环形构件激光束钎焊过程的有限元模拟

对铍环激光束钎焊过程的温度场和应力场进行了有限元模拟。分析采用轴对称模型和热力耦合的有限元方法，并假定沉积到钎缝表面的激光束能量满足Gauss分布。结果表明，焊接温度场分析得到的熔池大小与金相分析得到的焊缝几何尺寸比较一致；在离钎缝2．5mm以内的区域，焊接残余应力非常大，材料发生塑性屈服，环向应力大于轴向应力，从而使得铍环容易发生轴向开裂；远离钎缝区域，铍环内外表面同时发生向内的径向收缩，离钎缝1mm范围内，铍环外表面向外膨胀，内表面继续向内收缩；焊接残余应力主要分布在离钎缝15mm以内的区域。     

铍环激光束钎焊过程的数值模拟

采用MARC软件对铍环激光束钎焊过程的温度场和应力场进行有限元分析，温度场分析得到与铍环实际激光束钎焊基本一致的焊缝形状，应力场分析表明，焊接后轴向应力和环向应力在焊缝中心的钎料上为压应力，在铍玻外表面热影响区的内表面均为拉应力，径向应力为压应力，焊接残余应力主要分布在离焊缝2mm的范围内，焊接后铍环内外表面发生径向收缩，将有限元分析得以的铍坏外形面的轴向残余应力结果与实测结果进行了比较，二者所反映的应力变化趋势基本一致。     

Inconel 718镍基合金管道焊接残余应力的数值模拟

以Inconel 718镍基合金管道的对接接头为研究对象,建立了热-力学耦合的三维有限元模型,采用SYSWELD焊接模拟软件对其环焊缝在不同预热温度和焊接顺序下的残余应力进行数值模拟,分析了预热温度和焊接顺序对外表面轴向和环向残余应力分布的影响。并与实验结果进行对比,验证了模型的准确性。结果表明:管道外表面轴向残余应力在焊缝及近缝区表现为压应力,而远离焊缝中心的区域表现为拉应力;焊缝与近缝区环向残余应力为拉应力,随着距焊缝中心距离的增加,拉应力逐渐转化为压应力;随着预热温度的增加,管道外表面轴向和环向残余应力降低;焊接顺序的改变不能有效降低管道焊接残余应力。     

X80管线钢环焊缝接头残余应力的数值模拟

利用SYSWELD有限元分析软件,以热弹塑性理论为基础,采用双椭球焊接热源模型,对X80管线钢环焊缝接头的焊接温度场和应力场进行了模拟仿真.得到了焊接残余应力的分布规律,即焊缝及近缝区的残余应力值较大,远离焊缝中心残余应力值逐渐减小;由于表面和心部散热条件不同,造成了管道表面和心部的残余应力方向上的差异或数值大小的不同.研究了焊接工艺参数对残余应力的影响规律.结果表明,随着热输入的增大和预热温度的提高残余应力值逐渐降低;为了减小焊接残余应力,应尽量采用较大热输入和较高预热温度进行焊接.     

数值计算模拟工艺参数对管道环焊缝残余应力的影响

以热——弹塑性理论为基础,建立了厚壁管环焊缝残余应力的二维轴对称有限元模型,利用ANSYS有限元程序分析了三种焊接工艺参数对管道环焊缝残余应力的影响,计算中考虑了材料热物理性能参数和力学性能参数的温度相关性.结果表明,管道内表面焊缝和近缝区的轴向和环向残余应力均为拉应力,而管道外表面焊缝和近缝区的轴向残余应力和环向残余应力均为压应力;接头内表面应力水平高于外表面;残余应力的最大值均位于距管道外表面一定距离处,其数值接近于材料的屈服应力;随着焊接热输入的增加,残余应力峰值变化不大,塑性变形区宽度增加.     

不锈钢芯板钎焊残余应力的有限元分析

利用有限元软件ABAQUS,采用热弹塑性有限元分析法对不锈钢芯板钎焊残余应力的大小及分布规律进行研究,并分析了各应力分量对钎焊接头区域的影响,最后探讨了钎料厚度、芯管厚度等8种因素对钎焊残余应力的影响。结果显示,不锈钢芯板中的钎焊残余应力主要集中分布在钎焊接头区域,在钎缝处有着较大的应力梯度。在钎缝处的纵向残余拉应力数值较大,是影响钎焊接头可靠性的主要因素。钎料厚度、搭接宽度及钎料种类对钎焊残余应力的影响较大,芯管厚度、面板厚度、芯管直径、芯管间距和钎焊温度对钎焊残余应力的影响很小。     

低碳钢管道焊接残余应力有限元分析

利用ＡＤＩＮＡ非线性分析有限元程序,对低碳钢管道环焊缝接头焊接残余应力进行有限元分析。在热弹塑性分析中考虑了材料热物理和力学性能依赖于温度变化。结果表明：在管道接头内表面焊缝中心及近缝区轴向和环向残余应力均为拉应力,随离开焊缝距离的增加,逐渐过渡为压应力。在管道接头外表面焊缝中心处的轴向残余力为压应力,而环向残余应力为拉应力。计算预测值和实侧值基本一致,表明有限元法能够经济而有效地预测管道环焊缝接头的焊接残余应力。     

16MnR斜Y型坡口焊接裂纹试验残余应力数值模拟

利用ANSYS有限元分析软件对16MnR钢斜Y形坡口焊接裂纹试验的焊接温度场和应力场进行数值模拟,得到了焊接残余应力的分布规律.由于焊缝表面、中部和根部散热条件不同,造成了焊缝表面、中部和根部残余应力分布的差异.即在三维残余应力场中,纵向残余应力较大,且横向残余应力峰值出现在“直坡口侧”焊缝根部的热影响区.研究了预热温度对横向残余应力的影响规律.结果表明,随着预热温度的提高横向残余应力峰值和应力梯度降低,从而有助于减小冷裂纹倾向.     

焊前预热对康复器械用铝合金焊接残余应力的影响

运用Abaqus有限元软件对康复器械用6061-T6薄板的MIG对接焊进行模拟,通过盲孔法测量实际焊接试样残余应力。研究了不同预热焊接工艺对铝合金焊接残余应力的影响。室温下的实验结果与模拟结果吻合良好,验证了计算模型的正确性。模拟结果表明,焊前预热能够明显减小焊缝附近的纵向残余应力,对横向残余应力影响较小;预热温度越高,残余应力消除效果越好;预热后采用降低热输入的焊接工艺的消除残余应力效果要好于预热后增加焊接速度的焊接工艺。     

双相不锈钢管道全位置焊接残余应力三维有限元数值模拟

以热弹塑理论为基础，利用ANSYS非线性分析有限元程序，对双相不锈钢管道接头环焊缝残余应力进行三维数值模拟。建立了管道全位置焊接瞬态温度场和应力场三维移动热源模型，获得了环焊缝焊接接头轴向和环向残余应力的分布规律：在管道接头内表面的焊缝及近缝区的轴向和环向残余应力均为拉应力，随着离开焊缝距离的增加，由拉应力逐渐过渡为压应力。在管道接头外表面焊缝中心处的轴向残余应力为压应力，而环向残余应力为拉应力。从环向位置上的应力变化规律可以看出正半周和负半周的应力分布具有明显的对称性。研究结果为优化生产工艺，控制残余应力提供了理论依据。     

9%Ni钢斜Y形坡口裂纹试验的数值模拟

利用 SYSWELD 有限元计算软件,采用双椭球焊接热源模型,对 9%Ni 钢斜 Y 形坡口裂纹试验中不同预热温度下的试件进行了焊接温度场和应力场的数值模拟.研究了试件的焊接温度场和应力场的分布规律,分析了预热温度对焊接热过程和焊后残余应力的影响.结果表明,提高预热温度时,一方面焊后冷却速度降低,有利于氢的逸出和马氏体的自回火作用;另一方面,横向残余应力水平增加,试件总体应力水平增加,冷裂纹敏感性增加.因此,焊接 9%Ni 钢时,不宜采用过高的预热温度.

Abstract：

With SYSWELD software, the temperature and stress field of 9% Ni steel Y-slit weldments with different preheat temperatures were simulated by applying double-ellipsoid heat source. Distribution laws of welding temperature and stress field were studied. Effects of preheat temperature on welding heat cycles and residual stress were analyzed. Results show that with increasing preheat temperature, cooling rate decreases facilitates escaping of hydrogen and self-tempering of martensite, the average stress level and cold-cracking susceptibility of the weldments increase, so high preheat temperature shall be avoided for 9% Ni steel welding.     

冰粒型固结磨具抛光锗片的温度场仿真与实验研究

利用ABAQUS软件建立有限元分析模型,获得了冰粒型固结磨具在不同抛光时刻的温度场等温图及融化厚度值,并通过实验验证了有限元模型的结果。结果表明:摩擦生热并非是导致冰盘升温的主要原因,周围的空气对流换热对于温度场的影响较大,磨具温升速率为先快后慢;冰盘圆环带呈现中间温度高于两侧,外侧高于内侧的分布规律;摩擦生热效应随着抛光时间的增加逐渐显现;当抛光时间大于1366 s,环境温度略高于0℃,气缸压力为20 N,转速为200 r/min时,冰粒型固结磨具具有好的自锐性和长的使用寿命。      

连接温度对TiC陶瓷/铸铁钎缝处剪应力的影响

采用有限元数值模拟方法研究了冷却过程中用Ni基钎料对TiC陶瓷／铸铁进行钎焊连接钎缝处剪应力的分布情况及连接温度对钎缝处最大剪应力的影响。结果表明，在冷却过程中，剪应力均主要集中在TiC陶瓷／铸铁的钎缝端点上；连接温度越高，钎缝处的最大剪应力越大，连接接头的强度越低。     

基于工作温度8Cr4Mo4V钢制轴承外套圈尺寸及应力变化特征分析

测定了8Cr4Mo4V钢制直壁圆筒形轴承外套圈在不同工作温度下内外径尺寸及表面残余应力的变化特征,分析了引起轴承外套圈尺寸变化和表面残余应力变化的因素,并对轴承外套圈进行了微观组织观察。结果表明,在不同工作温度下,保温300 h后轴承外套圈的尺寸均增加1~2 μm,轴承外套圈外径的尺寸变化量大于内径尺寸变化量;工作温度下残留奥氏体转变为马氏体,马氏体深度回火,均会使轴承外套圈内径表面残余压应力增加。工作温度为150 ℃时,内、外径表面残余压应力绝对值增加幅度最大,随着工作温度的提高,表面残余压应力绝对值增加幅度降低。轴承外套圈内外径表面残余压应力的增大是由于轴承钢中残留奥氏体转变为马氏体,发生体积膨胀引起的。马氏体发生深度回火导致体积收缩,外套圈内外径收缩尺寸量不同将引起内外径表面的残余压应力值变化不同,尺寸收缩将导致内径残余压应力增大,而外径残余压应力减小。     

热处理对铜铝低温钎焊的影响

研究了热处理温度和保温时间对低温钎焊Al/Sn-Bi/Cu接头强度的影响,采用光学显微镜和扫描电镜对接头界面显微组织和断口表面形貌进行了分析。结果表明,随着热处理温度的增加,焊接件的剪切强度表现出增加的趋势。随着热处理时间的增加,Al/Sn-Bi/Cu接头的剪切强度呈现出先增大后减小的趋势。钎焊时铜铝元素进入到钎焊层当中,主要以Cu-Al固溶体的形式存在,并随着热处理时间延长而聚集。热处理使钎缝内粗大的脆性Sn-Bi共晶组织变得细小且覆盖面积减小,从而增加接头强度,Cu-Al固溶体聚集和生长会降低接头强度。     

复杂薄壁壳体淬火过程的数值模拟

采用ANSYS有限元软件对复杂薄壁壳体淬火过程温度场和应力场进行了数值计算,将通过有限元法计算的工件外表面畸变量与实测值进行了对比.结果表明,复杂薄壁壳体在淬火过程中,沿工件厚度方向温度分布不均匀,吊具底板对温度场有明显影响;工件淬火后残余应力和应变主要分布在球冠形罩子附近以及两个球冠形罩子之间的过渡段;有限元法计算的工件外表面畸变量与实测值基本吻合,从而验证了有限元模型.研究结果有助于复杂薄壁壳体淬火工艺制订及淬火应力和畸变规律的认识.     

Numerical Analysis of Residual Stress for Copper Base Brazed Stainless Steel Plate-Fin Structure

Copper base stainless steel plate-fin structure has been widely used as a heat exchanger in many fields. The nonlinear thermal reaction on the residual stress in brazing process of the plate-fin structure was studied in this paper. A finite element model (FEM) was proposed to simulate the heat transfer and the sequential residual stress generated in the plate-fin and filler metals based on thermal elastic-plastic theory. By the stress distribution in four paths marked in the structure obtained from FEM results, it is found that the maximum residual tensile stress occurs in the brazed joint next to the plate side and a crack would initiate in this region. Also, the first principle stresses of reference nodes were calculated and the conclusion is consistent with the simulation results. These results would provide some constructive instructions in the practical brazing procedure.     

Reduction of thermally induced stress in a solid disk heated with radially periodic expanding and contracting ring heat flux

The purpose of this study is to reduce the thermally induced stress in a solid disk heated by moving ring heat flux (radially periodic expanding and contracting) and cooled by means of coolant following this heat flux (the subsequent cooling process). It was assumed that the ring heat flux per unit area at the each ring surface was uniform. The applied heat transfer rate, Q, regularly increases from 3.14 to 311 W and then decreases to 3.14 W in one period depending on the area of heated ring. The FLUENT 6.1 program was chosen as computer code to calculate these numerical solutions. Furthermore, a computer program, applying the SIMPSON integration method to the obtained temperature distributions from the heat transfer calculations, has been developed to calculate numerically the governing thermal stress distributions. The calculations were performed individually for a wide range of coolant (liquid) heat transfer coefficient, from 1000 to 10,000 W/m² K stepped by 1000 W/m² K and for the various ring heat flux expansion and contraction speeds, from 0.0005 to 0.001 m/s stepped by 0.0001 m/s, under transient conditions. The thermal stress differences in the axial direction are quite high around the heated ring and the coolant rings with respect to the other rings due to the non-uniform heating at the surface. However, the levels of the thermal stress in the disk are reduced (from 6 to 31% depending on coolant heat transfer coefficient), by means of the subsequent cooling process.