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摘 要

Q345钢是一种低合金结构钢，它普遍被应用在建筑领域，车辆领域，船舶领域以及特种设备。本文使用ANSYS软件，选择高斯分布热源，建立了40mm厚Q345钢板焊接的有限元模型，对温度和应力场进行了研究分析。内容如下：

(1) 焊接熔池外围的等温线呈卵形。对于X型坡口，在焊接接头上最高温度约为1728℃；冷却到2000s时，焊缝中心区域约为114℃。对于U型坡口，在焊接接头上最高温度约为1892℃；冷却到2000s时，焊缝中心区域约为90℃，热源温度场较均匀，温度分布较为合理。

(2) 对于X型坡口，X方向最大拉应力为322MPa，最大压应力为-271MPa；Y方向最大拉应力为154MPa，最大压应力为-181MPa；Mises最大应力为301MPa。对于U型坡口，X方向最大拉应力为305MPa，最大压应力为-259MPa；Y方向最大拉应力为73.1MPa，最大压应力为-183MPa；Mises最大应力为305MPa。

(3) 对于X型坡口：路径1的x方向应力最大为195.9 MPa，最小为-29.3 MPa；y方向应力最大为31.01 MPa，最小为-41.67 MPa；Mises应力最大为189.9 MPa，最小为0.04 MPa。对于U型坡口：路径1的x方向应力最大为206.9 MPa， 最小为-10.07MPa；y方向应力最大为58.47 MPa，最小为-53.81MPa；Mises应力最大为210 MPa，最小为0.04 MPa。

关键词：Q345 ANSYS软件 有限元 数值模拟

Numerical Simulation of welding on Q345 thick plate

ABSTRACT

Q345 steel is a kind of steel with good heat resistance, antioxidant properties and high temperature creep properties, which was widely used in a variety of large-scale power plant boiler, reheater, superheater, high temperature steam pipeline under high temperature and high pressure equipment. Finite element model of Q345 steel plate welding was established by Gaussian heat source using ANSYS software in this paper, and the temperature and stress field were analyzed. The main contents and conclusions in this paper are as follows:

(1) The isotherms on the periphery of welding molten pool is oval. To plate X, in welded joints the maximum temperature is about 1728 ℃. The weld center region is about 114 ℃ after cooling to the 2000s. To plate U, in welded joints the maximum temperature is about 1892 ℃. The weld center region is about 90 ℃ after cooling to the 2000s.

(2) To plate X, the X direction tensile stress is 322MPa, the compressive stress is -271MPa; the Y direction tensile stress is 154MPa, the compressive stress is -181MPa; the stress of Mises is 301MPa. To plate U, the X direction tensile stress is 305MPa, the compressive stress is -259MPa; the tensile stress in the Y direction is 73.1MPa, the compressive stress is -183MPa; the stress of Mises is 305 MPa.

(3) To groove X, for path 1, the maximum stress in X direction is about 195.9MPa, the minimum is about -29.3MPa, and the maximum stress in Y direction is about 31MPa, the minimum is about -41MPa. The maximum Mises stress can be up to 189MPa, the minimum is 0.04MPa. To groove U, for path 1, the maximum stress in X direction is about 206MPa, the minimum is about -10MPa, and the maximum stress in Y direction is about 58MPa, the minimum is about -53MPa. The maximum Mises stress can be up to 210MPa, the minimum is 0.04MPa.

Keywords: Q345; ANSYS software; Finite element method; Numerical simulation

目 录

摘 要 I

ABSTRACT II

第一章 绪 论 1

1.1 背景 1

1.2 焊接应力场有限元模拟 1

1.2.1建立焊接应力场模型 1

1.2.2焊接模拟的网格划分 2

1.2.3模型的边界条件 2

1.2.4 焊接应力场的求解计算 2

1.3 研究内容与技术路线 2

第二章 Q345厚钢板的焊接有限元分析 3

2.1有限元的相关分析 3

2.1.1有限元法的相关建立 3

2.1.2焊接温度场的模拟 3

2.2焊接温度场理论 3

2.3焊接热源的相关模型 4

2.4 Q345钢的属性 5

2.5 牛顿拉普森的平衡迭代 5

2.6子步数以及时间步长 6

2.7耦合场的相关分析计算 6

2.8建立有限元模型及划分网格 7

2.8.1有限元模型的建立分析 7

2.8.2有限元的相关网格划分 8

2.8.3 焊接焊道与焊接顺序 9

2.9 生死单元技术的运用 10

2.10 温度边界的相关条件 11

2.11应力边界的相关条件 12

第三章 焊接数值模拟分析 14

3.1焊接温度场计算分析 14

3.1.1不同时刻的温度云图 14

3.1.2焊接温度的热循环 15

3.2焊接应力场计算分析 17

3.2.1不同时刻应力场云图 17

3.2.2路径应力分析 22

3.2.3 沿厚度分布 29

第四章 结论 32

参考文献 34

致 谢 36

第一章 绪 论

1.1 背景

对于焊接过程的研究已有数百年的时间^[1]，焊接学者通过一系列的手段概括出了一套较为健全的研究焊接残余应力分布的理论^[2]。

故本文针对Q345厚板焊接残余应力展开研究，通过模拟计算的方法，利用ANSYS10.0建立了Q345厚板焊接残余应力计算模型，对不同坡口、不同路径与厚度方向的残余应力大小与分布特点进行分析，为Q345厚钢板在工程中的运用提供了参考与依据，进一步减少了造价、减轻了焊接工件、促进了我们国家的工程水平^[3]。

1.2 焊接应力场有限元模拟

大型有限元分析软件 ANSYS为模型的建立和数值运算提供了极大的帮助。可以将它的建模与求解可以分解为三步。

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