預(yù)拉伸控制鋁合金焊接殘余應(yīng)力及變形的數(shù)值模擬.pdf

1、鋁合金焊接殘余應(yīng)力和變形一直是影響其廣泛應(yīng)用的主要因素之一。本文采用的預(yù)拉伸是一種非常有效的控制焊接殘余應(yīng)力及變形的方法，具有獨特的優(yōu)越性，在實際工程中將會得到廣泛的應(yīng)用?，F(xiàn)在，其研究遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足實際應(yīng)用的需要。本文采用數(shù)值模擬技術(shù)，在大型商業(yè)通用有限元分析軟件ANSYS基礎(chǔ)上，對預(yù)拉伸控制焊接殘余應(yīng)力及變形進(jìn)行了初步研究。 本文基于熱彈塑性理論對焊接應(yīng)力應(yīng)變場進(jìn)行了模擬分析，在結(jié)構(gòu)力學(xué)基礎(chǔ)理論上建立有限元模型，施加邊界條件，計

2、算分析預(yù)拉伸的力學(xué)行為與預(yù)拉伸控制焊接殘余應(yīng)力及變形效果。最后，利用APDL語言編制了具有一定通用性的參數(shù)化模擬分析程序，通過改變模擬參數(shù)可以模擬分析不同條件下的焊接與預(yù)拉伸處理。 建立了薄板對接過程的三維有限元模型，采用直接耦合法計算分析熱-力耦合效應(yīng)。采用高斯分布的熱源模擬焊接電弧，通過在實體單元施加熱流密度實現(xiàn)焊接熱源的移動加載。模型中考慮了隨溫度變化的材料熱物理性能參數(shù)，并對材料的高溫?zé)嵛锢硇阅軈?shù)進(jìn)行了適當(dāng)?shù)倪x取和調(diào)整

3、。采用非均勻網(wǎng)格劃分，焊縫及附近區(qū)域的網(wǎng)格劃分細(xì)密，遠(yuǎn)離焊縫區(qū)域網(wǎng)格劃分稀疏。 針對焊接熱-結(jié)構(gòu)計算分析的高度非線性，采取了一系列措施保證求解的收斂和精度。采用線性搜索、自動時間步、求解預(yù)測等措施加強(qiáng)計算的收斂。采用完全牛頓-拉普森方法進(jìn)行迭代求解計算焊接應(yīng)力應(yīng)變場，同時采用變步長法求解加快計算速度。 模擬結(jié)果顯示，預(yù)拉伸焊接可以有效控制鋁合金的焊接變形及殘余應(yīng)力，隨著預(yù)拉伸應(yīng)力的增大，其控制效果愈加明顯。通過對計算結(jié)果

4、進(jìn)行分析及與實驗結(jié)果的對比發(fā)現(xiàn)，模擬計算結(jié)果與實驗測定結(jié)果基本吻合，從而證明了模擬途徑的正確性及模擬結(jié)果的有效性。 對不同預(yù)拉伸應(yīng)力條件下鋁合金板材縱向殘余應(yīng)力的模擬分析結(jié)果顯示，預(yù)拉伸焊接法可以有效控制鋁合金焊接殘余應(yīng)力。隨著預(yù)拉伸應(yīng)力增大，其焊后殘余應(yīng)力值逐漸減小，試板橫斷面上縱向殘余應(yīng)力分布曲線越來越平緩。當(dāng)預(yù)拉伸應(yīng)力σp從0增加到90％σ0.2時，縱向殘余應(yīng)力降低了85.6％。采用預(yù)拉伸焊接法可以有效控制鋁合金板材焊縫及

5、近縫區(qū)的縱向撓曲變形，隨著預(yù)拉伸應(yīng)力增大，其控制變形的效果愈加明顯，當(dāng)預(yù)拉伸應(yīng)力σp=90％σ0.2時，焊后縱向撓曲變形最大降幅達(dá)70.45％。 分析認(rèn)為預(yù)拉伸焊接法有效地控制焊接殘余應(yīng)力及變形，其主要機(jī)理為：在預(yù)加應(yīng)力作用下進(jìn)行焊接時，高溫狀態(tài)下的塑性變形區(qū)向遠(yuǎn)離焊縫中心方向擴(kuò)展，從而減小了由周圍較冷金屬對由焊接熱輸入引起的焊縫及近縫區(qū)金屬熱膨脹的縱向塑性擠壓程度，進(jìn)而減小了焊接加熱過程中在焊縫及近縫區(qū)形成的縱向塑性壓應(yīng)變。在

6、隨后焊縫冷卻過程中該部位因熱收縮受到限制及預(yù)拉伸力對拉應(yīng)力區(qū)的拉伸作用，在該部位產(chǎn)生較大的縱向塑性拉伸。這樣在有預(yù)拉伸應(yīng)力下進(jìn)行焊接時，冷卻階段的塑性拉應(yīng)變就能大大的抵消由加熱階段形成的塑性壓應(yīng)變，使焊件中只有較小的縱向殘余塑性壓應(yīng)變被保留下來甚至于沒有。焊件上發(fā)生的殘余壓縮塑性變形是導(dǎo)致焊接殘余應(yīng)力形成的主要原因，而殘余應(yīng)力又是一個自相平衡的內(nèi)力，局部殘余壓縮塑性變形的減小必然引起結(jié)構(gòu)總體內(nèi)應(yīng)力的重新分布，從而大大降低焊接殘余應(yīng)力幅值