钢板焊接全过程温度场与残余应力分布的研究

摘要

焊接作为钢结构连接中最主要的方法，其广泛的应用于船舶、高铁、航天等工程制造领域，在国民工业中占据着非常重要的地位。在焊接过程中，焊件由于局部加热和冷却产生极不均匀的温度场，焊后工件不可避免地产生较大的焊接残余应力和变形，焊接残余应力不仅会引起构件变形导致尺寸误差，还会对结构刚度、疲劳强度、应力腐蚀开裂等多方面产生不利影响。因此，定量的分析、预测、模拟钢板焊接过程中温度场和焊后残余应力场具有重要意义。 为研究焊接参数对钢板对接焊全过程温度场与残余应力场的影响，采用Fortran语言开发了基于双椭球热源模型的热源子程序，以ABAQUS软件为平台，运用model change技术实现了钢板对接焊的焊缝填充，建立了考虑热-弹-塑性的有限元模型，对不同板厚、不同焊接速度、不同焊道数、不同坡口形式的Q345钢平板对接接头的温度场与残余应力场进行数值模拟研究。本文使用CO2气体保护焊实现试验钢板对接焊，通过数字图像相关法光学手段研究了焊接钢板背面散斑图像的残余应变分布形式，为光学仪器在测量应变分布上提供了一定的试验基础，也为改善钢板对接焊温度场和残余应力场提供了一定的理论基础。 分析结果表明：（1）数字图像相关技术能较好的反映出钢板背面焊接残余应变曲线，验证了数值模拟方法的有效性与准确性；（2）在焊接过程中，焊接温度场自热源中心沿移动路径向外形成具有一定温度梯度的纺锤形带状分布，焊接热源前端等温线密集，温度梯度大，热源后端等温线稀疏，温度梯度小；（3）焊缝起焊时，焊件温度剧烈上升，但随焊接热源移动而逐渐趋于平稳，形成了准稳态温度场；待焊接热源移除，峰值温度极速下降，至100℃左右温度下降速度开始变得极为缓慢；（4）焊缝中心温度场峰值与焊接速度成反比关系，与焊接热输入量成正比关系；（5）随板厚的增加、焊接速度的提高或焊道数的增多，平行于焊缝方向的特征点温度峰值在降低，温度差值在减小，垂直于焊缝方向的特征点温度峰值也在降低，但温度差值却在加大；（6）焊后残余应力场云图基本呈“灯笼式”分布，焊缝两头残余应力影响范围较窄，应力梯度较大，焊缝中间残余应力影响范围较宽，应力梯度较小；（7）不同路径上残余应力存在一定的分布形式：在垂直于焊缝方向上，纵向残余应力总体表现为拉应力，呈“几”字形分布，横向残余应力整体为拉应力，呈M形分布；沿焊缝方向，纵向残余应力表现为压应力，呈W形或U形分布，横向残余应力总体表现为拉应力，呈倒U形分布；（8）随着板厚、焊接速度或焊道数的增加，无论是残余拉应力还是压应力均呈下降趋势；（9）在钢板对接坡口焊中，X形坡口焊接残余应力较小，K形坡口次之，V形坡口最为不利；X形、K形坡口采用对称焊与否，对焊接残余应力影响较小，且非对称焊坡口略优于对称焊。

目录

声明

第一章 绪论

1.1课题背景及意义

1.2焊接残余应力的概念

1.3焊接数值模拟的国内外研究概况

1.4研究的难点及关键技术

1.5本文研究内容

第二章 焊接有限元分析理论基础

2.1焊接有限元分析概述

2.2焊接温度场有限元基本理论

2.3焊接应力场有限元基本理论

2.4本章小结

第三章 试验概况及结果分析

3.1试验概况

3.2试验结果分析

3.3本章小结

第四章 焊接数值模拟有限元模型的建立

4.1有限元模型及网格划分

4.2材料属性定义

4.3焊接热源模型及热源加载

4.4边界条件

4.5本章小结

第五章 焊接温度场计算结果分析

5.1基于DICM测量的有限元模型温度场结果分析

5.2基于焊接参数的有限元模型温度场结果分析

5.3基于不同坡口形式的有限元模型温度场结果分析

5.4本章小结

第六章 焊接残余应力场计算结果分析

6.1基于DICM测量的有限元模型残余应力结果分析

6.2基于焊接参数的有限元模型残余应力结果分析

6.3基于不同坡口形式的有限元模型残余应力结果分析

6.4本章小结

第七章 焊接钢梁柱节点残余应力的数值分析

7.1钢梁柱有限元模型

7.2钢梁柱焊接残余应力分析

7.3本章小结

第八章 总结与展望

8.1全文总结

8.2研究展望

参考文献

致谢

作者简历

攻读硕士期间所发表的论文

附录