焊接工艺过程对中厚板埋弧焊应力场影响的数值模拟.doc
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1、焊接工艺过程对中厚板埋弧焊应力场影响的数值模拟热加工工艺72006年第35卷第15期w eldingw elding焊接(4)焊接工艺过程对中厚板埋弧焊应力场影响的数值模拟李茹娟,李萌盛(合肥工业大学 材料科学与工程学院,安徽 合肥230009)摘 要:通过ANSYS有限元分析软件,采用热-应力直接耦合分析法对低碳钢中厚板埋弧焊焊接温度场与应力场进行了模拟分析,并比较了单面双层焊、正反双面依次焊和正反双面同时焊三种焊接工艺过程对接头焊接残余应力的影响。关键词:数值模拟;中厚板埋弧焊;焊接残余应力中图分类号:TG404 文献标识码:A 文章编号:1001-3814(2006)15-0073-03
2、NumericalSimulationonWeldingStressFieldDuringSAWforMediumPlateWithDifferentWeldingProcessingLIRu-juan,LIMeng-sheng(AcademyofMaterialScienceandEngineering,HefeiUniversityofTechnology,Hefei230009,China)Abstract:ThestressfieldandtemperaturefieldofSAWforthemediumplateoflowcarbonsteelweresimulatedusingdi
3、rectcoupled-fieldanalysisbyANSYSfinite-elementanalysissoftware.Theeffectsoftheprocessofthesinglesidedouble-passwelding,doublesidedouble-passweldingwhichwerefinishedatthesametimeandintheordinaltimeonweldingresidualstressofjointwereanalyzedandcompared.Keywords:numericalsimulation;SAWforthemediumplate;
4、weldingresidualstress在中厚板对接焊接过程中,常常通过改变焊接工艺过程来降低其焊接应力与变形,最常见的方法是采用双面焊代替单面焊,用单面多道焊来代替单面单道焊。这样做对于减少接头变形的效果是直观的,但对于是否降低接头应力缺乏依据与定量分析。为此,本文将通过数值模拟的方法,比较单面双层焊、正反双面依次施焊和正反双面同时施焊三种不同焊接工艺过程对中厚板埋弧焊焊接残余应力的影响。1 焊接过程分析的理论基础1.1三维非线性瞬态热传导问题的控制方程1!c;T;t=;x(k;T;x)+;y(k;T;y)+;z(k;T;z)+Q(1)式中:!为材料密度;k、c为材料的导热系数和比热容;Q
5、为热强度。1.2应力场的控制方程2力平衡方程为:#ij,j=0 (2)#ij,j为包括热应力的应力分量。$Tij,j=%ij,j(T-T0)&ij,j (3)式中:Tij,j为热应变张量;%ij,j为热膨胀系数;T0为参考温度;&ij,j为 &算子。应力应变间的本构方程为:d#ij=Dijkl(dkl-dPkl-dckl-dTkl) (4)式中:Dijkl为弹性本构张量系数;dkl、dPkl、dckl、dTkl分别为总应变、塑性应变、蠕变应变和热应变。2 三维有限元模型的建立2.1建立几何模型焊件为400mm200mm16mm的20钢,分别采用单面双层焊、正反双面依次焊
6、和正反双面同时焊三种焊接工艺条件施焊,其焊接工艺规范3见表1。考虑平板结构的对称性并为了减少计算量,只取对称的右侧焊件进行分析。2.2定义材料性能参数和选择单元类型在ANSYS前处理中建立计算用的材料库文收稿日期:2006-04-18作者简介:李茹娟(1978-),女,河南孟津人,硕士研究生;电话:0551-2924839;E-mail:lirj计算机应用73热加工工艺2006年第35卷第15期w e l d i n gw e l d i n g焊接(4)焊 接 方 法 坡 口 形 式电流/A电压/V焊速/mh-1双面埋弧焊两面依次施焊820/620 36 20两面同时施焊600/600 36
7、 29.5单面双层焊第一层手工电弧焊打底220 23 10.8第二层埋弧焊焊满830 38 21表1焊接工艺规范701633701633件,包括热学性能参数(密度、比热容、热焓、线膨胀系数和导热系数)和力学性能参数(弹性模量、切变模量和屈服压力)。在做温度场和应力场分析时,采用八节点六面体的耦合单元 SOLID5,它适用于稳、瞬态的热、结构、电等直接耦合分析。采用映射分网技术。为了在不影响精度的前提下提高运算速度,只在可能有应力集中的部位(焊缝及热影响区处)将网格加密,有限元模型网格如图1。2.3加载热源模型采用 Goldak研究并提出的双椭球形热源模型4,内热源的分布为:前半部分:q(x,y
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