模拟中，可以考虑焊接结构的塑性行为和材料的非线性特性，从而得到准确的应力场分布。
五、预测焊缝的变形情况根据焊接过程中的温度场和应力场分布，可以预测焊缝的变形情况。
焊缝的变形通常表现为拉伸、收缩、扭曲等形式。
通过数值模拟，可以计算出焊缝的变形量和变形分布情况。
根据变形情况，可以判断焊接质量是否符合要求，并根据需要进行调整和改进。
六、优化焊接参数和结构设计通过数值模拟分析，我们可以得到焊接过程中的温度场、应力场和焊缝变形情况。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
焊接过程模拟与焊接变形、焊接Ansys应力有限元分析
焊接变形与焊接应力
焊接时，加热和冷却循环总会导致一定程度的变形，焊接变形对尺寸稳定性以及
结构力学性能都有很大的影响，控制焊接变形在焊接加工中是一个关键的任务。
在钢结构焊接中，焊接工艺会使构件温度场产生不均匀变化，从而在构件中产生
复杂的残余应力分布。残余应力是一种自相平衡的力系，当构件承受荷载时，如受拉、
受压等，荷载引起的应力将与截面残余应力相叠加，从而使构件某些部位提前达到屈
服强度，并发生塑性变形，故会严重降低构件的刚度和稳定性以及结构疲劳强度。
对构件进行焊接，在焊件上产生局部高温的不均匀温度场，焊接中心处温度可达
1600℃，高温区的钢材会发生较大程度的膨胀伸长，但受到相邻钢材的约束，从而在
焊件内引起较高的温度应力，并在焊接过程中，随时间和温度而不断变化，称其为焊
接应力。焊接应力较高的部位，甚至将达到钢材的屈服强度而发生塑性变形，因而钢
材冷却后将有残存于焊件内的应力，称为焊接残余应力。并且在冷却过程中，钢材由
于不能自由收缩，而受到拉伸，于是焊件中出现了一个与焊件加热方向大致相反的内
应力场。
Ansys有限元焊接分析
为通过对焊接过程的三维有限元模拟分析以及焊接后构件变形及残余应力分布分
析，为评估焊接对焊件的影响提供更加合理、有效、可靠的分析数据，并为焊接工艺
提供一定的指导，为采用的焊接过程提供一定的分析依据，采用大型有限元计算软件
Ansys作为分析工具对焊接过程与焊件的变形与残余应力进行了分析。
ANSYS有2种方式来考虑热分析与力学分析之间的耦合,即直接耦合和间接耦合。
间接耦合法的处理思路为先进行温度场的模拟,然后将求出的结点温度作为体载
荷施加在结构中,计算焊接残余应力与变形。即：
(1)使用热分析的手段进行热分析，根据需要可采用瞬态分析与稳态分析模型，此
处为瞬态分析。
(2)重新进入前处理中,将热分析单元转换为相应的结构分析单元，设置结构分析
中材料属性,如弹性模量、泊松比、热膨胀系数等。
(3)读入热分析的结点温度作为结构分析的荷载,设置参考温度,结构分析求解残
余应力。
而直接耦合法为采用Ansys提供的可以进行复合域（热-力学分析）分析的单元类
型，同时进行热分析与力学分析，从而获得焊接后的变形与残余应力。
以下分析过程分为厚板对接焊的焊接过程模拟与焊件的变形与残余应力分析、厚
板的全熔透T形接头焊缝的焊接过程模拟与焊件的变形与残余应力分析、箱型截面构
件的焊接变形与残余应力分析和K型节点的焊接变形与残余应力分析四个部分。
其中第一、二、三部分采用Ansys中的实体单元，以直接耦合法对焊接过程进行
模拟，并分析了焊接后的变形与残余应力，第四部分则采用壳单元以间接耦合法对焊
接变形与残余应力分析。
采用的计算参数说明如下。
钢材应力应变关系采用双线性随动强化非线性关系，不同温度下的应力应变曲线
如图所示，其中，
1）折点位置为屈服应力，常温下取为345*E6 N/m2；
2）曲线斜率为弹性模量E，常温下取为*E11 N/m2；
3）达到屈服点后的弹性模量取值较小以模拟钢材的塑性屈服。
钢材弹性模量采用随温度变化的非线性关系，如图所示。
未考虑以下参数随温度的变化，而将其取为常数：
热膨胀系数取为*10-5 m/m*K
热容量取为520 J/(kg·K))
热传导系数取为 W/(m·k))
泊松比为
密度为7850N/m3
为方便起见，焊药的热力学性质和力学性能取与钢材相同。
厚板对接焊的变形与残余应力分析
变形图:
残余应力分布图:
纵向残余应力:
横向残余应力:
全熔透T形接头焊的变形与残余应力分析
有限元网格划分图:
变形图:
残余应力分布图:
横向残余应力:
箱型截面构件的焊接变形与残余应力分析
有限元网格划分图:
变形图:
变形图(部分):
残余应力分布图:
残余应力分布图(部分):
K型节点的焊接变形与残余应力分析
有限元网格划分图:
变形图:
残余应力分布图:
厚板对接焊缝焊接过程模拟示意图
施工过程模拟中每次生成一个焊缝单元，模拟方法为按照次序生成单元，将新生
成单元所包含的节点的温度定为1500度（持续时间为），将此作为初始条件进行计算，
经5s（模拟焊接一个焊缝单元所需时间，此段时间内焊缝将根据给定条件传热给周围
单元降温）后生成下一单元。依次生成全部单元完成整个焊接过程的模拟。
全融透T形接头焊接过程模拟示意图
小节
经过以上对厚板对接焊的焊接过程模拟与焊件的变形与残余应力分析、厚板的全
熔透T形接头焊缝的焊接过程模拟与焊件的变形与残余应力分析、箱型截面构件的焊
接变形与残余应力分析和K型节点的焊接变形与残余应力分析，可以看出：
焊接过程模拟的有限元分析具有相当的精度，可以为实际施工过程提供参考以
优化施工工序和施工工艺。
采用有限元对焊件变形和残余应力的分析可以获得与实际情况比较符合的变
形和残余应力，以便事先采取相应措施加以解决。