1. 研究目的与意义（文献综述）

焊接残余应力场是影响构件焊接质量和生产率的最重要因素之一。焊接残余应力对构件的安全运行有着很大的影响，以往常常通过试验研究获得其分布规律,然而焊接过程的瞬息万变使得获取准确的数据十分困难长期以来，人们在焊接残余应力场的计算与试验方面做了大量工作，积累了大量经验^[2,3,15,16]。随着计算机的飞速发展和大型有限元软件应用的日益成熟，采用科学的有限元数值模拟技术和少量的试验验证方法，实现对复杂焊接现象的模拟，获得焊接应力和变形的变化规律，能优化结构设计和工艺参数设计^[4]。

有关焊接有限元模拟技术，国内外研究较多，薛小龙等人用三维实体单元, 在考虑了材料物理性能随温度和相变的影响, 采用内部热生成的加载方法模拟焊接热源的移动 ,运用单元生死技术模拟多道焊过程^[5]。宗培等人从分段焊，多道焊，多段焊与多层焊的焊接顺序对简单t型接头焊接残余应力场的影响进行了研究^[6]。王立平等人指出分段焊接比直通焊可以形成相对均匀的加热过程，从而降低焊接残余应力，减少了残余变形^[10]。廖孟安等人在设计的非线性有限元软件从焊接顺序对简单t型接头焊接残余应力和变形的影响进行了研究，得到了不同焊接顺序下焊接残余应力和变形分布^[11]。

影响焊接接头的温度场和应力场模拟精度与焊接热源模型的选取、有限元模型精度及分析软件有关。在有限元模拟中，有多种热源模型可供选择，例如高斯热源、双椭球热源、均匀分布热源。双椭球分布热源模式为体热源，热流密度函数复杂，参数较多，可较好的反应焊接电弧的功率密度分布，热源参数的确定对热流密度分布有着决定性的影响，参数选取的合适与否是数值模拟成败的关键^[7,13,14]。仿真技术已成为早期预测产品设计、加工工艺性能、实际使用中可能产生问题的主要手段之一。焊接模拟软件比较多，如通用的ansys, abaqus、marc等软件，也有专用焊接模拟软件，如sysweld、simufact.welding等，sysweld已经成为焊接、热处理、焊接装配工艺模拟的先导。它综合考虑了材料性能，设计因素，工艺条件。能够揭示出包含在焊接、热处理、焊接装配中的复杂物理现象，从而降低产品成本和焊接结构的重量，能通过sysweld焊接模拟指出所有物理作用引起的构件变形和焊后残余应力，在产品设计最初阶段保证最大安全性，并控制加工工艺^[12]。本课题所选择的软件为sysweld。

2. 研究的基本内容与方案

2.1 基本内容

（1）建立T型接头的有限元模型及网格，用visual mesh软件建立T型接头的三维有限元模型及网格，材料为Q235低碳钢，底板的尺寸为长500mm，宽500mm，高9mm，加强筋板尺寸为长500mm，宽300mm，高9mm。焊缝的焊脚尺寸为6mm。在网格划分中，因在焊接过程中焊缝及其附近区域的温度场和应力场变化十分剧烈，所以在靠近焊缝边缘采用较密集的网格，取较小网格尺寸为1mm，在远离焊缝过程中采用较稀疏的网格，最大网格尺寸为20mm，最终以达到需要的精度要求。本课题模拟研究采用的是焊接效率为0.8的CO2气体保护焊。

图1 T型接头尺寸图

表1 Q235低碳钢化学成分（%）

表2 焊接工艺参数

（2）建立所加的热源模型，有限元分析中热源模型主要有高斯热源，双椭球热源和均匀热源模型，双椭球热源模型能更好的模拟焊缝熔合区的形状和温度场分布。所以本课题选用双椭球热源模型，在校核热源模型后，最后根据校核数据得出热源模型的具体参数。

（3）边界条件，初始温度为20℃，加载位移边界条件既要防止在计算过程中产生刚性位移，又不能阻碍焊接过程中的应力自由释放和自由变形，所以T型接头的约束条件如下图所示

图2 边界条件设定

2.2 研究目标

（1）T型接头不同的焊接顺序的温度场分析

（2）T型接头不同的焊接顺序对残余应力和变形的影响

（3）模拟结果与实验结果相对比，得出最后的有限元模拟实验结果

2.3 技术方案

（1）采用与实验一致的焊接顺序方案

图三 焊接顺序设计

（2）利用sysweld软件，导入有限元模型，先初步确定热源参数，进行热源校核，然后根据校核后的热源参数进行计算，并与实验结果对比。

（3）研究不同焊接顺序下温度场和应力场的变化情况，得出结论。

3. 研究计划与安排

第1－3周：查阅相关文献资料，完成英文翻译。明确研究内容，了解相应软件。确定技术方案，并完成开题报告。

第4－7周：按照设计方案，完成有限元模型建立和确定热源模型参数。

第8－11周：完成计算和模拟数据分析，得到与实验相一致的结果

4. 参考文献（12篇以上）

[1] deng d, liang w, murakawa h. determinationof welding deformation in fillet-welded joint by means of numerical simulationand comparison with experimental measurements[j]. journal of materialsprocessing technology, 2007, 183(2–3):219-225.

[2] almeida d f, rui f m, cardoso j b.numerical simulation of residual stresses induced by tig butt-welding of thinplates made of aisi 316l stainless steel[j]. procedia structural integrity,2017, 5:633-639.

[3] gannonl, liu y, pegg n, et al. effect of welding sequence on residual stress anddistortion in flat-bar stiffened plates[j]. marine structures, 2010,23(3):385-404.