摘 要

本文借助大型通用有限元分析软件ANSYS针对平板堆焊的残余应力大小及分布情况进行了模拟，采用的是间接耦合的方法，即先模拟出焊接温度场，再将温度场作为载荷施加到有限元模型上，从而得到应力场。并且设计了一组实验，采用盲孔法测量残余应力，将实验值与模拟结果进行对比，平板堆焊残余应力有限元分析结果与实际结果基本吻合。

研究结果表明：平板堆焊时，纵向残余应力沿板材横截面上的分布情况为中心区域为拉应力，两边为压应力；横向残余应力，当横向可以自由收缩时，焊缝的两端将产生压应力，而中心部分为拉应力；有限元分析的结果与实际结果存在一定的误差，是因为考虑的因素不够全面，比如没有考虑显微组织对残余应力的影响。

关键词：平板堆焊；残余应力；有限元分析；ANSYS；盲孔法

Abstract

In this paper, the finite element analysis software ANSYS is used to simulate the residual stress and distribution of plate surfacing. The indirect coupling method is used to simulate the welding temperature field, and then the temperature field is applied as a load to the finite element model, so as to get the stress field. And a set of experiments was designed. The residual stress was measured by blind hole method. The experimental results were compared with the simulation results. The results of finite element analysis of plate residual stress were in good agreement with the actual results.

The results show that the longitudinal residual stress is the tensile stress on the cross section of the plate, and the compressive stress on both sides is the transverse residual stress. When the transverse direction is free to shrink, the ends of the weld will produce compressive stress, while the central part of the tensile stress; finite element analysis results and the actual results there is a certain error, because the factors considered is not comprehensive, such as the microstructure of the residual stress is not considered the impact.

Key words：Plate welding；Residual stress；Finite element analysis；ANSYS；Blind hole method

目 录

目 录 1

第1章 绪论 1

1.1 课题研究背景 1

1.2 国内外研究现状 1

1.3 本文研究的主要内容 3

1.3.1 基本内容 3

1.3.2 研究目标 3

第2章 平板堆焊残余应力的有限元模拟 4

2.1 有限元分析方法简介 4

2.1.1 有限元法分析的步骤 4

2.1.2 ANSYS软件简介 4

2.1.3 APDL简介 5

2.2 平板堆焊有限元模型的建立 6

2.2.1 材料性能参数的确定 6

2.2.2 研究内容的确定 7

2.2.3 几何建模和网格划分 8

2.3 平板堆焊温度场的模拟 11

2.3.1 热源模型的确定 11

2.3.2 载荷加载和求解 12

2.3.3 温度场模拟的结果 16

2.4 平板堆焊应力场的模拟 18

2.4.1 转换单元类型 18

2.4.2 边界条件和施加载荷 18

2.4.3 应力场模拟的结果 19

2.5 本章小结 20

第3章 盲孔法测平板堆焊的残余应力 21

3.1 盲孔法测残余应力的基本原理 21

3.2 试验方案 23

3.3 试验结果与模拟结果的对比讨论 24

3.3.1 平板堆焊温度场的对比讨论 24

3.3.2 平板堆焊残余应力的对比讨论 25

3.4 本章小结 26

第4章 结论 27

参考文献 28

致谢 30

第1章 绪论

1.1 课题研究背景

在科学技术高速发展的今天，焊接的重要性不必多说，各行各业中基本都离不开焊接技术。为了工业生产以及国家经济的高速发展，焊接技术就需要不断地进步。随着工业的发展，在航空航天、汽车、船舶等工业中，焊接技术和焊接结构的发展方向已经有了很大的改变。在很多领域中，由于焊接构件的结构更加的精密、体积越来越大、要求的误差越来越小，所以技术人员需要对焊接过程有更深的了解。也就是说，技术人员不但要了解焊接过程中温度场和应力场的情况，还要掌握焊接完成后的残余应力的大小和分布情况，因为残余应力往往会对整个焊接结构的使用寿命产生很大的影响，并且焊接残余应力几乎是无法完全避免的。根据焊接残余应力的情况的不同，对焊接结构影响有利有弊，有时会增强构件抵抗应力腐蚀的能力；有时又会使构件的承受载荷的能力变小，比如在焊缝区域，往往存在的较高的残余拉应力就会引起构件的脆性断裂。因此，焊接残余应力可以说是一把双刃剑，学会如何使用这把双刃剑对于焊接技术人员来说是很重要的。掌握焊接残余应力的分布情况，对于改善焊接人员的工作环境，提高工作效率都有着深远的影响^[1]。

焊接时之所以焊件会产生应力甚至发生变形，是因为在焊接时构件受到焊接热源的热量是不均匀的，并且焊件具有一定的刚度导致焊件自身会产生一个约束，二者共同作用，引发了应力变形以及组织变形。在焊接完成后，没有恢复的应力和变形残留在焊接结构中，形成了焊接残余应力以及焊接变形。由此可知，影响焊接残余应力的因素非常多，焊接热源的情况、焊件受到的约束情况、焊前及焊后的热处理情况、焊接顺序以及焊接层数、甚至焊件的化学成分都会影响焊接残余应力的表现。因此，要想详细地掌握焊接残余应力的表现，通过理论计算以及实验分析无疑会消耗大量的时间和精力。为了解决这个问题，有限元分析方法起到了很大的作用，通过建立焊接有限元模型，建立材料的性能参数库，输入相关的焊接参数，可以模拟出焊接过程中的应力分布情况以及焊后的残余应力分布情况。随着计算机技术的高速发展，有限元分析的计算效率以及计算精度得到了很大的提升，通过前人发表的文献可以发现，有限元分析模拟已经可以比较准确的模拟出焊接温度场和应力场的情况，对于焊接方面的技术发展具有一定的指导意义。而且有限元分析方法省时省力，工作环境良好，可以大大改善技术人员的工作条件^[3]。

本文利用的软件ANSYS是一种大型通用的有限元分析软件，可以很好的模拟热结构耦合的问题，瞬态、非线性分析能力也比较强，因此ANSYS软件的应用非常广泛。本文主要是利用ANSYS的参数化程序语言APDL编程方法，实现焊接残余应力的有限元分析程序，模拟之后设计了一组实验，采用盲孔法测量了实际的残余应力大小，与有限元结果进行对比，发现有限元分析的结果与实际情况基本吻合。

1.2 国内外研究现状

近些年来，在焊接残余应力的有限元模拟方面，世界各国都取得了突飞猛进的结果，比如：焊接动态应力应变过程、焊接残余应力与变形、应力消除等。20世纪中期，日本学者熊先生首次以有限元思考为首，考虑到机械性能和温度相关性，提出了热弹塑性理论，这为以后分析焊接的应力应变过程打下基础。在1979年，E.F.Rybichi和R.B.tonesifer等使用有限元思想和方法建立分析模型，模拟管道系统环形对接焊缝的多通道焊接，分析残余应力的尺寸和分布^[4]。1986年，法国学者J.B.leblond提出了本构方程的一般形式，该项研究促进了SYSWELD专用软件的发展^[5]。20世纪90年代初，Y.Shim和E.Feng等学者开发了一个焊接模型，模拟了厚板上多道焊的焊接残余应力沿厚度方向上的分布。1988年，Tso-Liang Teng 等学者全面地研究了影响焊接残余应力的各项因素，他们用的数值模拟软件是ANSYS^[6]。21世纪初，美国的Z.Cao等学者讨论了在比较复杂的焊接结构中温度场的形成过程，为了减少热量的散失，他们还使用的辅助热源，他们分析焊接残余应力与变形时采用的有限元分析软件是ABAQUS。