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基于ANSYS的平板对焊的残余应力分析 摘要：本文建立了薄板焊接有限元模型，采用高斯热源并利用ansys软件对焊接过程做了模拟。计算表明，焊接后的最大的残余应力分布在焊缝处，这为实际的焊接过程控制提供了一定的指导。 关键字：焊接，ansys，模拟 1、引言 焊接结构一个很明显的特点是有较大的焊接应力和变形。由于焊接生产中，绝大部分焊接方法都采用局部加热，所以不可避免地将产生焊接应力和变形。焊接应力和变形不但可能引起热裂纹、冷裂纹、脆性断裂等工艺缺陷，而且在一定条件下将影响结构的承载能力，如强度，刚度和受压稳定性。除此以外还将影响到结构的加工精度和尺寸稳定性。以往，对焊接温度场、应力和变形的分析都是通过实验的方法测量并采集数据，进行定量的分析。由于受实验各方面的限制，所得数据的精确度并不高而且浪费大量的人力、物力和时间。虽然这类问题可通过解析方法，求解某些特定的微分方程组来进行定量计算，然而，只有在十分简单的情况下并且作许多简化的假设，才有可能求得这些方程闭和的解析解。而实际的焊接问题多种多样，边界条件十分复杂，用解析方法来求解这类微分方程是十分困难的。在高速电子计算机发展的今天，大多采用数值模拟的方法。因此，在设计和施工时充分考虑焊接应力和变形这一特点是十分重要的。可见，对焊接应力和变形进行计算和分析有很重要的现实意义。 本文针对低碳钢薄板焊接时，应用高斯分布热源模型，建立了三维薄板堆焊的温度场有限元数值分析模型，并以此为基础考虑了材料的非线性采用热弹塑性有限单元法，得到了薄板的焊接过程的瞬态温度场、瞬态热应力和残余应力。 2、焊接模拟相关理论 2.1 非线性热传导分析的基本原理 焊接是一个局部快速加热到高温，并随后快速冷却的过程。随着热源的移动，整个焊件的温度随时间和空间急剧变化，材料的热物理性能也随温度剧烈变化，同时还存在熔化和相变时的潜热现象。因此，焊接温度场分析属于典型的非线性瞬态热传导问题。 非线性瞬态热传导问题的控制方程为: (1) 式中: 为材料比热容;为材料密度;为导热系数;T为温度场分布函数; 为内热源;为传热时间。这些参数中、、都随温度变化。 焊接温度场的计算通常用到以下两类边界条件: 1)己知边界上的热流密度分布 2)己知边界上的物体与周围介质间的热交换 2.2非线性瞬态热传导的有限元分析 由于焊接温度场的分析是典型的非线性瞬态热传导问题，而这类问题的求解特点是在空间域内用有限单元网格划分，而在时间域内则用有限差分网格划分。 瞬态传热过程是指一个系统的加热或冷却过程。在这个过程中系统的温度、热流率、热边界条件以及系统内能随时间都有明显变化。根据能量守恒原理，瞬态热平衡可以表达为（以矩阵形式表示）： (2) 式中：为传导矩阵，包含热系数、对流系数及辐射和形状系数； 为比热矩阵，考虑系统内能的增加； 为节点温度向量； 为温度对时间的导数； 为节点热流率向量，包括热生成； 因为焊接过程中材料热性能随温度变化，如，等；边界条件随温度变化，如等；含有非线性单元；考虑辐射传热；非线性热分析的热平衡方程为： (3) 2.2 焊接应力和变形的分析理论 由于高度集中的瞬时热输入，在焊接过程中和焊后将产生相当大的焊接应力和变形。焊接应力和变形计算是以焊接温度场的分析为基础，同时考虑焊接区组织转变对应力应变场带来的影响。热弹塑性分析是在焊接热循环过程中通过一步步跟踪热应变行为来计算热应力和应变的，该方法需要采用有限元计算方法在计算机上实现采用这种方法可以详尽地掌握焊接应力和变形的产生及发展过程。随着大型有限元软件的开发并取得了良好的效果，这种方法被越来越多的学者采用。本文也是基于此理论，借助于有限元软件在计算机上实现对焊接应力和变形的模拟研究的。 2.3.1 热弹塑性分析的特点和假定 热弹塑性问题是一个热力学问题。作为热力学系统的焊接材料，其自由能密度不仅与应变有关，而且还与温度有关。也就是说，力学平衡方程中有与温度有关的项。从能量上看，输入的热能在使焊接材料温度上升的同时，还由于结构的膨胀变形做功而消耗一部分。这时，在热传导平衡方程中，要增加与应力有关的项。因此，严格的说，温度场与应力场是相互藕合的。这从图3-1和图3-2能很清楚的看到。不过这种祸合效果除个别特殊情况外，一般都很小，而且焊缝附近的温度变化很大，材料的各种物理性能也相应变化很大，这种影响与上述耦合效应相比要大得多。所以就焊接的热弹塑性而言，取非祸合的应力场和温度场是合适的。 在热弹塑性分析时有如下一些假定: (1)材料的屈服服从米赛斯(V