厚板焊接过程温度场、应力场的三维有限元数值模拟

采用厚板试件对焊接过程的三维数值模拟进行了初步研究。在商用软件的基础上,开发了专业化接口,使网格自适应技术能够应用于焊接过程的数值模拟,并为大幅度缩短复杂结构焊接过程数值模拟的时间创造了条件。     

膜式壁管屏焊接温度场及应力场数值模拟

在膜式壁管屏焊接过程中,焊接应力和焊接变形在一定条件下会影响管屏的焊接质量和功能,因此对焊接变形的有效预测是管屏生产制造中必须考虑的问题。利用ANSYS软件的生死单元技术,对膜式壁管屏焊接过程进行数值模拟,分析管屏在温度场和应力场下的变化情况,其结果和实验结果相吻合,验证了数值模拟的可靠性。通过管屏焊接变形分析指导管屏焊机的设计,对焊机上下滚轮节距进行尺寸补偿,保证焊后管屏尺寸达到焊接技术条件,提高管屏焊接质量。     

基于"生死单元"技术的焊缝缺陷模拟

应用有限元方法，计算分析带几何缺陷焊接接头力学性能。通过杀死焊接接头有限元模型中相应位置的单元，模拟存在的几何缺陷。计算分析带有气孔或咬边缺陷的焊接接头应力分布特性和应力集中程度，验证了应用生死单元模拟几何缺陷的有效性。通过对建模方法的比较，表明生死单元技术能够灵活模拟缺陷。     

AZ31镁合金TIG氩弧焊接应力场的数值模拟

以开V形坡口镁合金薄板对接为例,利用ANSYS软件对其焊接过程进行了模拟分析。首先建立了一个三维有限元模型,并利用生死单元技术模拟实际的焊接过程,得到了焊接温度场及残余应力场的分布情况,并对结果进行了分析和讨论。同时,在相同工艺条件下完成了实际的焊接实验,并对焊接残余应力进行了测量。实测结果与计算结果比较吻合,这说明ANSYS的单元生死技术可以有效地模拟焊接过程,本方法对焊接模拟工作中各种关键问题的处理比较得当。     

焊接温度场与力学场模拟的研究进展

综述了国内外有关焊接温度场与力学场模拟的最新研究进展，主要内容包括焊接温度和力学场模拟的基础理论，关键模型及模拟方法，对焊接温度场，显微组织转变及焊接残余应力的耦合分析进行了讨论，介绍了几种典型的焊接模拟专用软件以及并行有限元分析技术。     

锤击消除焊接接头残余应力的数值模拟

建立锤击作用的有限元数学模型,利用该模型对白口铸铁焊补时锤击消除焊接残余应力进行实例分析。结果表明,在合适的焊接规范和工艺下,锤击不仅能有效地消除白口铸铁焊缝部位的应力,而且能促进热影响区拉伸残余应力的释放,甚至可以获得一定值的压应力。当在８４０－３６０℃温度区间进行锤击时,可以获得最佳效果。     

薄壁铝合金结构焊接应力变形数值模拟

实际结构焊接过程的三维数值模拟因为计算量大而往往难以进行。为了采用三维热弹塑性有限元方法对薄 壁铝合金结构的焊接过程进行数值模拟,提出了粘贴单元和混和单元两种网格划分技术相结合的单元划分方案进 行有限元建模,通过薄板对接模型试验验证了此方案的可行性,并研究了不同建模方案对计算效率的影响。将这 种单元划分方案应用到实际薄壁筒体结构焊接过程的数值模拟中,对焊接过程产生的残余应力和变形进行了成功 地预测。结果表明:对于薄壁构件,采用粘贴单元和混合单元相结合的单元划分方案可以在保证一定精度的前提 下,可大大减少有限元网格划分工作量,同时可降低计算规模,提高计算效率。     

双平板封头结构的焊接残余应力有限元模拟

双平板封头结构最常见的问题是面板与工艺接管焊接部位开裂引起泄漏,而焊接残余应力是重要的影响因素之一。基于ANSYS软件中的APDL语言、单元生死技术以及热-结构间接耦合法对双平板封头结构焊接温度场、应力场进行了数值模拟,获得了焊接残余应力的大小与分布规律。计算结果表明：在焊缝区环向应力水平较高,易诱使焊缝开裂失效;在焊缝附近区域产生了较大压应力,主要是由于焊缝区材料受热向外膨胀而产生。模拟结果为焊接残余应力评定、控制焊接残余应力提供了理论依据,并对提高双平板封头结构的可靠性和安全性具有重要意义。     

基于生死单元法的双辊铸轧过程热-力耦合数值模拟

以二辊160mm×150mm立式铝带实验铸轧机为对象,基于MSC.Marc商用有限元软件及其二次开发接口,引入纯铝固-液两相材料本构模型和界面压力热阻数学模型,建立了双辊铸轧过程热-力耦合非线性有限元模型。采用生死单元法模拟铝液的连续浇入,解决了辊套和铸轧区铝带材间的连续耦合传热问题。通过数值模拟,给出了铸轧速度、浇铸温度、熔池高度等因素对KISS点位置和辊面温度时间历程的影响规律,并对典型工况温度模拟结果进行了实验验证。     

工艺参数对筒体纵向焊接残余应力影响的模拟研究

针对某公司生产的首次应用到核电上的SA508—3钢,为了得到简体上各区域残余应力大小及分布规律,定量地分析工艺参数对残余应力的影响,有效地控制焊接质量,采用ANSYS有限元建立60mm厚简体三维模型,模拟纵向焊接过程残余应力的变化。结果表明：工艺参数变化只对焊缝内、外表面中心区域以及焊缝沿厚度方向上的纵向残余应力影响比较大,焊接速度和焊接电压对残余应力曲线上的锯齿型波动产生的影响比较明显;焊接速度对残余变形的变化幅度影响最大,焊接速度与另外两个参数对残余变形影响的趋势相反。     

还原炉挠性夹套的焊接残余应力有限元模拟

夹套是广泛运用在化工、医药等行业设备上的加热冷却装置,夹套焊缝是常常发生开裂泄漏的失效部位,焊接残余应力是导致开裂泄漏的重要因素之一。利用有限元技术对一种新型多晶硅还原炉挠性冷却夹套的焊接过程的温度场、残余应力和塑性应变场进行了数值模拟。借助ANSYS的APDL编程和单元生死技术,采用热-结构直接耦合法,传热分析采用含高斯热源的瞬态过程、应力分析为稳态,材料本构为随温度变化的双线性随动强化弹塑性模型。通过模拟获得焊缝区域残余应力和塑性应变的分布规律,为同类夹套的焊接强度评定提供了有效方法。     

反应堆压力容器内壁环形锻件焊接残余应力三维有限元数值模拟

某新型反应堆压力容器内壁设计了环形锻件与筒体内壁焊接的环形焊接结构。该种结构形式的焊缝首次在反应堆压力容器中出现,无成熟经验可以借鉴。为了了解该种复杂结构形式及大厚度焊缝的焊接残余应力幅值及分布规律,基于ANSYS有限元分析软件,建立了反应堆压力容器内壁环形锻件多层多道焊接三维有限元模型。在此基础上,以带状移动温度热源作为焊接热源模型计算出多层多道焊接的瞬态温度场结果,采用热-力间接耦合法,得到了焊接应力场计算结果。模拟结果表明,焊缝区域环向应力从上表面到下表面分布趋势为拉应力-压应力-拉应力,呈现自平衡的分布形式。根部焊道区域的环向应力为拉应力。焊缝上轴向应力最大为300 MPa左右;焊缝上下表面径向应力较大,达到400～500 MPa左右;峰值等效应力出现在焊缝根部区域,幅值最大约700 MPa。     

强化应力及预强化处理对平板焊接残余应力的影响

根据06Cr19Ni10奥氏体不锈钢材料的室温拉伸试验结果,采用ANSYS有限元软件对不同屈服强度下平板焊接过程及焊后强化过程进行了数值模拟分析。结果表明,焊后强化并不能完全消除焊接残余应力,但可以显著改善焊接残余应力的分布;对不同强化工艺下平板的焊接残余应力进行比较,指出对材料进行预强化处理更有利于改善焊接残余应力。模拟分析结果可为应变强化工艺参数筛选提供一定的参考。     

奥氏体不锈钢纵向焊接残余应力分布的有限元模拟

以LED集鱼灯基板与灯壳的搭接接头为例,建立了热力学耦合的三维有限元模型,运用SYSWELD焊接专业软件,对316L奥氏体不锈钢薄板焊接件在不同焊接条件下纵向残余应力分布进行有限元模拟与分析,研究了预热温度和焊接顺序对纵向残余应力分布的影响,并将模拟结果与实测结果进行了对比。结果表明:采用预热可以有效降低焊接件的纵向残余应力;随着预热温度的升高,纵向残余应力降低;焊接顺序对纵向残余应力的影响不大;模拟结果与实测结果比较吻合,验证了计算用模型的准确性。     

结构优化对风机叶轮焊接残余应力和稳态运行的影响

本文利用大型通用有限元软件ANSYS,分析了15Mn Ni Cr Mo V离心式压缩机叶轮在不同叶片结构下焊接残余应力和运行应力的变化。结果表明:未进行结构优化之前,叶轮在焊接后的残余应力和正常运行时所受到的运行应力均较大,但是叶轮在经过叶片切割6°、12°和25°的结构调整后,叶轮焊后残余应力均明显降低,叶轮整体的残余应力最大降低了46.4%,叶片残余应力最大降低了53.6%。但是,随着叶片切割角度的增大,叶轮的运行应力却逐渐增加,而且切割25°后的叶轮运行应力超过了材料的屈服强度。     

铝合金平板钨极氩弧焊数值模拟与残余应力预测

利用ABAQUS有限元软件对铝合金平板钨极氩弧焊(TIG)焊接过程进行了数值模拟.首先应用移动的椭圆高斯分布表面热源作为输入热源,对TIG焊过程中的焊件温度场及应力场进行了模拟计算.高度不均匀的焊接温度场,导致构件中产生较大的残余应力与变形.最后,对冷却后的平板残余应力进行了预测,并将有限元计算结果与残余应力的实测结果进行了对比,两者吻合很好.     

焊接残余应力的形成和对策

研究发现焊接残余应力对结构件的承载能力、加工精度、尺寸稳定性等有很大影响,因此消除残余应力势在必行。根据焊接残余应力的形成机制,提出了合理地降低及消除焊接残余应力的措施。降低和消除残余应力的方法可归结为两大类:一种就是通过热作用来消除,另一种是通过机械作用来消除。