毕业设计（论文）-Al-Mg-Si系铝合金MIG焊_温度场及应力场数值模拟.doc

西 南 交 通 大 学本科毕业设计（论文）Al-Mg-Si系铝合金MIG焊温度场及应力场数值模拟年 级:2007级学 号:姓 名:专 业:材料成型及控制工程指导老师:2011年06月 西南交通大学本科毕业设计(论文) 第IV页院 系 材料科学与工程学院 专 业 材料成型及控制工程 年 级 2007级 姓 名 许文 题 目 Al-Mg-Si系铝合金MIG焊温度场及应力场数值模拟 指导教师评 语 指导教师 (签章)评 阅 人评 语 评 阅 人 (签章)成 绩 答辩委员会主任 (签章) 年 月 日毕 业 论 文 任 务 书班 级：07成型01班 学生姓名： 学 号： 20075302 发题日期：2011年3月1日 完成日期：2011年6月8日 题 目： Al-Mg-Si系铝合金MIG焊温度场及应力场数值模拟 1、 本论文的目的、意义 本文通过焊接试验得到的数据验证大型有限元分析软件Sysworld模拟焊接温度场和应力场的结果准确性和可行性，再模拟不同长度焊件的温度场和应力场，分析其变化规律，为简化高速列车铝合金的有限元数值模拟分析提供理论基础和实验依据，然后模拟高速列车侧墙局部的温度场和应力场，分析温度场和线能量对应力场的影响，为研究整个车体的三维温度场和应力场提供了理论依据和指导，促进了限元数值模拟在焊接力学分析以及工程中的应用。2、 学生应完成的任务 查阅资料、收集整理资料，明确本论文研究的内容和意义； 熟悉Sysworld软件中的SYSWELD模块，还有相关建模软件和网格划分软件 Visual-Mesh； 结合实验，验证SYSWELD数值模拟铝合金MIG焊的温度场和应力场得准确性； 数值模拟不同长度焊件的温度场和应力场并分析其变化规律； 模拟铝合金高速列车侧墙局部的温度场和应力场，分析残余应力对结构的影响； 外文资料的阅读及翻译。 3、 论文各部分内容及时间分配（共 16 周）第一部分： 查阅资料、收集整理资料 （2周）第二部分： 外文资料的阅读及翻译 （2周）第三部分： 熟悉Sysworld软件中的Sysweld模块，还有相关建模软件和 网格划分软件 Visual-Mesh （4周）第四部分： 实验测得实际焊接的典型点的热循环曲线和焊接之后的典型 截面的残余应力 （2周）第五部分： 数值模拟不同长度焊件的温度场和应力场 （1周）第六部分： 模拟铝合金高速列车侧墙局部的温度场和应力场 （2周）第七部分： 撰写毕业论文 （2周）论文评阅及答辩： （1周）备 注参考文献至少30篇以上，其中英文参考文献不得少于5篇。要求格式如下： (1)专著M、论文集C、学位论文D、报告R 序号 主要责任者.文献题名文献类型标识.出版地:出版者,出版年.起止页码(任选). (2)期刊文章 序号 主要责任者.文献题名J.刊名,年,卷(期):起止页码. (3)报纸文章 序号 主要责任者.文献题名N.报纸名,出版日期(版次). (4)国际、国家标准 序号 标准编号,标准名称S. (5)电子文献 序号 主要责任者.电子文献题名电子文献及载体类型标识(数据库DB，计算机程序CP，电子公告EB).电子文献的出处或可获得地址,发表或更新日期/引用日期(任选). 指导教师： 年 月 日审 批 人： 年 月 日 西南交通大学本科毕业设计(论文) 第52页摘 要摘要：随着中国高速铁路快速发展，铝合金具备的良好塑性，易成型，轻量化，耐腐蚀等优点使得铝合金在高速列车制造中的使用越来越多，焊接技术作为一种很重要的成型技术广泛地运用于铝合金高速列车的制造中。焊接过程是涉及电弧产生，复杂传热，金属相变，焊接变形和焊接应力等复杂现象的一个过程，焊接时的高密度的瞬时热输入，局部加热，热源的相对运动，使得所焊工件受热不均匀，产生很大的应力和变形，对工件的结构和性能产生不好的影响，所以分析焊接过程中的复杂温度场和应力场对分析焊接结构质量有决定性意义，随着计算机的快速发展和相关商业软件的开发，有限元数值模拟成为研究焊接技术的重要手段。本文以大型商业软件SYSWELD为平台，结合铝合金实际焊接方法和工艺，模拟实际焊接情况的温度场和应力场，和实验方法测量得到的温度值和应力值对比，验证了有限元模拟软件SYSWELD在模拟温度场和应力场时的可靠性和准确性。验证软件的可靠性之后，分别模拟长度为100mm，200mm，400mm，800mm而其他条件不变化的焊件的温度场和应力场，发现只要焊件达到一定长度，焊件的温度场和应力场就会在中间位置出现稳定状态，长度越长，中间稳定状态越长，所以模拟适当长度焊件得到的温度场和应力场和模拟很长焊件的温度场和应力场是一样的。这为简化高速列车铝合金侧墙的建模和温度场与应力场的分析提供了理论依据。以上面模拟实验作为理论依据，可以缩短侧墙模型的长度，大幅减少计算量而不影响软件模拟的结果。模拟时，分同时焊接两条焊缝，焊完一条后马上焊接第二条，焊完一条冷却一段时间后再焊第二条这三种情况进行计算，得到温度场和应力场，分析得到两条焊缝同时焊接得到的温度和应力相对较大，而焊完一条冷却一段时间后再焊第二条这种情况的应力情况较好，所以建议企业在生产制造时考虑本文的研究结果。关键词 ：有限元；数值模拟；温度场；应力场AbstractWith Chinese high-speed railway is developing rapidly, aluminum alloy with good plasticity, easy shaping, lightweight, corrosion-resistant was used widely in the high-speed train. Welding technology as a very important molding technology was widely used in the manufacture of high-speed trains. Welding process involved the producing electric arc, complex heat transfer, phase change of metal, welding deformation and residual stresses and other complex phenomenon. In the process of welding, high-density transient heat input, local heating, the heat source relative motion makes the welder heated uneven, resulted in great stress and deformation, thus made a bad effect on the Thermal and mechanical properties of the workpiece, so studying temperature field and stress field of the welding process have a decisive significance on the quality of welded structures. With the rapid development of computer technology and related business software development, finite element simulation has become an important means of studying the welding technology.  In this paper, we has SYSWELD, a large-scale commercial software as a platform. We combined with the actual welding method and process to simulate temperature and stress fields in the actual welding conditions, and compared with temperature and stress fields measured from the experiments in the same condition. Then we find that it verifies the accuracy and feasibility of the numerical simulation software SYSWELD.After that, We simulated temperature and stress fields of 100mm, 200mm, 400mm, 800mm weldment with the same other conditions. We found that the temperature field and stress field stay in a stable state in the middle of the weldment if the weldment come to a length. the longer the weldment, the longer the stable state stays. This provides a enough theoretical basis to simplify the modeling and simulation of the aluminum side wall of the high-speed train. We can shorten the length of sidewall model with The above simulation as a theoretical basis, and reduce the computational significantly without affecting the software simulation results. We have three conditions to simulate：one is welding the two lines at the same time；second is welding the second line right after welding the first line；third is welding the second line after the first line cooling for a period of time。After simulation，we got temperature and stress fields, and find that the third condition is better than the first and the second condition. We still find that the first condition got a higher temperature and stress. So we suggest that the enterprise consider the results of the study in the manufacturing. Keywords: Finite element;Numerical simulation;Temperature field; Stress field目 录第1章 绪论11.1 本论文研究的意义11.2 焊接温度场和应力场数值模拟的国内外历史及发展现状21.2.1 焊接温度场数值模拟国内外历史及发展现状21.2.2焊接应力场数值模拟国内外历史及发展现状41.3 论文的主要工作内容5第2章 有限元数值理论基础和软件应用72.1 有限元分析理论基础72.1.1 有限元理论72.1.2 焊接过程温度场有限元分析理论72.1.2 焊接过程应力场有限元分析理论102.2 软件应用112.2.1 模型建立和网格划分112.2.2 热源调节132.2.3 Welding Advisor建立工程192.2.4后期处理并分析202.3 热源调节的经验20第3章 SYSWELD模拟温度场和应力场实验验证243.1 铝合金材料堆焊的热循环实验243.1.1 实验简介243.1.2 热电偶测温原理253.1.3 测量焊件上的几个典型点的温度253.2 焊接模拟温度场的计算结果和实验验证253.2.1 焊缝中心线点的温度时间变化过程263.2.2 垂直焊缝方向点的温度时间变化过程273.2.3 温度场的实验验证283.3 铝合金材料的应力值测量实验293.3.1 小孔法简介293.3.2 应力值测量303.4 焊接模拟应力场的计算结果和实验验证31第4章 温度场和应力场的尺寸效应334.1 模拟方法设计和计算334.2 不同长度焊件温度场变化情况344.2.1 典型时间点的温度场云图344.2.2 焊缝上系列点热循环曲线344.3不同长度焊件的残余应力变化情况374.3.1 焊缝方向上一系列点的纵向残余应力分布规律384.3.2 垂直焊缝方向横截面上的点的纵向残余应力394.4小结40第5章 高速列车铝合金侧墙数值模拟和分析415.1 高速列车铝合金侧墙局部建模和网格划分415.2 不同焊接时间下的温度场分析425.3 不同焊接时间下的应力场分析45结 论48致 谢49参考文献50第1章 绪论1.1 本论文研究的意义随着中国经济快速发展，人们生活节奏加快，对出行使用的交通工具要求也越来越高。在此背景下，高速列车在我国得到快速发展和应用，焊接技术作为一种很重要的成型技术很广泛地运用于铝合金高速列车制造中，研究焊接工艺对制造性能良好的高速列车有很重要的意义。相对于其他成型技术，焊接具有接头强度高，结构设计灵活性大，接头密封性好，成品率高等优点，但是焊接过程是一个相当复杂的过程，涉及到电弧产生，复杂传热，金属相变，焊接变形和焊接应力等。焊接过程中高密度的瞬时热输入，局部加热，热源的相对运动，使得所焊工件受热不均匀，温度场很复杂，产生很大的应力（残余应力，热应力，相变残余应力）和变形（焊接角变形，焊接收缩，焊接翘曲和焊接扭曲等），对工件的结构和性能产生不好的影响，也影响焊接结构的加工精度和尺寸的稳定性，所以在焊接设计和施工时必须充分考虑温度和应力对焊接结构和性能的影响。所以，对铝合金车体焊接过程中温度场和应力场数值进行测量，分析，预测和模拟具有很重要的意义。以前，对焊接温度场和应力场的分析都是通过实验方法测得有关温度场和应力场的数据再进行分析，因为外界很多不确定因素的影响，例如测量数据误差，工件不规则或者工件存在内部应力，导致实验数据不是十分精确，并且还浪费大量人力，物力，财力和时间，所以实验方法测量温度场和应力场一定程度上受到一定限制，不能得到广泛推广，在计算机技术快速发展和大型数值模拟商业软件不断完善的今天，采用数值模拟的方法可以很好解决这个问题。数值模拟方法有很多种，如有限元法，数值积分法，蒙特卡洛法，差分法等，尤其是有限元法已经很广泛地运用于焊接热传导，焊接应力和焊接变形分析中。而有限元模拟软件现在也有很多，比较常用的有ANSYS,MARC,ADINA等大型商业软件。 SYSWELD作为一个大型有限元数值模拟商业软件，在焊接过程中，相比于ANSYS等有限元分析软件，可以得到更好的模拟数据和准确的模拟结果，目前正处于推广阶段。SYSWELD的开发最初源于核工业领域的焊接工艺模拟，当时核工业需要揭示焊接工艺中的复杂物理现象，以便提前预测裂纹等重大危险。在这种背景下，1980年，法国法码通公司和ESI公司共同开展了SYSWELD的工艺开发，由于热处理工艺中同样存在和焊接工艺相类似的多相物理现象，所以SYSWELD很快也被应用到热处理领域中并不断增强和完善，随着应用的发展，SYSWELD 逐渐扩大了其应用范围，并迅速被汽车工业，航空航天，国防和重型工业所采用1。1997年，SYSWELD正式加入ESI集团，法码通成为SYSWELD在法国最大的用户并继续承担软件的理论开发与工业验证工作。本文就基于SYSWELD软件平台，采用双椭球热源分布模式（焊接铝合金的MIG焊的通用热源模型），利用和平板对接接头的温度场和应力场实验数据对比，验证SYSWELD模拟数据的准确性，模拟不同长度下焊件的温度场和应力场，分析变化规律，然后建立不同焊接顺序下铝合金高速列车侧墙的温度场和应力场的有限元数值模拟，分析温度场和线能量对应力的影响，为以后铝合金管高速列车的生产和研制提供新的方法，减少研发经费和研发周期。1.2 焊接温度场和应力场数值模拟的国内外历史及发展现状焊接过程是一个非常复杂的过程，涉及电弧产生，热量传导，金属熔化，组织相变和焊接应力和变形等众多物理现象，电弧产生和焊接设备的电流，电压，热效率等有关，热量传导和焊件材料的热物性参数和边界条件等有关系，焊件应力和变形和焊接过程的温度场分布，约束条件，载荷条件等有关系。如果用实验的方法去测量温度场和应力场，必须考虑测量误差的存在，并且还会浪费很多时间，大量的人力，物力和财力，经济效益不好。如果能够在计算机上去模拟决定焊接温度场和应力场的因素，就可以通过在计算机上改变这些因素来得到高质量的焊接接头，从而确定最佳的焊接设计工艺和焊接参数，并且能够大大地节约人力，物力和财力，减少实验工作量。可想而知，如果能够很好地实现焊接数值模拟，对研究焊接工艺和参数有很大的意义，世界各国的科学家也很早就开始了这方面的理论研究和模拟运算。1.2.1 焊接温度场数值模拟国内外历史及发展现状焊接热源的高密度瞬态热源输入造成焊接过程中焊接受热不均匀性，是造成焊接应力和应变产生的最重要原因，所以模拟焊接热过程是非常必要的。国外早在20世纪40年代就开始了对于焊接热过程的研究，D.Rosenthal分析了匀速移动热源在焊件中的热传导过程，但并未考虑到一些热物性参数会随温度变化而变化2。雷卡林将焊接热源模型归纳简化为点，线，面三种理想热源模型，对焊接热源模拟计算提供了很多理论依据，但受当时计算机应用技术还不够成熟，其计算结果还存在很大误差。20世纪60年代后，随着电子计算机应用技术不断发展，也给焊接热过程的数值分析提供了很好的条件。如今有限元法在数值模拟中得到广泛应用，其提出时间可以追溯到1943年，由Courant提出，并应用于固体力学中，与差分法相比，有限元数值模拟法可以用任意形状的网格单元以及根据研究需要疏密有致地设置单元大小，所以在数值模拟得到了很广泛的应用。1966年，Wilson和Nickell首先将利用有限元数值法模拟固态热传导过程，并用实验验证3。之后美国的Gw.Krutzy在其博士论文中利用有限元法建立了二维模型并分析其温度场。之后世界各地的科学家又基于有限元分析理论，结合实际焊接方法建立了各自的温度场分析模型。例如Sonti和Amateau根据铝合金激光焊特点建立了二维温度场有限元模型4,Tekriwall建立三维有限元模型分析了气体保护焊的温度场情况5。为了更加全面分析焊接温度场，得到和实际情况更加一致的温度场，美国科学家bathe热传导过程中，不仅考虑了热对流以及辐射传热等其他热现象，而且还考虑了相变潜热等因素，设置的模拟参数和实际情况更加接近6。2000年南非开普顿大学的Ronda等建立了相变规律和相变塑性的系统理论，建立的TMM模型不仅研究了温度变化对相变的影响，而且还研究了应力应变对相变的影响，是最近几年为研究有限元分析提供的比较成功的技术之一7。随着计算机应用技术的发展，基于以上很多科学家提供的有限元理论，很多软件公司开发了很多基于有限元数值模拟的商业软件，例如常用的ANSYS，MARC,ADINA等，为焊接过程的有限元数值模拟分析提供了很好的分析工具。近几年，类似于ANSYS的有限元数模拟商业软件SYSWELD的出现进一步推动了有限元数值模拟的发展。北京交通大学，重庆大学，合肥工业大学，哈尔滨工业大学的教授和学生基于SYSWELD利用有限元理论对不同结构焊件，不同焊接方法进行了温度场的数值模拟，均验证了SYSWELD的准确性和可行性。浙江大学毕艳霞利用SYSWELD对T型接头的温度场进行了模拟，对典型时刻的焊接温度场分布情况以及焊缝中心线上典型点的热循环曲线进行分析，分析了不同焊接速度对温度场分布的影响8。合肥工业学院材料学院华鹏等人基于SYSWELD建立模型，采用双椭球热源模型对平板钢堆焊的温度场进行了模拟计算，并用实测结果进行了验证9。陈玉华等人基于SYSWELD对在役管道焊接时的温度场进行了数值模拟，分析了管道中介质流速、管壁厚度和线能量等因素对温度场的影响，并对模拟结果进行了验证10。李瑞英等人采用双椭球热源模型模拟了匀速运动电弧下TIG焊接不锈钢的温度场，观察了熔池形态演变并和实际情况进行了对比11。重庆大学的黄彦彦等基于SYSWELD对低合金结构钢的CO2焊的温度场进行了模拟，得到了瞬态温度场云图和典型点的热循环曲线并对其进行了验证12。1.2.2焊接应力场数值模拟国内外历史及发展现状焊件经过焊接之后得到的残余应力会严重影响制造过程和焊件的使用性能，具体会对以下几个方面有影响：1. 对构件刚度的影响: 残余应力对结构刚度的影响程度取决于在受载的界面上受到残余拉应力区域的面积大小，这部分的面积越大，对结构刚度的影响就越大。2. 对构件静强度的影响：当结构件的是工作在低温环境或者结构中的焊接残余应力是属于三向受拉状态时，即使材料具有足够的塑性，焊接残余应力仍会降低结构的静强度3. 对构件疲劳强度的影响：受交变载荷的构件中存在残余压应力时，结构的疲劳强度会提高，存在残余拉应力的话，则结构的疲劳强度就降低21。焊接残余应力对疲劳强度的影响往往和结构的服役环境、结构材料的性能、残余应力的大小和分布、外载的作用状态等因素相关。4. 对机械加工精度的影响：在加工前没有对焊件进行消除应力处理，在机械加工的过程中，可能会因为夹具的松开而导致残余应力平衡破坏产生的变形体现出来。5. 对构件应力腐蚀开裂的影响：相同材料和工作环境下，应力越大越容易发生应力腐蚀开裂。焊接残余应力的存在会导致结构在规定使用年限内发生应力腐蚀开裂，使得结构提前报废13。早在1936年,Boulton 等发表文章讨论了焊接过程中沿板件边缘产生的瞬时热应力，简单分析了焊接残余应力产生机制14。之后，前苏联的H.O.奥凯尔勃洛姆在Boulton的基础上进行一系列工作，初步完善了焊接应力和焊接变形的一般原理15。自20世纪70年代以来，科学家提出了考虑材料热物性参数和力学性能参数的焊接热弹塑性理论，加上计算机技术的发展和有限元模拟软件的广泛应用，从而使复杂的焊接应力应变过程的数值模拟成为可能。1973年，日本的上田幸雄利用有限元理论研究了焊接过程的热弹塑性变化，编写了可以分析平面应力状态的焊接应力应变计算程序16。同时，在美国的Iwaki也基于有限元分析理论编写了可以模拟板上堆焊时焊接热应力的分析程序。之后，Muraki对程序进行了进一步优化，基于热弹性有限元理论对平板焊接时的金属运动和应力进行了模拟计算，很大程度上节省了计算时间1718。焊接过程中材料发生相变是必须考虑的一个因素。Friedman根据厚板对接焊时的特点，将平截面假设条件称之为广义平面应变，将此假设应用于三维有限元方程中，使方程得以简化，相应地对计算焊接应力的费用和计算机硬件条件的要求也大大降低19。国内在20世纪80年代，西安交通大学和上海交通大学对焊接热塑性理论和有限元数值分析进行了研究。上海交通大学编写了二维平面应力的计算程序，并在薄板、厚板，筒体等焊接应力数值模拟方面得到了很成功的应用。近些年来，上海交通大学联合日本大阪大学对焊件的三维应力状态和变形问题进行了分析，提出了若干改善计算精度和收敛性的方法，发展了三维焊接分析程序2021。随着计算机应用技术的发展和有限元数值模拟商业软件的推出，根据实际焊接方法和工艺参数对不同结构焊件进行焊接，取得了很多研究成果。华中科技大学的梁晓燕本基于ANSYS平台，对中厚板对接多道焊的温度场和应力场的分布进行了数值模拟计算，得到了典型时刻的温度场分布、残余应力分布以及其最终的变形情况，并进行了实验验证 22。哈工大的杨建国、方洪渊等采用MARC模拟了复合材料的焊接，研究结果表明复合材料的焊接残余应力最大值出现在熔合线附近 23。大连理工大学华一品基于SYSWELD平台考虑了边界条件和材料热弹塑性能，分析了残余应力对焊接构件承载能力的影响24。李敬勇等人利用ANSYS有限元分析软件分析了在不同预拉伸盈利条件下铝合金平板对接焊和铝合金筒体的温度场和应力场，研究表明在预拉伸状态下可以有效减小残余应力，预拉伸力越大，焊后残余应力值越小2526。1.3 论文的主要工作内容本文以铝合金高速列车侧墙作为研究对象，以有限元数值模拟软件SYSWELD为平台，以双椭球热源模型作为研究过程中的热源模型，对侧墙的MIG焊焊接过程中的温度场和应力场进行分析，具体工作内容主要有以下几点：1）根据铝合金的MIG焊特点，选用适合该焊接的双椭球热源分布模型，熟练掌握热源模型参数对焊接熔池的影响，得到较好的焊缝成形。2） 对铝合金平板的简单对接进行建模，划分网格，调节相应厚度的热源模型，对接头的温度场和应力场进行数值模拟，得到的模拟数据和相同尺寸相同工艺的对接实验数据对比，分析两者数据差异产生的原因，验证有限元软件对焊接过程模拟的准确性和可行性。3） 在其他参数和工艺不变的情况下，分别对100mm，200mm，400mm，800mm对接焊件的温度场和应力场进行模拟，观察温度场和应力场达到稳定状态的临界条件，研究温度场和应力场的变化规律，为简化高速列车铝合金的数值模拟提供理论依据。4） 以上述理论依据简化高速列车铝合金车体的侧墙，建立模型并划分网格，考虑实际生产时复杂边界条件等其他不确定因素，分同时焊接两条焊缝，焊完一条后马上焊接第二条，焊完一条冷却一段时间后再焊第二条这三种情况进行模拟计算，得到温度场和应力场，分析温度场和线能量对应力场的影响，为之后研究和生产铝合金高速列车提供建设性建议。第2章 有限元数值理论基础和软件应用2.1 有限元分析理论基础2.1.1 有限元理论有限元法（Finite Element Method，FEM），是随着计算机技术快速发展和有限元分析软件的大量出现而出现的一种使用广泛的离散数值计算方法，现在焊接过程的温度场和应力场已经大量使用有限元法进行数值模拟。其核心思想就是结构的离散化，是将实际构件理想地离散为有限个单元体，实际结构的各种性能可以通过对离散体进行分析，得到满足工程精度的近似结果来替代对实际结构的分析，这样可以解决很多实际工程需要解决而理论分析又无法解决的复杂问题27。在物体的离散化过程中，有以下几点是需要注意的a) 单元类型：根据实际物理问题选择合理单元类型，对不同的物体结构以及分析的类型，采用不同单元。b) 单元尺寸及单元数目：单元尺寸和数量直接影响计算规模的大小与计算结果的精度和连续性。单元尺寸可以根据实际需要研究的结构部位而变化，做到疏密有致。c) 节点的设置：如果物体在几何形状、材料性质和外部条件没有突然变化的情况下，可以将结构分为相等的单元，否则应该在突变的位置设置节点，如截面尺寸变化较大处，不同材料交界处，外部条件突然变化的位置等。d) 结构的简化：利用结构和载荷的对称性，对焊件的几何模型进行合理的简化，减少部分难控制的因素，减少计算规模。2.1.2 焊接过程温度场有限元分析理论焊接过程中高密度的瞬时热输入，热源的相对运动，热量的辐射和对流等物理现象使得其温度场极为复杂，焊接加热