预测焊焊接残余应力和变形国内外研究现状

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分析预测焊焊接残余应力和变形相当复杂，焊接结构的原始状况及大小、结构的材料组织成分、装配的先后顺序、结构所受的拘束度、焊接热源以及焊后热处理等因素都会影响到焊焊接残余应力和变形。随着计算机处理能力的大幅提高，人们可以从技术层面对焊焊接残余应力和变形进行数值模拟，克服了依赖传统实验跟经验公式分析计算的不足，大大降低了焊接工作者的计算量[5]。

焊接数值模拟包括焊接熔池尺寸形状、焊接热过程、焊接变形和焊接应力的发展、焊接接头的力学性能、焊接熔合区和热影响区的组织变化的影响以及焊接结构疲劳裂纹扩展等方面的数值模拟[6]。由于焊接构件在焊接热过程中没有收到均匀和平衡的加热和冷却有温度差存在，而产生焊接应力场，所以对焊接应力场进行有限元数值模拟分析的基础是对焊接温度场的有限元数值模拟[7,8]，焊接的数值模拟要考虑各方面因素。87017

1 国外研究进展

国外的研究相对要早一些，20世纪30年代，焊接工作者就开始对焊接的热传递过程进行分析研究。苏联科学院的H。H。Rykalin院士在罗森塞尔提出的移动点状热源在固体中传热求解方程的基础上建立了焊接传热学[9,10]，对焊接传热问题进行全面深入的研究。焊接热过程产生的瞬间热应力是当时的学者研究的主要方向，但当时的研究由于应力场变化相当复杂，并且计算机处理技术也不够强大，所以并没有取得一些重要的进展。到了二十世纪六十年代，人们开始利用计算机技术对焊接变形和残余应力进行分析研究。1961年，Tall等人第一次用计算机编写一维结构焊接对应的热应力研究分析程序，计算焊接残余应力[7]。1966年威尔逊和尼克尔第一次把有限元法用于分析研究固体热传导的。20世纪七十年代初，日本大阪大学的上田幸雄教授和Okumoto[11]等人首先在有限元法理论的基础上，提出了把材料学机械性能与温度相关的焊接热考虑在内的弹塑性分析理论，推导出分析计算焊接残余应力和变形需要的的表达式，从而使复杂的焊接残余应力过程的分析成为可能，计算焊接力学这门新的学科就是在深入研究的基础上兴起的。相同的时期，美国的一位Iwaki学者编写了一个十分相近的分析模拟程序，经过Muraki的改进与完善，大幅提高了焊接模拟的准确性以及计算效率，还可以模拟平面堆焊[12,13]。加拿大学者Z。Paley在考虑温度变化和材料热物理属性之间的关系的条件下，采用等差分布的方法将焊缝熔合区中的单位个体作为焊接过程中的热源进行处理[14]。随后有学者运用有限元法分析了T型接头焊接应力场的分布情况。1976年，美国的Krutzy在自己的博士论文中以有限元法为基础建立了二维焊接温度场的模拟计算模型并且考虑焊接时的相变潜热问题[15]，但他没有把材料热扩散率和电弧运动速度之间的实际关系带入二维数值模型中考虑，所以导致了模拟的电弧的热量输出值与实际情况不相符。在20世纪70年代末，E。F。Rybichi与R。B。Stonesifer[16]等运用有限元法的推理思路，从管线几何尺寸、焊接热输入、焊接速度及热效率等多个方面对环形对接管多道焊中的焊接应力场分布以及应力的大小进行了深入系统的模拟研究，热应力分析模型以及温度分析模型也在此研究的基础上得以建立。论文网

进入二十世纪八十年代，伴随着有限元技术日益发展完善，人们对焊接残余应力的分布规律和焊接变形有了更加深入的认识，1984年加拿大Goldak教授用双椭球焊接热源模型模拟浅熔深的氢弧焊、深熔深的激光焊、电子束焊的热源，这个模型的空间能量密度遵循高斯分布，该模型不仅适用于埋弧焊还可以用于手工电弧焊。由于该热源模型对磁流体力学的研究考虑了熔池内电磁力作用情况和熔池内液体流动，因此可以相对清晰的描述出熔化焊的能量密度分布规律，并试图把焊接速度、电压、电流以及焊丝大小等因素与该双椭球模型中的相关参数联系起来，但是假设的模型是对称的球形，没有考虑到焊接工艺方法以及辐射传热效应，很显然这种双椭球模型还存在着一些不足处[17,18]。20世纪90年代初，Y。Shim 和E。Feng 等[19]学者分析并建造了厚板焊接过程中焊接残余应力沿厚度方向分布的分析模型。20世纪90年代末，Tso-Liang Teng等[20]学者运用工程大型有限元模拟软件ANSYS，分析研究了薄板焊接过程时，试件原始尺寸的大小、预热温度的高低、焊接速度的快慢、内外拘束度等因素对焊接残余应力及变形的影响。