中厚板焊接温度场及应力场数值计算.pdf

濯lG 如55 8 遂 ⑧天洋大謦硕士学位论文学科专业：材料加工工程 作者姓名：李凌指导教师：廉金瑞副教授天津大学研究生院摘‘要本文运用大型通用有限元分析软件A N S Y S 作为分析手段，以中厚板焊接的焊接温度场和焊接应力应变场为研究对象首先建立了平板对焊的几何模型，因为在中厚板的焊接过程中通常采用多层焊，本文根据多层焊的实际焊接过程，建立了三层焊几何模型并根据焊接的实际情况，划分了尺寸不一的网格使用高斯热源作为移动焊接热源建立了焊接温度场模型，其中考虑了材料高温性能对温度场的影响，得出了温度场的分布规律编制了适用于不同尺寸形状不同焊接工艺的对焊温度场分析的通用A P D L 命令流，简化了求解过程在理论研究的基础上，利用红外成像仪实测了接头的焊接热循环情况，与模拟计算结果进行对比，实验结果与模拟结果吻合较好说明了数值模拟技术可以经济有效地对焊接生产工艺进行理论指导在热弹塑性力学的基础上，通过热一力场耦合，建立了焊接应力应变场模型探讨了中厚钢板对焊的应力应变分布计算的方法，针对焊接应力分析过程的严重非线性特性，将“单元生死法”应用于有限元求解过程，考虑了高温下的材料力学性能同时也编制了循环命令流，简化了仿真计算操作的复杂性。

关键词：多层焊；有限元分析；A N S Y S ；温度场；应力场A b S t r a c tA n s y sw a su s e di nt h i sp a p e rt os i m u l a t et h et e m p e r a t u r ef i e l da n ds t r e s sf i e l do ft h et h i c k n e s ss t e e l ．G e o m e t r ym o d e lo ft h eb u t tj o i n tw a sf o u n d e da tt h eb e g i n n i n go ft h er e s e a r c h ．S i n c em u l t i ·l a y e rw e l d i n gw a su s u a l l yu s e d ，t h eg e o m e t r ym o d e lf o rt h r e e ·l a y e rw e l d i n gw a ss e l e c t e da c c o r d i n gt ot h ep r o c e s so fw e l d i n g ．D i f f e r e n tm e s h i n gp r i n c i p l e sw e r ep r o p o s e dt oe n s u r eh i g h e re f f i c i e n c yw i t hv a r i o u sa s p e c t sc o n c e r n e d ．U s i n gG u a s sh e a ts o u r c ea st h em o v i n gh e a ts o u r c eo fw e l d i n g ，t h et e m p e r a t u r ef i e l d ，w h i c hc o n s i d e r e dt h et e m p e r a t u r e ’Si n f l u e n c eo nt h e r m o p h y s i c a lp r o p e r t i e s ，i sf o u n d e d ，a n dt h ed i s t r i b u t i n gp r i n c i p l eo ft e m p e r a t u r ef i e l dw a sa t t a i n e d ．W i t ht h eA P D Lp a r a m e t r i cl a n g u a g e ，t h ep r o c e s so fs o l u t i o nw a sp r e d i g e s t e d ．f A l s ot h et e m p e r a t u r ef i e l dw a sm e a s u r e dw i t ht h eT h e r m a l C A M T M P 6 5 ．I tw a ss h o w nt h a tt h es i m u l a t i o nr e s u l t sw e r ei ng o o da c c o r d a n c ew i t ht h ep r a c t i c a le x p e r i m e n t ．T h e r e f o r e ，s i m u l a t i o nt e c h n o l o g yc o u l db eu s e di nt h ep r o d u c t i o na sg u i d a n c e ．O nt h eb a s i so ft h et h e r m a le l a s t i cd y n a m i c s ，w e l d i n gs t r u c t u r em o d e lw a sf o u n d e db yc o u p l i n gt h et e m p e r a t u r ef i e l da n dt h es t r u c t u r ef i e l d ．M o r e o v e r ，t h ep a p e rd i dr e s e a r c ho nt h es i m u l a t i o no ft h es t r e s sa n dd i s t o r t i o no ft h et h i c k n e s ss t e e l ．W i t ht h eb i r t h —d e a t he l e m e n tm e t h o d ，t h ep a p e rc o n s i d e r e dt h en o n l i n e a rp h e n o m e n aa n dt h eh i g ht e m p e r a t u r ed y n a m i c sc a p a b i l i t y ．A n dt h eA P D Lp a r a m e t r i cl a n g u a g eh e l p st op r e d i g e s tt h ep r o c e s so fs o l u t i o n ．K e yw o r d s ：m u l t i - l a y e rw e l d i n g ；f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ；A N S Y S ：t e m p e r a t u r ef i e l d ；s t r e s sf i e l d独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得鑫盗盘堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。

与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意学雠文储躲板签字吼‰‘年，月／／日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解鑫叠盘堂有关保留、使用学位论文的规定特授权鑫鲞盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘 保密的学位论文在解密后适用本授权说明)学位论文作者签名．喜乏签字日期：为、∥年，月名日新虢膨移签字日期：·矿一辟，月，6 日第一章绪论1 ．1 课题研究背景第一章绪论中厚钢板是焊接结构生产中不可缺少的重要材料，被广泛应用于国防、交通运输、能源和建筑等各种重要的国民经济部门，尤其是在水利，火电，造船等行业的大型焊接结构中得到了广泛的应用但是厚板焊接技术在国内还不太成熟，存在较多需要解决的问题常用的厚板焊接方法有电渣焊、多层多道焊( 焊条电弧焊、埋弧焊、窄间隙埋弧焊、T I G 焊、M I G 焊等) 以及电子束焊【1 】在工业生产中，厚板构件的电弧焊常以预制坡口，多层多道方式施行本课题是基于二滩水电站二期工程开展的二滩水电站位于中国四川省雅砻江干流下游河段上，是2 0 世纪建成的中国最大水电站，总装机容量达到3 3 0 万千瓦，2 4 0 米高的溢流式双曲拱坝为中国第一高坝，水库总库容5 8 亿m 3 ，由地下厂房、主变压器室、尾水调压室组成的地下洞室群为亚洲之最。

二滩水电站肩负着电力行业重要的使命，作为全国调频调峰主力，通过保持高水位和降低发电耗水量等措施，确保日正常发电量从2 0 0 4 年起开始在冬季枯水期前提前将蓄水位提高到最高极限1 2 0 0 米，以备枯水期多发电由于全国电力资源紧张，二滩水电站迫切需要扩建一组科技含量高，发电功率更大的发电机蜗壳是水轮机的关键部件，其焊接质量是保证水轮发电机组能否长期安全可靠运行的关键在焊接结构的生产中，焊接变形误差不仅影响结构的尺寸精度和外观，而且有可能降低结构的承载能力对于出现有害的焊接变形，往往需要耗费许多工时去矫正，而比较复杂的变形误差，矫正的工作量可能比焊接的工作量大蜗壳形状复杂、体积庞大，它的焊接属于中厚板焊接，多采用多层多道焊接技术，存在着焊接变形问题中厚板焊接温度场及其残余应力的研究，目前国内外还没有很成熟的成果问世，所得的研究结论还不能完全统一就目前的焊接水平而言，由于蜗壳的焊接工艺十分复杂，因此焊接质量控制较困难又因为蜗壳的造价昂贵，采用实验方法来制定合适的焊接工艺，控制焊接过程的应力应变，第一章绪论同样是很难实现的因此，采用计算机模拟仿真的方法来确定焊接工艺及控制焊接质量，这是一种简便、经济的方法。

1 ．2 国内外焊接温度场研究概况熔化焊接时，由于被焊金属在热源作用下将发生局部加热和熔化的过程，因此在被焊金属中必然存在着热量的传播和分布问题，通常称之为焊接热过程焊接热过程是影响焊接质量和生产率的主要因素之一焊接热过程的准确计算和测定，是焊接应力变形分析的前提虽然焊接传热问题十分复杂，但是由于它对焊接接头质量以及焊接应力应变具有重要影响，人们从未停止过对其本质的研究1 ．2 ．1 国外研究的历史及现状国外早在2 0 世纪3 0 年代就开始了对于焊接热过程的研究，D ．罗森塞尔分析了移动热源在固体中的热传导1 9 4 1 年D ．R o s e n t h a l和H ．H ．雷卡林等【2J 使用移动热源对焊接热循环进行分析，做了大量的工作，用解析法推导出了一整套计算公式这些研究把焊接热源简化为点、线、面三种形式的理想热源，并假设材料无论在任何温度下都是固体，不发生相变，其物理性能不随温度而变化，且焊件尺寸无限大因为假设条件与实际焊接传热情况差异巨大，以及用有限差分法来分析非线性问题受到当时计算条件的制约，所以计算结果与实际情况相差较大从2 0 世纪5 0 年代开始，有许多研究者试图对雷卡林公式进行修正和改进。

但由于不能从根本上避免这些解析式作为前提的不合理的假设条件，因此没有太大的进展2 0 世纪6 0 年代后，随着电子计算机应用技术的发展，为焊接热过程的数值分析提供了有力的工具1 9 6 6 年，W i l s o n 和N i e k e l l 将有限元方法用于热传导的分析计算中[ 3 1 1 9 7 5 年，P a l e y 利用有限差分法分析焊接时的非线性热传输过程，编制了可以分析非矩形截面以及常用的单层、双层U 、V 型坡口的焊接温度场计算程序1 4 ] 在热源处理时采用半经验方法，将熔化线内的单元都。