论文总字数：28129字

摘 要

本文借助有限元分析软件ANSYS，对对接接头多层多道焊进行数值模拟，从简单二维模型，复杂二维模型到三维模型逐渐推进，设置了多个对照组，对有限元网格划分方式、模拟热源设置方式、研究角变形时施加的约束方式、如何得到准确的模拟结果等进行研究分析，提供优化焊接数值模拟结果的经验。

由本可以得出焊接有限元数值模拟时，网格划分方法与尺寸的参考；对X型坡口进行焊接模拟，得出了构件在模拟过程中角变形量的变化趋势，分析出各阶段趋势变化的原因；对三维焊接模拟I型坡口温度场和应力场进行分析，得出温度场在模拟环境中体现的规律，以及对这种规律映射到应力场之上进行解读；总结出一些模拟细节与方法可供参考。

关键词：多层多道焊；对接接头；数值模拟；三维焊接数值模拟模型

Abstract

In this paper, the finite element analysis software ANSYS is used to numerically simulate the multi-layer and multi-pass welding of butt joints. From simple 2D models, complex 2D models to 3D models, multiple control groups are set up, and the finite element meshing method ,simulation heat source setting method,the method of setting constraint applied when researching angular deformation, the way to obtain accurate simulation results, etc are included. Provide experience in optimizing welding numerical simulation results for research and analysis.

From this, we can get the reference of meshing method and size in the numerical simulation of welding finite element stimulation; the welding simulation of X-shaped groove is carried out, and the change trend of the angular deformation of the member during the simulation process is obtained, and the trend change at each stage is analyzed.The reason for the analysis of the temperature field and stress field of the I-shaped groove of the three-dimensional welding simulation, and the law of the temperature field in the simulated environment is obtained, and the mapping of this law onto the stress field is interpreted; some simulation details and methods are summarized for reference.

Key Words：multi-layer and multi-pass welding；Butt joint；numerical simulation；Three-dimensional welding numerical simulation model

目 录

第1章 绪论 1

1.1 研究背景 1

1.2 研究目的及意义 1

1.3 国内外研究现状 3

第2章 基本参数设定 5

2.1 参数设定的思路 5

2.2 研究材料的选择 6

2.3 模拟环境中实验组的焊接工艺参数^[22] 7

第3章 计算角变形的经验式 8

3.1 单道焊角变形的经验公式 8

3.2 多道焊角变形经验公式计算 8

第4章 多种焊接模拟热源的讨论 11

4.1 温度代替热源模型 11

4.2 高斯热源模型 12

4.3 体热源模型 13

4.3.1 半球状体热源模型 13

4.3.2 椭球体热源模型 14

第5章 有限元模型的建立过程及要点 16

5.1 模拟软件 16

5.2 模型的简化方法 16

5.3 生死单元技术和循环技术 16

5.4 直接法模拟分析 17

5.4.1 通过节点坐标直接划分网格的简单模型 17

5.4.2 通过数组排列激活单元的简单模型 20

5.5 三维移动热源模型 21

第6章 模拟结果分析 24

6.1 单元划分尺寸对模拟结果的影响 24

6.1.1 二维模型组 24

6.1.2 三维模型组 25

6.1.3 总结 26

6.2 焊接模拟的温度场分析 28

6.2.1 焊缝方向上的温度变化 28

6.2.2 焊接热循环曲线 30

6.2.3 改变单位时间内热传输量分析角变形 31

6.2.4 预热对焊接角变形的影响 32

6.2.5 焊缝分布和热源中心分布的对照 34

6.3 三维双椭球热源模型的模拟结果分析 37

第7章 结论与展望 44

7.1 结论 44

7.2 展望 44

参考文献 46

致谢 48

绪论

研究背景

跨入二十一世纪，我国综合国力和科技实力的飞速发展就像一列快车，这列快车高速向前行驶着从量变走向质变，犹如昔日行驶于平原大地，而如今就要冲过崇山峻岭、深海湖泊。面对各种环境条件下的工程需要，对于基础建设水平的要求不断提高，如何铺好新时代中国新发展形势的“高速铁路”，需要一位位21世纪的“詹天佑”挺身而出。

“武汉战疫”，火神山、雷神山医院均历经十余天建成，展现出的中国速度鼓舞人心。而快速建成两大医院的核心是：采用装配式建筑，合理增加标准件参与搭配的数量，施工采用集装箱式箱体活动板房进行模块化拼接，板房形成了标准单元。整体工程提高了标准化程度，进而极大地提升效率。早期，工业化的装配式建筑应用于快速搭建便桥，其主体是标准化的装配式钢结构，而后逐步发展为装配式钢结构和预制混凝土结构相结合的形式，可以更加灵活多样地设计装配出符合现代需要的建筑设施。

16年9月14日，国务院总理李克强主持召开国务院常务会议，部署加快推进“互联网 政务服务”，以深化政府自身改革更大程度利企便民；决定大力发展装配式建筑，推动产业结构调整升级。按照推进供给侧结构改革和新型城镇化发展的要求，大力发展钢结构、混凝土等装配式建筑，具有发展节能环保新产业、提高建筑安全水平、推动化解过剩产能等一举多得之效^[27]。

焊接，是通过加热、加压等方式使材料形成永久性接头的制造技术。相比于铆接，焊接接头不会产生较大的应力集中，且重量小、密封性好；相比于胶接，焊接接头一般更加耐久可靠，服役温度限制小；相比于机械连接，焊接使构件具有更好的一体性，节约了金属材料的用量。并且，焊接技术还具有适用范围广、生产效率高、生产成本低等优势，在工业生产领域，尤其是在钢结构的生产装配方面，有着不可代替的重要地位。

研究目的及意义

焊接方法多种多样，主要体现在焊接热源、焊缝保护措施和焊接材料的不同，面对各式各样的工况，将选择不同的焊接方法，如手工电弧焊、二氧化碳气体保护焊、压力焊等。需要焊接工程师设计合理的焊接工艺，同时考虑生产效率和经济效益。

在船舶、桥梁、锅炉、压力容器、航空航天等领域，多层多道焊接的方法被普遍应用，应对于厚板的焊接。板厚在20mm以上的板材为厚板和特厚板的范畴，往往是大型机构的组成部分。在大型机构的焊接生产中，常选择埋弧自动焊以兼顾生产效率和经济效益，对于埋弧自动焊无法施焊的其他空间位置，则采用二氧化碳气体保护焊等其他方法进行焊接。

在理想条件下，工程中往往希望焊缝能够一次性成型，这不仅提高了生产效率降低了人工成本，也使焊接结构不用考虑板厚方向上受热不均匀而产生角变形。这在面对厚板焊接是难以实现的，若厚板焊缝采用一次性成型，其焊缝金属的熔覆量将几倍于常规，将需要很大的热输入量。考虑到可行性、安全性、环境问题以及工作健康问题，焊接电流和电压一般都会被规定在一个合理的范围内以避免过大的热输入量；从焊接冶金学的角度上，母材和焊接材料是否烧损过多、产生固态相变、接头热影响区晶粒是否过于粗大、药皮是否可能因过热脱落失效等问题都将是需要考虑因素；从行业标准和生产效益的角度上，设定一定的行业标准有利于规模化生产、提高效益，这也意味着，常用的焊接设备和焊接材料的规格均是固定的。因此，厚板多层多道焊是工业生产中必要的焊接方法。

那么，将不可避免地要面对厚板多层多道焊产生的焊接角变形的问题。当我们在研究焊缝的纵向和横向收缩时，都会假设板厚方向上的温度分布是均匀的，这在薄板焊接系统中是成立的。但在厚板多层多道焊中，焊缝的先后焊接顺序，导致在板厚和宽度方向上产生较大的温差，焊缝及周围的金属组织受热膨胀，而这种变形趋势却受到远端低温金属的拘束，形成压缩变形，其中包括了弹性应变部分和塑性应变部分。其实每道焊缝在焊后都发生了不同程度的压缩塑性变形，以对接接头V形坡口的焊接为例，由于上层焊缝远宽于下层，热输入量更大，导致的压缩塑性变形量更大，这些变形程度上的差异在焊缝冷却后完全体现，形成向上凹即向施焊量大的方向弯曲的角变形。

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