焊接过程三维应力变形数值模拟研究进展

焊接非平衡加热、冷却过程导致产生焊接应力与变形，严重影响焊接过程及结构的服役行为，是焊接结构生产制造过程中必须解决的关键技术问题之一。作者对目前国内外焊接过程中焊接应力与变形的数值模拟研究及工程应用进行了分析。结合研究小组的研究工作，对大型复杂结构焊接过程中三维焊接应力变形数值模拟存在的困难、需要解决的主要技术问题进行了评述，并介绍了几个工程应用实例。     

热处理过程数值模拟综述

总结了热处理过程数值模拟的研究方法和成果，对模拟基本原理进行了扼要介绍，涉及温度场、组织场、应力场的计算。介绍了国内外发展概况和应用情况，并指出难点问题和发展方向。     

钛合金焊接应力应变的数值模拟

采用数值模拟方法研究在移动热源情况下钛合金焊接应力应变发展过程。研究结果表明:钛合金焊接应力应变发展模式与铝合金和不锈钢等材料不同。无论是在点状加热还是移动热源情况下,在残余状态,钛合金焊缝均处于卸载状态,并未达到拉伸屈服。熔池内的金属是在两侧有压缩塑性应变的框架下熔化的;冷却过程中,焊缝也是在已有的压缩塑性应变的框架下的拉伸,虽然焊缝承受扣伸塑性应变,但不足以完全抵消已产生的压缩塑性应变,残余状态仍为负的不协调应变。     

热处理强化铝合金焊接热-力过程数值模拟的改进

采用热加工历史不相关的屈服强度-温度单自变量材料模型进行热处理强化铝合金的焊接残余应力有限元分析，通常得到与材料屈服极限Rp0.2相当的纵向残余拉应力，这与实际测量结果明显不符。针对这一问题，通过分析热处理强化铝合金在焊接过程中经历的热循环、组织及性能变化特点，提出了包含固溶-软化和时效-硬化现象的热处理强化铝合金的热加工历史相关材料模型，建立了屈服强度与时间-空间-温度均相关的三自变量函数关系式。将该模型用于淬火-自然时效态2A12-T4铝合金TIG焊过程的有限元分析，得到53％Rp0.2的纵向残余应力，数值模拟的准确性具有实质性的改进。     

大型电机转子焊接残余应力的数值分析

利用轴对称模型研究了大型电机转子焊接残余应力分布规律 ,探讨了单层单道焊情况下两侧同时焊接、热套、预热等工艺以及三层四道焊情况下焊接顺序对焊接残余应力的影响。研究结果表明 ,磁轭圈与辐板焊接后在焊缝及其周围区域产生较大的三向残余拉应力 ;两侧同时焊接可大大降低径向残余应力 ;热套可降低三向残余拉应力 ,热套后直接焊与热套后先冷却后焊相比效果更佳 ;预热可以降低周向残余拉应力 ;多道焊时径向残余应力主要取决于最后一层 ,尤其是最后一道焊缝 ;两侧的最后一道焊缝同时焊接可显著降低径向残余应力 ,而前面的焊道同时焊接与否并不重要。研究结果为优化生产工艺 ,降低残余应力提供了理论依据     

球罐焊接残余应力数值模拟分析

利用有限元法动态模拟球罐环焊缝以及平板的焊接过程,分析了球罐焊接过程温度场的变化状况和焊接残余应力分布规律.结果表明,焊接热影响区范围很小,球罐环焊缝焊接残余应力是经向和径向坐标的函数,纬向焊接残余应力大于经向应力,两向应力的最大值均处在热影响区内,最大应力值超出了材料的屈服极限,是产生裂纹缺陷的原因之一等.用X射线衍射的方法测试了平板焊接接头的焊后残余应力,并将测试结果与有限元模拟计算结果比对,验证了模拟计算方法的可靠性和计算结果的正确性.     

焊接残余应力在热处理过程中的演变

利用有限元法,对Q345R钢焊后热处理进行模拟分析.结果表明,焊态残余应力在焊缝和热影响区具有较高的应力水平,远离焊缝热影响区,应力逐渐降低.热处理后,残余应力降低了近60%,最大值位于热影响区浅表区域.热处理不仅使应力降低,同时使得应力发生再分布,母材热处理后应力增加.热处理过程中,随着温度升高,屈服强度降低,材料发...     

焊接残余应力的简化数值模拟技术

本文应用有限元对三维点热源的平板焊接过程进行了数值模拟,并与相应的试验进行了对比,证实了预报技术的可靠性;同时针对三维模拟过程复杂、计算时间冗长、计算费用较高的缺点,给出了以线型热源代替点热源的简化数值方法。从而使三维问题转化为二维问题,大大节省了计算时间。     

焊接温度场和残余应力的数值模拟

在ANSYS环境下,建立可行的三维焊接温度场、应力的动态模拟分析方法,为复杂焊接结构进行三维焊接温度场、应力场的分析提供了参考,并使有限元分析技术在焊接力学分析以及工程中得到了很好的应用。     

管道焊接过程的温度场数值模拟

以20#钢钢管的对接接头为研究对象,应用ANSYS软件,对其焊接过程的温度场进行了数值模拟,获得了其焊缝区的瞬态温度场以及各点的焊接热循环曲线.结果表明,起焊位置处各节点经历了两次升温过程,其它位置处节点只经历了一次;距离焊缝中心等距离的节点所经历的热循环过程呈现相同的变化规律;距焊缝中心远近不同的点所经历的热循环各不相同,节点越接近热源,温度升高越剧烈,所能达到的最高温度越高.     

浅谈铸造过程应力的数值模拟

通过在生产中对铸造过程应力分析的重要作用,简单阐述了应力模型所需要的参数并进行了简单件应力的模拟分析,提出修改意见。     

升船机卷筒轮毂焊接残余应力数值模拟

焊接后钢材焊接残余应力的变化易导致其结构产生变形,为了提高升船机卷筒轮毂的焊接质量,文中对焊接残余应力展开数值模拟分析。在确定卷筒轮毂的物理参数和焊接工艺后,利用Ansys有限元软件构建卷筒轮毂有限元模型,确定模型的单元数量后划分网格。然后利用有限元软件计算轮毂温度场及焊接残余应力。数值模拟结果显示：升船机卷筒轮毂焊缝及热影响区的温度在861～1 561℃之间,该数值模拟结果接近实际测量结果;在x方向上,轮毂的焊接残余应力主要在焊缝与热影响区分布,峰值应力为491 MPa;在y方向上,焊接残余应力峰值为265 MPa,越靠近焊缝,焊接残余应力越大;焊接退热后,卷筒轮毂焊缝及热影响区的焊接残余应力上升,撤除约束会释放焊接残余应力,同时导致升船机卷筒轮毂产生少量变形,但不会导致升船机卷筒轮毂产生裂纹。     

P91管道焊接残余应力数值模拟

Cr-Mo耐热钢最常见的问题是发生于焊接接头热影响区的Ⅳ型裂纹引起的失效,焊接残余应力水平起着重要的作用。本文基于大型有限元软件ABAQUS,开发了一个顺次耦合的焊接应力计算程序,对P91钢焊接接头的残余应力场进行了模拟。研究结果表明:轴向和径向残余应力均呈拉应力状态;焊接残余应力最大值集中在靠近母材的热影响区附近,并且焊接残余应力集中部位与Ⅳ型裂纹的发生位置相一致。     

大型锻件热处理过程的数值模拟研究

在对大型锻件传热分析的基础上，建立了大型锻件的物理模型，对其温度场的变化规律进行了模拟计算，同时将模拟结果和试验结果进行对比分析，最后对26Cr2Ni4MoV钢电机转子的调质处理进行了模拟计算，从而说明了热处理过程的数值模拟方法的准确性和优越性，为进一步分析此类工件的组织转变和应力应变等奠定了基础。     

大型锻件热处理过程的数值模拟研究

在对大型锻件传热分析的基础上 ,建立了大型锻件的物理模型 ,对其温度场的变化规律进行了模拟计算 ,同时将模拟结果和实验结果进行对比分析 ,最后利用模拟计算对材料为 2 6Cr2Ni4MoV的某一电机转子的调质处理进行了模拟计算 ,从而说明了热处理过程的数值模拟方法的准确性和优越性。为进一步分析此类工件的组织转变和应力应变等奠定了基础。     

RPV夹带试验模拟体焊接残余应力数值模拟

RPV夹带试验模拟体主要用来检测核电站主容器在事故工况下的夹带情况,能够对核泄漏时的辐射范围和危害程度进行有效预测。但该设备属于非标类型,尺寸较大、结构特殊,焊接残余应力可能会导致过量的焊接变形,从而诱发裂纹,增加试验泄漏的风险。因此,文中以三维热弹塑性有限元计算理论为基础,运用Simufact-welding软件研究RPV夹带试验模拟体焊接残余应力和变形的分布规律,获得了任意时刻设备上的最大焊接残余应力和各点的变形量,为设备结构优化和焊接质量控制提供了重要的理论依据。     

铸钢应力框凝固过程三维应力数值模拟

用ＦＤＭ／ＦＥＭ集成应力分析系统对铸钢应力框的凝固过程热应力进行了三维数值模拟,得到应力框的定量的、动态的变形及其应力变化,并对照它们的凝固条件进行了分析,提出热裂倾向较大的部位。     

焊接残余应力下氢扩散的数值模拟

利用有限元软件ABAQUS,开发了一个焊接残余应力作用下氢扩散的耦合有限元计算程序,对湿硫化氢环境下16MnR钢液化石油气球罐焊接接头焊态残余应力诱导氢扩散的分布规律进行数值模拟,并与无应力状态下的氢扩散进行了比较,为掌握焊接接头氢致开裂的判据打下基础.结果表明,在焊接残余应力作用下,氢向高应力区富集,经过一段时间后,达到稳定.在热影响区附近,形成一个氢浓度低谷,两侧分别形成浓度梯度界面和应力梯度界面,能够诱导氢向高应力区长程扩散.     

基于SYSWELD复合管焊接残余应力的数值模拟

采用双椭球热源分布模型,基于SYSWELD软件平台,建立了双金属复合管对接焊接头的三维有限元分析模型,获得了焊接接头的瞬态应力以及残余应力分布特征,重点分析了复合管内壁、焊缝中心线以及熔合线上的应力随焊接过程的变化。结果表明:内壁很安全,可能产生开裂的地方仅限于焊缝处;焊缝中心线处第1层焊缝的等效残余应力较大,容易产生开裂;前3道焊缝熔合区线残余应力值很高,变化幅度很小,是焊接接头的薄弱环节。     

焊接残余应力数值模拟的研究与发展

分析了用有限元法计算焊接残余应力的基本理论，其中包括温度场和应力场的数值模拟，介绍了焊接残余应力数值模拟方法的近期研究成果，并探讨了焊接残余应力数值模拟技术的发展趋势。