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密度变化对钢结构焊接残余应力的影响

发布时间:2017-10-12 11:00来源:网络

  【摘要】基于有限元方法,对二维对接X型对接坡口焊在力学物理参数选取的情况下的不同进行了数值分析。主要分析了在自熔焊中密度随温度的变化对二维对接焊X型坡口残余应力的影响。密度的变化对结果的影响很大。

  【关键词】密度;X形对接焊缝;焊接残余应力
  
  1.引言
  随着计算机技术的发展,利用有限元软件对焊接过程进行模拟,可以弥补实验室中不能实现的工作情况。而对于模拟过程的快速性和其结果的精确性是焊接模拟能够应用于定量计算焊接应力应变场的前提。但焊接是一个牵涉到电弧物理、传热、冶金和力学的复杂过程,因此在焊接过程中,所选取的材料物理参数值与热循环有关,一般都是温度的非线性函数,这些参数选取是否合理将直接影响到计算的准确性。有学者[1]取材料物理参数的平均值进行分析,但会影响计算的精度。此前作者分析了有关温度物理参数,得出焓值、比热容等物理参数的选取对二维焊接模拟结果的影响[2],但是力学物理参数的变化的影响没有研究,因此本文在这里通过以模拟二维平板对接焊X型坡口,利用ansys大型有限元软件,得出密度这个力学物理参数的选取对二维焊接模拟结果的影响,为工程结构的焊接分析提供一定的方法。
  2.有限元计算
  模拟计算所采用的X型坡口对接焊的焊板尺寸均为1000mm×300mm。设初始温度焊缝为1000℃,其他部分为30℃。建立有限元模型时,网格划分采用过渡性处理。由于焊缝及其邻近区域温度变化很大,采用较密的网格划分,而远离焊缝处和温度变化不明显的区域使用比较稀疏的网格。在焊接模拟的有限元计算过程中,热与结构的耦合是双向的,即热分析影响结构应力分析,同时结构变形又会影响热分析。ANSYS一般采用直接法或间接法对其进行处理,本文选用直接法进行焊接模拟。为了科学的反映实际情况,这里应用生死单元法和循环程序来加载焊接热源,即在开始计算时,将尚未焊接的焊缝单元设为死单元,然后逐步激活,从而模拟了金属材料的填充过程[3]。
  3.材料的密度选取
  由于自熔焊是将待焊处的母材金属熔化以形成焊缝的焊接方法,那么根据其这一特点,因此这里将焊缝与母材为取同一材料。选取的材料为SS316L不锈钢,其物理参数如表2-1。其中取SS316L的熔解潜热为300kJ/kg,固相线温度1420℃,液相线温度1460℃[4],在模拟的过程中,比热容取平均值611/J・kg-1・oC-1,在不考虑密度随温度变化时统一取平均值7590kg・m-3。
  4.分析与讨论
  根据图2-1,在X型坡口对接焊中,对沿路径AB和AG上的残余应力(取Von mises相当应力)进行分析,可以得到图3-1所示的x-曲线(其中a图表示AB路径,b图表示AG路径:
  从上面的结果可以看出,密度随温度的变化对二维X型坡口对接焊每一个路径的模拟结果影响都很大。尤其对于AG路径来说,考虑密度随温度的变化所得到的模拟结果要远低于密度取平均值时的模拟结果,这一点是符合工程实际情况的[5]。而作为焊缝交接处的A点,该点的残余应力是否准确是评价一个结构焊接质量好坏的一个重要基础依据,而这点的残余应力根据模拟结果来看相差很大,如果采用平均恒值进行计算将必然得出错误的结论,进而可能导致严重的工程安全质量事故。
  5.结束语
  对二维X型坡口对接焊进行数值模拟分析,讨论密度这个力学物理参数随温度变化对残余应力场的影响,可以得到如下结论:
  (1)密度随温度的变化对于焊接模拟结果的影响是不同的。
  (2)考虑密度变化所得到的残余应力值要远远低于其取平均值时的结果。
  (3)当采用密度平均恒值时,将得到严重错误的结果。
  
  参考文献
  [1]Kazuo Ogawa,Dean Deng,et al.investigations on welding residual stresses in penetration nozzles by means of 3D thermal elastic plastic FEM and experiment[J].Computational Materials Science,2009,45(04):1031-1042.
  [2]梁君亮,李昊等.材料物理参数选取对钢结构焊接模拟的影响[J].安徽建筑工业学院学报(自然科学版),2010年03期.
  [3]汪建华.焊接数值模拟技术及其应用[M].上海:上海交通大学出版社,2003.
  [4]倪红芳,凌祥等.多道焊三维残余应力场有限元模拟[J].机械强度,2004,26(2):218-222.
  [5]孙志雄.焊接断裂力学[M].西安:西北工业大学出版社,1990.
  
  作者简介:梁君亮(1983―),男,陕西西安人,硕士研究生,助教,主要从事钢结构,混凝土结构的教学。


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